In dit artikel worden de faalwijzen en faalmechanismen van elektronische componenten bestudeerd en wordt hun gevoelige omgeving gegeven als referentie voor het ontwerp van elektronische producten.
1. Typische storingsmodi van componenten
Serienummer
Naam elektronische component
Omgevingsgerelateerde storingsmodi
Omgevingsstress
1. Elektromechanische componenten
Trillingen veroorzaken vermoeiingsbreuk van spoelen en losraken van kabels.
Trilling, schok
2. Halfgeleidermicrogolfapparaten
Hoge temperatuur en temperatuurschokken leiden tot delaminatie op het grensvlak tussen het verpakkingsmateriaal en de chip, en tussen het verpakkingsmateriaal en de chiphouder-interface van de met plastic verzegelde microgolfmonoliet.
Hoge temperatuur, temperatuurschok
3. Hybride geïntegreerde schakelingen
Schokken leiden tot barsten in het keramische substraat, temperatuurschokken leiden tot barsten van de eindelektrode van de condensator, en temperatuurwisselingen leiden tot soldeerfouten.
Schok, temperatuurcyclus
4. Discrete apparaten en geïntegreerde schakelingen
Thermische storing, falen van chipsolderen, falen van binnenste loodbinding, schokken die leiden tot scheuren van de passiveringslaag.
Hoge temperatuur, schokken, trillingen
5. Weerstandscomponenten
Breuk van kernsubstraat, breuk van resistieve film, breuk van lood
Shock, hoge en lage temperatuur
6. Circuit op bordniveau
Gebarsten soldeerverbindingen, gebroken koperen gaten.
Hoge temperatuur
7. Elektrisch vacuüm
Vermoeiingsbreuk van hete draad.
Trillingen
2, typische analyse van het faalmechanisme van componenten
De storingsmodus van elektronische componenten is niet één, maar slechts een representatief onderdeel van de analyse van de tolerantielimieten van de typische componentengevoelige omgeving, om tot een meer algemene conclusie te komen.
2.1 Elektromechanische componenten
Typische elektromechanische componenten zijn onder meer elektrische connectoren, relais, enz. De storingsmodi worden grondig geanalyseerd met respectievelijk de structuur van de twee soorten componenten.
1) Elektrische connectoren
Elektrische connector door de schaal, isolator en contactlichaam van de drie basiseenheden, de storingsmodus is samengevat in de contactstoring, isolatiestoring en mechanisch falen van de drie vormen van storing.De belangrijkste vorm van falen van de elektrische connector voor het falen van het contact, het falen van zijn prestaties: contact op de onmiddellijke breuk en contactweerstand neemt toe.Voor elektrische connectoren, vanwege het bestaan van contactweerstand en materiaalgeleiderweerstand, wanneer er stroom door de elektrische connector stroomt, zullen contactweerstand en metaalmateriaalgeleiderweerstand Joule-warmte genereren, Joule-warmte zal warmte verhogen, wat resulteert in een toename van de temperatuur van het contactpunt, een te hoge contactpunttemperatuur zal het contactoppervlak van het metaal zachter maken, smelten of zelfs koken, maar ook de contactweerstand verhogen, waardoor het contact mislukt..In de rol van omgeving met hoge temperaturen zullen de contactdelen ook een kruipfenomeen vertonen, waardoor de contactdruk tussen de contactdelen afneemt.Wanneer de contactdruk tot op zekere hoogte wordt verlaagd, zal de contactweerstand sterk toenemen en uiteindelijk een slecht elektrisch contact veroorzaken, wat resulteert in contactstoringen.
Aan de andere kant zal de elektrische connector bij opslag, transport en werk onderhevig zijn aan een verscheidenheid aan trillingsbelastingen en slagkrachten, wanneer de excitatiefrequentie van de externe trillingsbelasting en elektrische connectoren dicht bij de inherente frequentie komen, zal de elektrische connector resonantie maken fenomeen, waardoor de opening tussen de contactstukken groter wordt, de opening tot op zekere hoogte toeneemt, zal de contactdruk onmiddellijk verdwijnen, wat resulteert in een "onmiddellijke onderbreking" van het elektrische contact.In de trilling, schokbelasting, zal de elektrische connector interne spanning genereren, wanneer de spanning de vloeigrens van het materiaal overschrijdt, zal het materiaal beschadigen en breken;in de rol van deze langdurige stress zal het materiaal ook vermoeidheidsschade veroorzaken en uiteindelijk falen veroorzaken.
2) Relais
Elektromagnetische relais zijn over het algemeen samengesteld uit kernen, spoelen, armaturen, contacten, rieten enzovoort.Zolang een bepaalde spanning wordt toegevoegd aan beide uiteinden van de spoel, zal er een bepaalde stroom in de spoel vloeien, waardoor een elektromagnetisch effect wordt geproduceerd, het anker zal de elektromagnetische aantrekkingskracht overwinnen om terug te keren naar de veertrekkracht naar de kern, die drijft op zijn beurt de bewegende contacten en statische contacten (normaal open contacten) van het anker aan om te sluiten.Wanneer de spoel wordt uitgeschakeld, verdwijnt ook de elektromagnetische zuigkracht, het anker keert terug naar de oorspronkelijke positie onder de reactiekracht van de veer, zodat het bewegende contact en het originele statische contact (normaal gesloten contact) zuigen.Dit zuigen en loslaten, waardoor het doel van geleiding wordt bereikt en in het circuit wordt afgesneden.
De belangrijkste manieren van algemeen falen van elektromagnetische relais zijn: relais normaal open, relais normaal gesloten, relais dynamische veerwerking voldoet niet aan de vereisten, contactsluiting nadat de elektrische parameters van het relais de armen overschrijden.Vanwege het tekort aan het productieproces van elektromagnetische relais, falen veel elektromagnetische relais in het productieproces om de kwaliteit van verborgen gevaren te leggen, zoals de mechanische spanningsontlastingsperiode is te kort, wat resulteert in een mechanische structuur na de vervorming van de vormdelen, het verwijderen van resten is niet uitgeput resulterend in een mislukte of zelfs mislukte PIND-test, fabriekstests en gebruik van afscherming is niet strikt, zodat het apparaat niet in gebruik kan worden genomen, enz. De impactomgeving zal waarschijnlijk plastische vervorming van metalen contacten veroorzaken, wat resulteert in relaisstoring.Bij het ontwerp van apparatuur die relais bevat, is het noodzakelijk om aandacht te besteden aan de impact van het aanpassingsvermogen van de omgeving waarmee rekening moet worden gehouden.
2.2 Halfgeleidermicrogolfcomponenten
Microgolfhalfgeleiderapparaten zijn componenten gemaakt van Ge, Si en III ~ V samengestelde halfgeleidermaterialen die werken in de microgolfband.Ze worden gebruikt in elektronische apparatuur zoals radar, systemen voor elektronische oorlogsvoering en microgolfcommunicatiesystemen.Microgolf discrete apparaatverpakking Naast het bieden van elektrische verbindingen en mechanische en chemische bescherming voor de kern en pinnen, moet bij het ontwerp en de selectie van de behuizing ook rekening worden gehouden met de impact van de parasitaire parameters van de behuizing op de microgolftransmissiekarakteristieken van het apparaat.Ook de microgolfbehuizing maakt deel uit van de schakeling, die zelf een compleet in- en uitgangscircuit vormt.Daarom moeten de vorm en structuur van de behuizing, grootte, diëlektrisch materiaal, geleiderconfiguratie, etc. overeenkomen met de microgolfkarakteristieken van de componenten en aspecten van de circuittoepassing.Deze factoren bepalen parameters zoals capaciteit, elektrische leidingweerstand, karakteristieke impedantie en geleider- en diëlektrische verliezen van de buisbehuizing.
Milieurelevante storingsmodi en mechanismen van componenten van microgolfhalfgeleiders omvatten voornamelijk poortmetaalput en degradatie van resistieve eigenschappen.Gate metal sink is te wijten aan de thermisch versnelde diffusie van gate metal (Au) in GaAs, dus dit faalmechanisme treedt voornamelijk op tijdens versnelde levensduurtests of werking bij extreem hoge temperaturen.De diffusiesnelheid van poortmetaal (Au) in GaAs is een functie van de diffusiecoëfficiënt van het poortmetaalmateriaal, de temperatuur en de materiaalconcentratiegradiënt.Voor een perfecte roosterstructuur worden de prestaties van het apparaat niet beïnvloed door een zeer lage diffusiesnelheid bij normale bedrijfstemperaturen, maar de diffusiesnelheid kan aanzienlijk zijn wanneer de deeltjesgrenzen groot zijn of er veel oppervlaktedefecten zijn.Weerstanden worden vaak gebruikt in monolithische geïntegreerde microgolfschakelingen voor feedbackcircuits, het instellen van het voorspanningspunt van actieve apparaten, isolatie, vermogenssynthese of het einde van de koppeling. Er zijn twee weerstandsstructuren: metaalfilmweerstand (TaN, NiCr) en licht gedoteerde GaAs dunne laag weerstand.Tests tonen aan dat de verslechtering van de NiCr-weerstand veroorzaakt door vochtigheid het belangrijkste mechanisme is van het falen ervan.
2.3 Hybride geïntegreerde schakelingen
Traditionele hybride geïntegreerde schakelingen, volgens het substraatoppervlak van de dikke film geleideband, is het dunne film geleidebandproces verdeeld in twee categorieën dikke film hybride geïntegreerde schakelingen en dunne film hybride geïntegreerde schakelingen: bepaalde kleine printplaat (PCB) schakeling, als gevolg van de gedrukte schakeling is in de vorm van film in het platte bordoppervlak om een geleidend patroon te vormen, ook geclassificeerd als hybride geïntegreerde schakelingen.Met de opkomst van multi-chipcomponenten heeft deze geavanceerde hybride geïntegreerde schakeling, zijn substraat-unieke meerlaagse bedradingsstructuur en through-hole procestechnologie ervoor gezorgd dat de componenten een hybride geïntegreerde schakeling zijn geworden in een high-density interconnect-structuur die synoniem is met het gebruikte substraat in multi-chipcomponenten en omvatten: dunne film meerlaags, dikke film meerlaags, co-fired bij hoge temperatuur, co-fired bij lage temperatuur, op silicium gebaseerd, meerlagig PCB-substraat, enz.
Hybride omgevingsstress-storingsmodi voor geïntegreerde circuits omvatten voornamelijk elektrische open circuitstoringen veroorzaakt door scheuren in het substraat en lasfouten tussen componenten en dikke-filmgeleiders, componenten en dunne-filmgeleiders, substraat en behuizing.Mechanische impact door het vallen van het product, thermische schok door solderen, extra spanning veroorzaakt door ongelijkmatig kromtrekken van het substraat, laterale trekspanning door thermische mismatch tussen substraat en metalen behuizing en hechtmateriaal, mechanische spanning of thermische spanningsconcentratie veroorzaakt door interne defecten van substraat, mogelijke schade veroorzaakt door substraatboren en substraatsnijden lokale microscheuren, uiteindelijk leiden tot externe mechanische spanning groter dan de inherente mechanische sterkte van keramisch substraat dat het resultaat mislukking is.
Soldeerstructuren zijn gevoelig voor herhaalde temperatuurwisselingen, wat kan leiden tot thermische vermoeidheid van de soldeerlaag, wat resulteert in verminderde hechtsterkte en verhoogde thermische weerstand.Voor tin-gebaseerde klasse van ductiel soldeer, de rol van temperatuurcyclische stress leidt tot thermische vermoeidheid van de soldeerlaag is te wijten aan de thermische uitzettingscoëfficiënt van de twee structuren die door het soldeer zijn verbonden, is inconsistent, is de vervorming van de soldeerverplaatsing of schuifvervorming, na herhaaldelijk, de soldeerlaag met uitzetting en uitzetting door vermoeidheidsscheuren, wat uiteindelijk leidt tot vermoeidheidsfalen van de soldeerlaag.
2.4 Discrete apparaten en geïntegreerde schakelingen
Halfgeleider-discrete apparaten zijn in brede categorieën onderverdeeld in diodes, bipolaire transistors, MOS-veldeffectbuizen, thyristors en bipolaire transistors met geïsoleerde poort.Geïntegreerde schakelingen hebben een breed scala aan toepassingen en kunnen op basis van hun functies worden onderverdeeld in drie categorieën, namelijk digitale geïntegreerde schakelingen, analoge geïntegreerde schakelingen en gemengde digitaal-analoge geïntegreerde schakelingen.
1) Discrete apparaten
Discrete apparaten zijn van verschillende typen en hebben hun eigen specificiteit vanwege hun verschillende functies en processen, met aanzienlijke verschillen in storingsprestaties.Aangezien de basisapparaten worden gevormd door halfgeleiderprocessen, zijn er echter bepaalde overeenkomsten in hun faalfysica.De belangrijkste storingen die verband houden met externe mechanica en de natuurlijke omgeving zijn thermische storing, dynamische lawine, defecten bij het solderen van chips en het falen van interne loodbinding.
Thermische storing: Thermische storing of secundaire storing is het belangrijkste storingsmechanisme dat invloed heeft op de vermogenscomponenten van halfgeleiders, en de meeste schade tijdens gebruik houdt verband met het fenomeen van secundaire storing.Secundaire uitval is onderverdeeld in secundaire uitval door voorwaartse voorspanning en secundaire uitval met achterwaartse vooringenomenheid.De eerste houdt voornamelijk verband met de eigen thermische eigenschappen van het apparaat, zoals de dopingconcentratie, intrinsieke concentratie van het apparaat, enz., Terwijl de laatste verband houdt met de lawinevermenigvuldiging van dragers in het ruimteladingsgebied (zoals nabij de collector), beide waarvan altijd vergezeld gaat van de stroomconcentratie in het apparaat.Bij de toepassing van dergelijke componenten moet speciale aandacht worden besteed aan thermische bescherming en warmteafvoer.
Dynamische lawine: tijdens dynamische uitschakeling als gevolg van externe of interne krachten, veroorzaakt het stroomgestuurde botsingsionisatiefenomeen dat optreedt in het apparaat, beïnvloed door de concentratie van vrije dragers, een dynamische lawine, die kan optreden in bipolaire apparaten, diodes en IGBT's.
Chipsoldeerfout: de belangrijkste reden is dat de chip en het soldeer verschillende materialen zijn met verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten, dus er is een thermische mismatch bij hoge temperaturen.Bovendien verhoogt de aanwezigheid van soldeerleemtes de thermische weerstand van het apparaat, waardoor de warmtedissipatie erger wordt en hete plekken in het lokale gebied worden gevormd, waardoor de junctietemperatuur stijgt en temperatuurgerelateerde storingen zoals elektromigratie optreden.
Storing van de binnenste loodbinding: voornamelijk corrosiestoring op het verbindingspunt, veroorzaakt door de corrosie van aluminium veroorzaakt door de inwerking van waterdamp, chloorelementen, enz. in een hete en vochtige omgeving met zoutnevel.Vermoeiingsbreuk van aluminium verbindingsdraden veroorzaakt door temperatuurcyclus of trillingen.Het IGBT in modulepakket is groot van formaat en als het op een onjuiste manier wordt geïnstalleerd, is het heel gemakkelijk om spanningsconcentratie te veroorzaken, wat resulteert in vermoeidheidsbreuk van de interne leidingen van de module.
2) Geïntegreerde schakeling
Het faalmechanisme van geïntegreerde schakelingen en het gebruik van de omgeving heeft een grote relatie, vocht in een vochtige omgeving, schade veroorzaakt door statische elektriciteit of stroomstoten, te hoog gebruik van de tekst en het gebruik van geïntegreerde schakelingen in een stralingsvrije omgeving weerstandsversterking kan ook het falen van het apparaat veroorzaken.
Interface-effecten met betrekking tot aluminium: in de elektronische apparaten met materialen op siliciumbasis wordt SiO2-laag als diëlektrische film veel gebruikt en aluminium wordt vaak gebruikt als materiaal voor verbindingslijnen, SiO2 en aluminium bij hoge temperaturen zullen een chemische reactie zijn, zodat de aluminiumlaag dun wordt, als de SiO2-laag uitgeput raakt door reactieverbruik, zal dit direct contact tussen aluminium en silicium veroorzaken.Bovendien zullen de gouden aansluitdraad en de aluminium verbindingslijn of de aluminium verbindingsdraad en de hechting van de vergulde aansluitdraad van de buisomhulling een Au-Al-interfacecontact produceren.Vanwege het verschillende chemische potentieel van deze twee metalen, zal na langdurig gebruik of opslag bij hoge temperaturen boven 200 ℃ een verscheidenheid aan intermetallische verbindingen worden geproduceerd, en vanwege hun roosterconstanten en thermische uitzettingscoëfficiënten zijn verschillend, in het bindingspunt binnen een grote spanning, wordt de geleidbaarheid klein.
Metalliseringscorrosie: De aluminium verbindingslijn op de chip is gevoelig voor corrosie door waterdamp in een hete en vochtige omgeving.Vanwege de prijscompensatie en gemakkelijke massaproductie zijn veel geïntegreerde schakelingen ingekapseld met hars, maar waterdamp kan door de hars gaan om de aluminium verbindingen te bereiken, en onzuiverheden die van buitenaf worden aangevoerd of opgelost in de hars werken met metallisch aluminium om te veroorzaken corrosie van de aluminium verbindingen.
Het delaminatie-effect veroorzaakt door waterdamp: plastic IC is de geïntegreerde schakeling ingekapseld met plastic en andere harspolymeermaterialen, naast het delaminatie-effect tussen het plastic materiaal en het metalen frame en de chip (algemeen bekend als het "popcorn" -effect), omdat het harsmateriaal de kenmerken heeft van adsorptie van waterdamp, zal het delaminatie-effect veroorzaakt door de adsorptie van waterdamp er ook voor zorgen dat het apparaat defect raakt..Het faalmechanisme is de snelle uitzetting van water in het kunststof afdichtingsmateriaal bij hoge temperaturen, zodat de scheiding tussen het kunststof en de bevestiging van andere materialen, en in ernstige gevallen, het kunststof afdichtingslichaam zal barsten.
2.5 Capacitieve resistieve componenten
1) Weerstanden
Gemeenschappelijke niet-wikkelweerstanden kunnen worden onderverdeeld in vier typen, afhankelijk van de verschillende materialen die in het weerstandslichaam worden gebruikt, namelijk het legeringstype, het filmtype, het dikke filmtype en het synthetische type.Voor vaste weerstanden zijn de belangrijkste storingsmodi open circuit, drift van elektrische parameters, enz.;terwijl voor potentiometers de belangrijkste storingsmodi open circuit, drift van elektrische parameters, toename van ruis, enz. Zijn. De gebruiksomgeving zal ook leiden tot veroudering van weerstanden, wat een grote invloed heeft op de levensduur van elektronische apparatuur.
Oxidatie: Oxidatie van het weerstandslichaam verhoogt de weerstandswaarde en is de belangrijkste factor die weerstandsveroudering veroorzaakt.Behalve weerstandslichamen gemaakt van edele metalen en legeringen, zullen alle andere materialen worden beschadigd door zuurstof in de lucht.Oxidatie is een langetermijneffect en wanneer de invloed van andere factoren geleidelijk afneemt, wordt oxidatie de belangrijkste factor, en omgevingen met hoge temperaturen en hoge luchtvochtigheid zullen de oxidatie van weerstanden versnellen.Voor precisieweerstanden en weerstanden met een hoge weerstandswaarde is afdichtingsbescherming de fundamentele maatregel om oxidatie te voorkomen.Afdichtingsmaterialen moeten anorganische materialen zijn, zoals metaal, keramiek, glas, enz. De organische beschermlaag kan de vochtdoorlatendheid en luchtdoorlatendheid niet volledig voorkomen en kan alleen een vertragende rol spelen bij oxidatie en adsorptie.
Veroudering van het bindmiddel: Voor organische synthetische weerstanden is veroudering van het organische bindmiddel de belangrijkste factor die de stabiliteit van de weerstand beïnvloedt.Het organische bindmiddel is voornamelijk een synthetische hars, die tijdens het fabricageproces van de weerstand door warmtebehandeling wordt omgezet in een sterk gepolymeriseerd thermohardend polymeer.De belangrijkste factor die polymeerveroudering veroorzaakt, is oxidatie.De vrije radicalen die door oxidatie worden gegenereerd, veroorzaken het scharnieren van de moleculaire bindingen van het polymeer, waardoor het polymeer verder uithardt en broos wordt, wat resulteert in verlies van elasticiteit en mechanische schade.Door het uitharden van het bindmiddel krimpt de weerstand in volume, waardoor de contactdruk tussen de geleidende deeltjes toeneemt en de contactweerstand afneemt, wat resulteert in een afname van de weerstand, maar de mechanische schade aan het bindmiddel verhoogt ook de weerstand.Gewoonlijk vindt de uitharding van het bindmiddel eerder plaats, mechanische schade treedt daarna op, dus de weerstandswaarde van organische synthetische weerstanden vertoont het volgende patroon: enige achteruitgang in het begin van de fase, draai dan om te stijgen en er is een stijgende trend.Aangezien de veroudering van polymeren nauw verband houdt met temperatuur en licht, zullen synthetische weerstanden de veroudering in omgevingen met hoge temperaturen en sterke blootstelling aan licht versnellen.
Veroudering onder elektrische belasting: Door belasting op een weerstand aan te brengen, wordt het verouderingsproces versneld.Onder gelijkstroombelasting kan elektrolytische actie dunnefilmweerstanden beschadigen.Elektrolyse vindt plaats tussen de sleuven van een sleufweerstand en als het weerstandssubstraat een keramisch of glasmateriaal is dat alkalimetaalionen bevat, bewegen de ionen onder invloed van het elektrische veld tussen de sleuven.In een vochtige omgeving verloopt dit proces heftiger.
2) Condensatoren
De storingsmodi van condensatoren zijn kortsluiting, open circuit, degradatie van elektrische parameters (inclusief verandering van capaciteit, toename van verlieshoektangens en afname van isolatieweerstand), vloeistoflekkage en loodcorrosiebreuk.
Kortsluiting: De vliegende boog aan de rand tussen polen bij hoge temperatuur en lage luchtdruk zal leiden tot kortsluiting van condensatoren, bovendien zal de mechanische spanning zoals externe schokken ook tijdelijke kortsluiting van het diëlektricum veroorzaken.
Open circuit: Oxidatie van geleidingsdraden en elektrodecontacten veroorzaakt door een vochtige en hete omgeving, resulterend in geringe ontoegankelijkheid en corrosiebreuk van anodeloodfolie.
Degradatie van elektrische parameters: Degradatie van elektrische parameters door de invloed van een vochtige omgeving.
2.6 Schakelingen op bordniveau
Printplaat bestaat voornamelijk uit isolerend substraat, metalen bedrading en het verbinden van verschillende lagen draden, soldeercomponenten "pads".De belangrijkste rol is het bieden van een drager voor elektronische componenten en het spelen van de rol van elektrische en mechanische verbindingen.
De storingsmodus van de printplaat omvat voornamelijk slecht solderen, open en kortsluiting, blaarvorming, delaminatie van de plaat, corrosie of verkleuring van het plaatoppervlak, buigen van de plaat
Posttijd: 21-nov-2022