Wrażliwe środowisko i tryb awarii elementów elektronicznych

W tym artykule zbadano tryby awarii i mechanizmy awarii elementów elektronicznych oraz podano ich wrażliwe środowiska, aby zapewnić pewne odniesienie do projektowania produktów elektronicznych
1. Typowe tryby awarii komponentów
Numer seryjny
Nazwa elementu elektronicznego
Tryby awarii związane ze środowiskiem
Stres środowiskowy

1. Elementy elektromechaniczne
Wibracje powodują pękanie zmęczeniowe cewek i poluzowanie kabli.
Wibracja, szok

2. Półprzewodnikowe urządzenia mikrofalowe
Wysoka temperatura i szok temperaturowy prowadzą do rozwarstwienia na granicy między materiałem opakowania a chipem oraz między materiałem opakowania a interfejsem uchwytu chipa monolitu mikrofalowego z uszczelnieniem z tworzywa sztucznego.
Wysoka temperatura, szok termiczny

3. Hybrydowe układy scalone
Wstrząs prowadzi do pęknięcia podłoża ceramicznego, szok temperaturowy prowadzi do pęknięcia elektrody końcowej kondensatora, a zmiany temperatury prowadzą do uszkodzenia lutu.
Szok, cykl temperatury

4. Urządzenia dyskretne i układy scalone
Awaria termiczna, awaria lutowania chipa, awaria łączenia ołowiu wewnętrznego, wstrząs prowadzący do pęknięcia warstwy pasywacyjnej.
Wysoka temperatura, wstrząsy, wibracje

5. Elementy rezystancyjne
Pęknięcie podłoża rdzenia, pęknięcie warstwy rezystancyjnej, pęknięcie ołowiu
Szok, wysoka i niska temperatura

6. Obwód na poziomie płytki
Pęknięte połączenia lutowane, pęknięte miedziane otwory.
Wysoka temperatura

7. Odkurzacz elektryczny
Pęknięcie zmęczeniowe gorącego drutu.
Wibracja
2, typowa analiza mechanizmu awarii komponentów
Tryb awarii elementów elektronicznych nie jest pojedynczy, tylko reprezentatywna część analizy granicznej tolerancji typowych komponentów wrażliwych na środowisko, aby uzyskać bardziej ogólny wniosek.
2.1 Elementy elektromechaniczne
Typowe komponenty elektromechaniczne obejmują złącza elektryczne, przekaźniki itp. Tryby awarii są szczegółowo analizowane wraz ze strukturą odpowiednio dwóch typów komponentów.

1) Złącza elektryczne
Złącze elektryczne przez powłokę, izolator i korpus styku trzech podstawowych jednostek, tryb awarii jest podsumowany w awarii styku, awarii izolacji i awarii mechanicznej trzech form awarii.Główną postacią awarii złącza elektrycznego jest awaria styku, awaria jego działania: styk na chwilowym przerwaniu i rezystancji styku wzrasta.W przypadku złączy elektrycznych, ze względu na istnienie rezystancji styku i rezystancji przewodnika materiału, gdy przez złącze elektryczne przepływa prąd, rezystancja styku i rezystancja przewodnika materiału metalowego będą generować ciepło Joule'a, ciepło Joule'a zwiększy ciepło, powodując wzrost temperatura punktu styku, zbyt wysoka temperatura punktu styku spowoduje, że powierzchnia styku metalu zmięknie, stopi się lub nawet wrze, ale także zwiększy rezystancję styku, powodując tym samym uszkodzenie styku..W roli środowiska o wysokiej temperaturze części stykowe będą również pojawiać się zjawisko pełzania, powodując zmniejszenie nacisku stykowego między częściami stycznymi.Gdy nacisk styku zostanie zmniejszony do pewnego stopnia, rezystancja styku gwałtownie wzrośnie i ostatecznie spowoduje słaby kontakt elektryczny, co spowoduje uszkodzenie styku.

Z drugiej strony złącze elektryczne podczas przechowywania, transportu i pracy będzie podlegać różnym obciążeniom wibracyjnym i siłom uderzenia, gdy częstotliwość wzbudzenia zewnętrznego obciążenia wibracyjnego i złącza elektryczne zbliżone do częstotliwości własnej spowodują rezonans złącza elektrycznego zjawisko, w wyniku którego szczelina między elementami kontaktowymi staje się większa, szczelina zwiększa się do pewnego stopnia, nacisk styku zniknie natychmiast, powodując „natychmiastowe zerwanie” styku elektrycznego.W przypadku wibracji, obciążenia udarowego złącze elektryczne będzie generować naprężenia wewnętrzne, gdy naprężenie przekroczy granicę plastyczności materiału, spowoduje uszkodzenie materiału i pęknięcie;w roli tego długotrwałego naprężenia materiał będzie również powodował uszkodzenia zmęczeniowe, a ostatecznie spowoduje awarię.

2) Przekaźnik
Przekaźniki elektromagnetyczne składają się na ogół z rdzeni, cewek, tworników, styków, trzcin i tak dalej.Dopóki pewne napięcie zostanie dodane do obu końców cewki, pewien prąd będzie płynął w cewce, wytwarzając w ten sposób efekt elektromagnetyczny, twornik pokona elektromagnetyczną siłę przyciągania, aby powrócić do przyciągania sprężyny do rdzenia, co z kolei powoduje zamknięcie ruchomych styków twornika i styków statycznych (styków normalnie otwartych).Gdy cewka jest wyłączona, elektromagnetyczna siła ssąca również zanika, zwora powróci do pierwotnego położenia pod siłą reakcji sprężyny, tak że ruchomy styk i pierwotny styk statyczny (styk normalnie zamknięty) zasysają.To zasysanie i uwalnianie, osiągając w ten sposób cel przewodzenia i odcięcia w obwodzie.
Główne tryby ogólnej awarii przekaźników elektromagnetycznych to: przekaźnik normalnie otwarty, przekaźnik normalnie zamknięty, dynamiczne działanie sprężyny przekaźnika nie spełnia wymagań, zamknięcie styków po przekroczeniu przez przekaźnik parametrów elektrycznych słabych.Ze względu na brak procesu produkcji przekaźników elektromagnetycznych, wiele awarii przekaźników elektromagnetycznych w procesie produkcyjnym polega na ustaleniu jakości ukrytych zagrożeń, takich jak okres odprężania mechanicznego, jest zbyt krótki, co powoduje strukturę mechaniczną po odkształceniu części formujących, usuwanie pozostałości nie jest wyczerpane skutkujące niepowodzeniem lub nawet awarią testu PIND, testy fabryczne i stosowanie ekranowania nie są rygorystyczne, więc awaria urządzenia w użyciu itp.. Środowisko uderzenia może spowodować odkształcenie plastyczne metalowych styków, powodując awarię przekaźnika.Przy projektowaniu sprzętu zawierającego przekaźniki konieczne jest skupienie się na uwzględnieniu możliwości adaptacji do środowiska wpływu.

2.2 Półprzewodnikowe elementy mikrofalowe
Mikrofalowe urządzenia półprzewodnikowe to elementy wykonane z półprzewodnikowych materiałów złożonych Ge, Si i III ~ V, które działają w paśmie mikrofalowym.Są stosowane w sprzęcie elektronicznym, takim jak radary, elektroniczne systemy bojowe i systemy komunikacji mikrofalowej.Opakowanie dyskretnego urządzenia mikrofalowego oprócz zapewnienia połączeń elektrycznych oraz mechanicznej i chemicznej ochrony rdzenia i styków, projekt i wybór obudowy powinien również uwzględniać wpływ pasożytniczych parametrów obudowy na charakterystykę transmisji mikrofalowej urządzenia.Obudowa mikrofalówki jest również częścią układu, który sam w sobie stanowi kompletny układ wejściowy i wyjściowy.Dlatego kształt i struktura obudowy, rozmiar, materiał dielektryczny, konfiguracja przewodów itp. powinny odpowiadać charakterystyce mikrofalowej komponentów i aspektom zastosowania obwodu.Czynniki te określają parametry, takie jak pojemność, rezystancja przewodów elektrycznych, impedancja charakterystyczna oraz straty przewodnictwa i dielektryczne obudowy lampy.

Istotne dla środowiska tryby i mechanizmy awarii mikrofalowych elementów półprzewodnikowych obejmują głównie pochłanianie metalu bramki i degradację właściwości rezystancyjnych.Zatopienie metalu bramki jest spowodowane termicznie przyspieszoną dyfuzją metalu bramki (Au) do GaA, więc ten mechanizm awarii występuje głównie podczas przyspieszonych testów żywotności lub pracy w ekstremalnie wysokich temperaturach.Szybkość dyfuzji metalu bramki (Au) do GaAs jest funkcją współczynnika dyfuzji materiału bramki, temperatury i gradientu stężenia materiału.Aby uzyskać idealną strukturę sieci, na wydajność urządzenia nie ma wpływu bardzo mała szybkość dyfuzji w normalnych temperaturach roboczych, jednak szybkość dyfuzji może być znacząca, gdy granice cząstek są duże lub występuje wiele defektów powierzchni.Rezystory są powszechnie stosowane w mikrofalowych monolitycznych układach scalonych do obwodów sprzężenia zwrotnego, ustalania punktu polaryzacji urządzeń aktywnych, izolacji, syntezy mocy lub zakończenia sprzężenia, istnieją dwie struktury rezystancji: rezystancja metalowa (TaN, NiCr) i słabo domieszkowany GaAs odporność na cienką warstwę.Testy pokazują, że degradacja odporności NiCr spowodowana wilgocią jest głównym mechanizmem jej zniszczenia.

2.3 Hybrydowe układy scalone
Tradycyjne hybrydowe układy scalone, zgodnie z powierzchnią podłoża grubej taśmy prowadzącej, proces cienkowarstwowej taśmy prowadzącej dzieli się na dwie kategorie hybrydowych układów scalonych z grubą warstwą i hybrydowych układów scalonych z cienkowarstwową warstwą: niektóre małe płytki drukowane (PCB) obwód, dzięki temu, że obwód drukowany ma postać folii, na płaskiej powierzchni płytki tworzy przewodzący wzór, zaliczany również do hybrydowych układów scalonych.Wraz z pojawieniem się komponentów wieloukładowych, ten zaawansowany hybrydowy układ scalony, jego unikalna wielowarstwowa struktura okablowania i technologia procesu przewlekanego sprawiły, że komponenty stały się hybrydowym układem scalonym w strukturze połączeń o dużej gęstości, będącej synonimem zastosowanego podłoża w komponentach wieloukładowych i obejmują: cienkowarstwowe wielowarstwowe, wielowarstwowe grubowarstwowe, współspalane w wysokiej temperaturze, współspalane w niskiej temperaturze, oparte na krzemie, wielowarstwowe podłoże PCB itp.

Tryby uszkodzeń środowiskowych hybrydowych układów scalonych obejmują głównie awarie obwodu otwartego spowodowane pękaniem podłoża i uszkodzeniem spawania między komponentami a przewodami grubowarstwowymi, komponentami i przewodami cienkowarstwowymi, podłożem i obudową.Uderzenia mechaniczne spowodowane upadkiem produktu, szok termiczny spowodowany lutowaniem, dodatkowe naprężenia spowodowane nierównym wypaczeniem podłoża, poprzeczne naprężenia rozciągające wynikające z niedopasowania termicznego między podłożem a metalową obudową i materiałem wiążącym, naprężenia mechaniczne lub koncentracja naprężeń termicznych spowodowane wewnętrznymi wadami podłoża, potencjalne uszkodzenia spowodowane wierceniem podłoża i przecinaniem podłoża, miejscowe mikropęknięcia, ostatecznie prowadzą do zewnętrznych naprężeń mechanicznych większych niż naturalna wytrzymałość mechaniczna podłoża ceramicznego, co skutkuje uszkodzeniem.

Struktury lutowane są podatne na powtarzające się cykliczne naprężenia temperaturowe, które mogą prowadzić do zmęczenia termicznego warstwy lutowniczej, co skutkuje zmniejszoną siłą wiązania i zwiększoną odpornością termiczną.W przypadku lutu ciągliwego na bazie cyny rola cyklicznego naprężenia temperaturowego prowadzi do zmęczenia cieplnego warstwy lutowniczej, ponieważ współczynnik rozszerzalności cieplnej dwóch struktur połączonych lutem jest niespójny, jest odkształceniem przemieszczenia lutu lub odkształceniem ścinającym, po wielokrotnym, warstwa lutownicza z rozszerzeniem i rozszerzeniem pęknięć zmęczeniowych, ostatecznie prowadząc do uszkodzenia zmęczeniowego warstwy lutowniczej.
2.4 Urządzenia dyskretne i układy scalone
Dyskretne urządzenia półprzewodnikowe są podzielone na diody, tranzystory bipolarne, lampy polowe MOS, tyrystory i tranzystory bipolarne z izolowaną bramką według szerokich kategorii.Układy scalone mają szeroki zakres zastosowań i można je podzielić na trzy kategorie w zależności od ich funkcji, a mianowicie cyfrowe układy scalone, analogowe układy scalone i mieszane cyfrowo-analogowe układy scalone.

1) Urządzenia dyskretne
Dyskretne urządzenia są różnych typów i mają swoją własną specyfikę ze względu na różne funkcje i procesy, z istotnymi różnicami w wydajności awaryjnej.Jednak jako podstawowe urządzenia utworzone przez procesy półprzewodnikowe, istnieją pewne podobieństwa w fizyce ich uszkodzeń.Główne awarie związane z mechaniką zewnętrzną i środowiskiem naturalnym to przebicie termiczne, dynamiczna lawina, awaria lutowania chipów i awaria wewnętrznego wiązania ołowiu.

Awaria termiczna: Awaria termiczna lub awaria wtórna jest głównym mechanizmem awarii wpływającym na półprzewodnikowe elementy mocy, a większość uszkodzeń podczas użytkowania jest związana ze zjawiskiem wtórnej awarii.Awaria wtórna jest podzielona na wtórną awarię polaryzacji przewodzenia i wtórną awarię polaryzacji wstecznej.To pierwsze jest związane głównie z własnymi właściwościami termicznymi urządzenia, takimi jak stężenie domieszki urządzenia, stężenie wewnętrzne itp., Podczas gdy drugie jest związane z lawinowym zwielokrotnieniem nośników w obszarze ładunku kosmicznego (np. W pobliżu kolektora), oba którym zawsze towarzyszy koncentracja prądu wewnątrz urządzenia.Przy stosowaniu takich elementów należy zwrócić szczególną uwagę na ochronę termiczną i odprowadzanie ciepła.

Dynamiczna lawina: Podczas dynamicznego wyłączania spowodowanego siłami zewnętrznymi lub wewnętrznymi, sterowane prądem zjawisko kolizyjnej jonizacji, które zachodzi wewnątrz urządzenia pod wpływem stężenia wolnych nośników, powoduje dynamiczną lawinę, która może wystąpić w urządzeniach bipolarnych, diodach i tranzystorach IGBT.

Awaria lutowania wiórów: Głównym powodem jest to, że chip i lut są różnymi materiałami o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej, więc występuje niedopasowanie termiczne w wysokich temperaturach.Ponadto obecność pustych przestrzeni lutowniczych zwiększa odporność termiczną urządzenia, pogarszając rozpraszanie ciepła i tworząc miejscowe gorące punkty, podnosząc temperaturę złącza i powodując awarie związane z temperaturą, takie jak występowanie elektromigracji.

Awaria wewnętrznego wiązania ołowiu: głównie uszkodzenie korozji w miejscu łączenia, wywołane korozją aluminium spowodowaną działaniem pary wodnej, pierwiastków chloru itp. w gorącym i wilgotnym środowisku mgły solnej.Pęknięcie zmęczeniowe aluminiowych przewodów łączących spowodowane cyklem temperaturowym lub wibracjami.IGBT w pakiecie modułów ma duże rozmiary, a jeśli zostanie zainstalowany w niewłaściwy sposób, bardzo łatwo jest spowodować koncentrację naprężeń, co skutkuje pęknięciem zmęczeniowym wewnętrznych przewodów modułu.

2) Układ scalony
Mechanizm awarii układów scalonych i użytkowania środowiska ma świetny związek, wilgoć w wilgotnym środowisku, uszkodzenia spowodowane elektrycznością statyczną lub przepięciami elektrycznymi, zbyt duże użycie tekstu i użycie układów scalonych w środowisku promieniowania bez promieniowania wzmocnienie rezystancyjne może również spowodować awarię urządzenia.

Efekty interfejsu związane z aluminium: W urządzeniach elektronicznych z materiałami na bazie krzemu warstwa SiO2 jako folia dielektryczna jest szeroko stosowana, a aluminium jest często używane jako materiał na linie łączące, SiO2 i aluminium w wysokich temperaturach będą reakcją chemiczną, tak, że warstwa aluminium staje się cienka, jeśli warstwa SiO2 zostanie zubożona z powodu zużycia reakcji, spowoduje bezpośredni kontakt między aluminium i krzemem.Ponadto złoty drut ołowiany i aluminiowa linia łącząca lub aluminiowy drut łączący oraz wiązanie pozłacanego drutu ołowianego w osłonie rurki wytworzy styk interfejsu Au-Al.Ze względu na różny potencjał chemiczny tych dwóch metali, po długotrwałym użytkowaniu lub przechowywaniu w wysokich temperaturach powyżej 200℃ powstaną różnorodne związki międzymetaliczne, a ze względu na ich stałe sieciowe i współczynniki rozszerzalności cieplnej są różne, w miejscu łączenia w obrębie duże naprężenie, przewodnictwo staje się małe.

Korozja metaliczna: Aluminiowa linia łącząca na chipie jest podatna na korozję powodowaną przez parę wodną w gorącym i wilgotnym środowisku.Ze względu na niską cenę i łatwą masową produkcję, wiele układów scalonych jest hermetyzowanych żywicą, jednak para wodna może przedostać się przez żywicę do aluminiowych połączeń, a zanieczyszczenia przyniesione z zewnątrz lub rozpuszczone w żywicy działają z metalicznym aluminium powodując korozja aluminiowych interkonektów.

Efekt rozwarstwienia spowodowany parą wodną: plastikowy układ scalony jest układem scalonym zamkniętym w plastiku i innych żywicznych materiałach polimerowych, oprócz efektu rozwarstwienia między tworzywem sztucznym a metalową ramą i chipem (powszechnie znany jako efekt „popcornu”), ponieważ materiał żywiczny ma właściwości adsorpcji pary wodnej, efekt rozwarstwienia spowodowany adsorpcją pary wodnej również spowoduje awarię urządzenia..Mechanizm uszkodzenia polega na szybkim rozszerzaniu się wody w plastikowym materiale uszczelniającym w wysokich temperaturach, tak że oddzielanie tworzywa sztucznego od mocowania innych materiałów, aw poważnych przypadkach pęknięcie plastikowego korpusu uszczelniającego.

2.5 Pojemnościowe elementy rezystancyjne
1) Rezystory
Typowe rezystory bez uzwojenia można podzielić na cztery typy w zależności od różnych materiałów zastosowanych w korpusie rezystora, a mianowicie typu stopu, rodzaju folii, typu grubej folii i typu syntetycznego.W przypadku rezystorów stałych główne tryby awarii to przerwa w obwodzie, dryf parametrów elektrycznych itp.;podczas gdy w przypadku potencjometrów głównymi trybami awarii są obwód otwarty, dryf parametrów elektrycznych, wzrost szumów itp. Środowisko użytkowania prowadzi również do starzenia się rezystorów, co ma ogromny wpływ na żywotność sprzętu elektronicznego.

Utlenianie: Utlenianie korpusu rezystora zwiększy wartość rezystancji i jest najważniejszym czynnikiem powodującym starzenie się rezystora.Z wyjątkiem korpusów rezystorów wykonanych z metali szlachetnych i stopów, wszystkie inne materiały zostaną uszkodzone przez tlen z powietrza.Utlenianie jest efektem długotrwałym, a gdy wpływ innych czynników stopniowo maleje, utlenianie stanie się głównym czynnikiem, a środowiska o wysokiej temperaturze i wysokiej wilgotności przyspieszą utlenianie rezystorów.W przypadku rezystorów precyzyjnych i rezystorów o dużej rezystancji podstawowym środkiem zapobiegającym utlenianiu jest zabezpieczenie uszczelnieniem.Materiały uszczelniające powinny być materiałami nieorganicznymi, takimi jak metal, ceramika, szkło itp. Organiczna warstwa ochronna nie może całkowicie zapobiec przepuszczaniu wilgoci i przepuszczalności powietrza, a jedynie opóźnia utlenianie i adsorpcję.

Starzenie się spoiwa: W przypadku organicznych syntetycznych rezystorów starzenie się spoiwa organicznego jest głównym czynnikiem wpływającym na stabilność rezystora.Organicznym spoiwem jest głównie żywica syntetyczna, która jest przekształcana w wysoko spolimeryzowany polimer termoutwardzalny poprzez obróbkę cieplną podczas procesu wytwarzania rezystora.Głównym czynnikiem powodującym starzenie się polimeru jest utlenianie.Wolne rodniki powstające w wyniku utleniania powodują zwijanie wiązań molekularnych polimeru, co dodatkowo utwardza ​​polimer i czyni go kruchym, co skutkuje utratą elastyczności i uszkodzeniami mechanicznymi.Utwardzanie spoiwa powoduje zmniejszenie objętości rezystora, zwiększenie docisku styku między cząstkami przewodzącymi i zmniejszenie rezystancji styku, co skutkuje spadkiem rezystancji, ale mechaniczne uszkodzenie spoiwa również zwiększa rezystancję.Zwykle utwardzanie spoiwa następuje przed, a następnie dochodzi do uszkodzeń mechanicznych, więc wartość rezystancji organicznych syntetycznych rezystorów wykazuje następujący wzór: na początku etapu pewien spadek, następnie wzrost i tendencja wzrostowa.Ponieważ starzenie się polimerów jest ściśle związane z temperaturą i światłem, syntetyczne rezystory przyspieszą starzenie w środowisku o wysokiej temperaturze i silnej ekspozycji na światło.

Starzenie się pod obciążeniem elektrycznym: Przyłożenie obciążenia do rezystora przyspieszy jego proces starzenia.Pod obciążeniem DC działanie elektrolityczne może uszkodzić rezystory cienkowarstwowe.Elektroliza zachodzi między szczelinami rezystora szczelinowego, a jeśli podłożem rezystora jest materiał ceramiczny lub szklany zawierający jony metali alkalicznych, jony poruszają się pod wpływem pola elektrycznego między szczelinami.W wilgotnym środowisku proces ten przebiega gwałtowniej.

2) Kondensatory
Awarie kondensatorów to zwarcie, przerwa w obwodzie, pogorszenie parametrów elektrycznych (w tym zmiana pojemności, zwiększenie tangensa kąta strat i spadek rezystancji izolacji), wyciek cieczy i korozja ołowiu.

Zwarcie: Latający łuk na krawędzi między biegunami w wysokiej temperaturze i niskim ciśnieniu powietrza doprowadzi do zwarcia kondensatorów, ponadto naprężenia mechaniczne, takie jak wstrząs zewnętrzny, również spowodują przejściowe zwarcie dielektryka.

Obwód otwarty: Utlenianie przewodów ołowianych i styków elektrod spowodowane wilgotnym i gorącym środowiskiem, powodujące niski poziom niedostępności i pękanie korozyjne ołowianej folii anodowej.
Degradacja parametrów elektrycznych: Degradacja parametrów elektrycznych pod wpływem wilgotnego środowiska.

2.6 Obwody na poziomie płytki
Płytka drukowana składa się głównie z podłoża izolacyjnego, okablowania metalowego i łączących różne warstwy przewodów, elementów lutowniczych „poduszek”.Jego główną rolą jest zapewnienie nośnika dla elementów elektronicznych oraz pełnienie roli połączeń elektrycznych i mechanicznych.

Tryb awarii płytki drukowanej obejmuje głównie słabe lutowanie, przerwę i zwarcie, powstawanie pęcherzy, rozwarstwienie płytki drukowanej, korozję lub odbarwienie powierzchni płytki, zginanie płytki