Neste traballo, estúdanse os modos de fallo e os mecanismos de fallo dos compoñentes electrónicos e ofrécense os seus ambientes sensibles para proporcionar algunha referencia para o deseño de produtos electrónicos.
1. Modos típicos de fallo de compoñentes
Número de serie
Nome do compoñente electrónico
Modos de fallo relacionados co medio ambiente
Estrés ambiental
1. Compoñentes electromecánicos
A vibración provoca a rotura das bobinas por fatiga e o afrouxamento dos cables.
Vibración, choque
2. Dispositivos de microondas semicondutores
A alta temperatura e o choque de temperatura conducen á delaminación na interface entre o material do envase e o chip, e entre o material do envase e a interface do soporte de chip do monolito de microondas selado con plástico.
Alta temperatura, choque de temperatura
3. Circuítos integrados híbridos
O choque leva a rachaduras do substrato cerámico, o choque de temperatura conduce á rachadura do electrodo do condensador e o ciclo de temperatura conduce á falla da soldadura.
Choque, ciclo de temperatura
4. Dispositivos discretos e circuítos integrados
Avaría térmica, falla de soldadura de chip, falla de unión de chumbo interno, choque que leva á rotura da capa de pasivación.
Alta temperatura, choque, vibración
5. Compoñentes resistivos
Rotura do substrato do núcleo, rotura da película resistiva, rotura do chumbo
Choque, alta e baixa temperatura
6. Circuíto a nivel de placa
Unións de soldadura rachadas, buratos de cobre fracturados.
Alta temperatura
7. Aspirador eléctrico
Rotura por fatiga do fío quente.
Vibración
2, análise típica do mecanismo de falla de compoñentes
Modo de fallo de compoñentes electrónicos non é un único, só unha parte representativa da análise do límite de tolerancia ambiental sensible dos compoñentes típicos, a fin de obter unha conclusión máis xeral.
2.1 Compoñentes electromecánicos
Os compoñentes electromecánicos típicos inclúen conectores eléctricos, relés, etc. Os modos de fallo analízanse en profundidade coa estrutura dos dous tipos de compoñentes respectivamente.
1) Conectores eléctricos
Conector eléctrico pola carcasa, illante e corpo de contacto das tres unidades básicas, o modo de falla resúmese na falla de contacto, falla de illamento e falla mecánica das tres formas de falla.A principal forma de falla do conector eléctrico para o fallo de contacto, o fallo do seu rendemento: o contacto na rotura instantánea e a resistencia de contacto aumenta.Para conectores eléctricos, debido á existencia de resistencia de contacto e resistencia do condutor do material, cando hai un fluxo de corrente a través do conector eléctrico, a resistencia de contacto e a resistencia do condutor do material metálico xerarán calor Joule, a calor Joule aumentará a calor, o que resultará nun aumento da calor. A temperatura do punto de contacto, a temperatura do punto de contacto demasiado alta fará que a superficie de contacto do metal se ablande, se derrita ou mesmo ferva, pero tamén aumentará a resistencia de contacto, provocando así un fallo de contacto..No papel do ambiente de alta temperatura, as partes de contacto tamén aparecerán como fenómeno de fluencia, facendo que a presión de contacto entre as partes de contacto diminúa.Cando a presión de contacto se reduce ata certo punto, a resistencia de contacto aumentará drasticamente e, finalmente, provocará un mal contacto eléctrico, o que provocará un fallo de contacto.
Por outra banda, o conector eléctrico no almacenamento, transporte e traballo estará suxeito a unha variedade de cargas de vibración e forzas de impacto, cando a frecuencia de excitación da carga de vibración externa e os conectores eléctricos próximos á frecuencia inherente farán resonancia do conector eléctrico. fenómeno, o que fai que a brecha entre as pezas de contacto se faga máis grande, a brecha aumenta ata certo punto, a presión de contacto desaparecerá instantáneamente, resultando en contacto eléctrico "ruptura instantánea".Na vibración, a carga de choque, o conector eléctrico xerará estrés interno, cando a tensión supera o límite de fluencia do material, provocará danos e fracturas no material;no papel deste estrés a longo prazo, o material tamén ocorrerá danos por fatiga e, finalmente, causará fallos.
2) Relevo
Os relés electromagnéticos son xeralmente compostos por núcleos, bobinas, armaduras, contactos, lengüetas, etc.Mentres se engade unha determinada tensión aos dous extremos da bobina, unha determinada corrente fluirá pola bobina, producindo así un efecto electromagnético, a armadura superará a forza de atracción electromagnética para volver á tracción do resorte ao núcleo, o que á súa vez, fai que se pechen os contactos móbiles e os contactos estáticos (contactos normalmente abertos) da armadura.Cando a bobina está apagada, a forza de succión electromagnética tamén desaparece, a armadura volverá á posición orixinal baixo a forza de reacción do resorte, de xeito que o contacto móbil e o contacto estático orixinal (contacto normalmente pechado) succionan.Esta succión e liberación, conseguindo así o propósito de condución e corte no circuíto.
Os principais modos de falla global dos relés electromagnéticos son: relé normalmente aberto, relé normalmente pechado, a acción dinámica do resorte do relé non cumpre os requisitos, o peche do contacto despois de que os parámetros eléctricos do relé superan os pobres.Debido á escaseza de proceso de produción de relés electromagnéticos, moitos fallos de relés electromagnéticos no proceso de produción para poñer a calidade dos perigos ocultos, como o período de alivio do estrés mecánico é demasiado curto, o que resulta na estrutura mecánica despois da deformación das pezas de moldaxe, a eliminación de residuos non se esgota. resultando en proba PIND fallou ou mesmo fallo, probas de fábrica e uso de cribado non é estrito para que o fallo do dispositivo en uso, etc. O ambiente de impacto é probable que cause deformación plástica dos contactos metálicos, resultando en fallo do relé.No deseño de equipos que conteñan relés, é necesario incidir na adaptabilidade ambiental de impacto a considerar.
2.2 Compoñentes de microondas semicondutores
Os dispositivos semicondutores de microondas son compoñentes feitos de materiais semicondutores compostos de Ge, Si e III ~ V que operan na banda de microondas.Utilízanse en equipos electrónicos como radares, sistemas de guerra electrónica e sistemas de comunicación por microondas.Embalaxe de dispositivos discretos de microondas, ademais de proporcionar conexións eléctricas e protección mecánica e química para o núcleo e os pinos, o deseño e selección da carcasa tamén deben considerar o impacto dos parámetros parasitarios da vivenda nas características de transmisión de microondas do dispositivo.A carcasa do microondas tamén forma parte do circuíto, que en si constitúe un circuíto completo de entrada e saída.Polo tanto, a forma e estrutura da carcasa, o tamaño, o material dieléctrico, a configuración do condutor, etc. deben coincidir coas características de microondas dos compoñentes e os aspectos de aplicación do circuíto.Estes factores determinan parámetros como a capacidade, a resistencia do cable eléctrico, a impedancia característica e as perdas condutores e dieléctricas da carcasa do tubo.
Os modos e mecanismos de fallo ambientalmente relevantes dos compoñentes de semicondutores de microondas inclúen principalmente o sumidoiro metálico de porta e a degradación das propiedades resistivas.O sumidoiro de metal da porta débese á difusión acelerada térmicamente do metal da porta (Au) en GaAs, polo que este mecanismo de fallo ocorre principalmente durante as probas de vida útil acelerada ou o funcionamento a temperatura extremadamente alta.A taxa de difusión do metal de porta (Au) en GaAs é unha función do coeficiente de difusión do material do metal de porta, a temperatura e o gradiente de concentración do material.Para unha estrutura de celosía perfecta, o rendemento do dispositivo non se ve afectado por unha taxa de difusión moi lenta a temperaturas normais de funcionamento, non obstante, a taxa de difusión pode ser significativa cando os límites das partículas son grandes ou hai moitos defectos na superficie.As resistencias utilízanse habitualmente en circuítos integrados monolíticos de microondas para circuítos de retroalimentación, establecendo o punto de polarización dos dispositivos activos, illamento, síntese de potencia ou final de acoplamento, hai dúas estruturas de resistencia: resistencia de película metálica (TaN, NiCr) e GaAs lixeiramente dopado. resistencia de capa fina.As probas demostran que a degradación da resistencia de NiCr causada pola humidade é o principal mecanismo da súa falla.
2.3 Circuítos integrados híbridos
Os circuítos integrados híbridos tradicionais, segundo a superficie do substrato da cinta de guía de película grosa, o proceso de cinta de guía de película delgada divídese en dúas categorías de circuítos integrados híbridos de película grosa e circuítos integrados híbridos de película delgada: certos pequenos circuítos de placas de circuíto impreso (PCB), debido ao circuíto impreso é en forma de película na superficie plana para formar un patrón condutor, tamén clasificado como circuítos integrados híbridos.Coa aparición de compoñentes multi-chip, este circuíto integrado híbrido avanzado, a súa estrutura de cableado multicapa única de substrato e a tecnoloxía de proceso de orificios pasantes, fixo que os compoñentes se convertan nun circuíto integrado híbrido nunha estrutura de interconexión de alta densidade sinónimo do substrato utilizado. en compoñentes multi-chip e inclúen: película delgada multicapa, película grosa multicapa, co-cocido a alta temperatura, co-cocido a baixa temperatura, a base de silicio, substrato multicapa de PCB, etc.
Os modos de falla de tensión ambiental dos circuítos integrados híbridos inclúen principalmente fallos de circuíto aberto eléctrico causados por rachaduras do substrato e fallos de soldadura entre compoñentes e condutores de película grosa, compoñentes e condutores de película fina, substrato e carcasa.Impacto mecánico pola caída do produto, choque térmico pola operación de soldeo, tensión adicional causada pola irregularidade da deformación do substrato, tensión lateral de tracción por desaxuste térmico entre o substrato e a carcasa metálica e o material de unión, tensión mecánica ou concentración de tensión térmica causada por defectos internos do substrato, danos potenciais causada pola perforación do substrato e o corte do substrato micro fendas locais, eventualmente levar a tensión mecánica externa maior que a resistencia mecánica inherente do substrato cerámico que O resultado é un fallo.
As estruturas de soldadura son susceptibles a tensións de ciclos de temperatura repetidos, o que pode provocar fatiga térmica da capa de soldadura, o que resulta nunha forza de unión reducida e unha maior resistencia térmica.Para a clase de soldadura dúctil a base de estaño, o papel da tensión cíclica da temperatura leva á fatiga térmica da capa de soldadura débese ao coeficiente de expansión térmica das dúas estruturas conectadas pola soldadura é inconsistente, é a deformación do desprazamento da soldadura ou a deformación de cizallamento, despois de repetidamente, a capa de soldadura con expansión e extensión de fendas de fatiga, eventualmente levando a falla de fatiga da capa de soldadura.
2.4 Dispositivos discretos e circuítos integrados
Os dispositivos discretos de semicondutores divídense en díodos, transistores bipolares, tubos de efecto de campo MOS, tiristores e transistores bipolares de porta illada por categorías amplas.Os circuítos integrados teñen unha ampla gama de aplicacións e pódense dividir en tres categorías segundo as súas funcións, a saber, circuítos integrados dixitais, circuítos integrados analóxicos e circuítos integrados mixtos dixital-analóxico.
1) Dispositivos discretos
Os dispositivos discretos son de varios tipos e teñen a súa propia especificidade debido ás súas diferentes funcións e procesos, con diferenzas significativas no rendemento dos fallos.Non obstante, como os dispositivos básicos formados por procesos semicondutores, existen certas semellanzas na física da súa falla.Os principais fallos relacionados coa mecánica externa e o medio natural son a avaría térmica, a avalancha dinámica, a falla da soldadura de viruta e a falla interna da unión de chumbo.
Avaría térmica: a avaría térmica ou a avaría secundaria é o principal mecanismo de fallo que afecta aos compoñentes de potencia dos semicondutores, e a maioría dos danos durante o uso están relacionados co fenómeno de avaría secundaria.A avaría secundaria divídese en avaría secundaria de polarización directa e avaría secundaria de polarización inversa.O primeiro está relacionado principalmente coas propiedades térmicas propias do dispositivo, como a concentración de dopaxe do dispositivo, a concentración intrínseca, etc., mentres que o segundo está relacionado coa multiplicación de avalanchas de portadores na rexión de carga espacial (como preto do colector), tanto dos cales van sempre acompañados da concentración de corrente no interior do dispositivo.Na aplicación destes compoñentes, débese prestar especial atención á protección térmica e á disipación de calor.
Avalancha dinámica: durante a parada dinámica debida a forzas externas ou internas, o fenómeno de ionización por colisión controlada pola corrente que se produce no interior do dispositivo influenciado pola concentración de libre portador provoca unha avalancha dinámica, que pode ocorrer en dispositivos bipolares, díodos e IGBT.
Fallo da soldadura do chip: a razón principal é que o chip e a soldadura son materiais diferentes con diferentes coeficientes de expansión térmica, polo que hai un desajuste térmico a altas temperaturas.Ademais, a presenza de baleiros de soldadura aumenta a resistencia térmica do dispositivo, empeorando a disipación de calor e formando puntos quentes na zona local, aumentando a temperatura da unión e provocando fallos relacionados coa temperatura, como a electromigración.
Fallo da unión do chumbo interno: falla principalmente pola corrosión no punto de unión, provocada pola corrosión do aluminio causada pola acción do vapor de auga, elementos de cloro, etc. nun ambiente de pulverización salina quente e húmido.Rotura por fatiga dos cables de unión de aluminio causada polo ciclo da temperatura ou as vibracións.O paquete de módulos IGBT é de gran tamaño e, se se instala de forma inadecuada, é moi doado provocar a concentración de estrés, o que provoca a fractura por fatiga dos cables internos do módulo.
2) Circuíto integrado
O mecanismo de falla dos circuítos integrados e o uso do medio ambiente ten unha gran relación, humidade nun ambiente húmido, danos xerados por electricidade estática ou sobretensións eléctricas, uso demasiado elevado do texto e uso de circuítos integrados nun ambiente de radiación sen radiación. o reforzo da resistencia tamén pode provocar a falla do dispositivo.
Efectos de interface relacionados co aluminio: nos dispositivos electrónicos con materiais a base de silicio, a capa de SiO2 como película dieléctrica úsase amplamente e o aluminio úsase a miúdo como material para liñas de interconexión, o SiO2 e o aluminio a altas temperaturas serán unha reacción química. de xeito que a capa de aluminio se faga delgada, se a capa de SiO2 se esgota debido ao consumo de reacción, provocará un contacto directo entre o aluminio e o silicio.Ademais, o fío de chumbo de ouro e a liña de interconexión de aluminio ou o fío de unión de aluminio e a unión do fío de chumbo bañado en ouro da carcasa do tubo producirán un contacto de interface Au-Al.Debido ao diferente potencial químico destes dous metais, despois do seu uso a longo prazo ou almacenamento a altas temperaturas superiores a 200 ℃ producirase unha variedade de compostos intermetálicos, e debido ás súas constantes de rede e os coeficientes de expansión térmica son diferentes, no punto de unión dentro un gran esforzo, a condutividade faise pequena.
Corrosión por metalización: a liña de conexión de aluminio do chip é susceptible á corrosión polo vapor de auga nun ambiente quente e húmido.Debido á compensación do prezo e á fácil produción en masa, moitos circuítos integrados están encapsulados con resina, non obstante, o vapor de auga pode atravesar a resina para chegar ás interconexións de aluminio e as impurezas traídas desde fóra ou disoltas na resina actúan co aluminio metálico para provocar corrosión das interconexións de aluminio.
O efecto de delaminación causado polo vapor de auga: o IC de plástico é o circuíto integrado encapsulado con plástico e outros materiais de polímero de resina, ademais do efecto de delaminación entre o material plástico e o marco metálico e o chip (coñecido comunmente como efecto "palomitas"). porque o material de resina ten as características de adsorción de vapor de auga, o efecto de delaminación causado pola adsorción de vapor de auga tamén fará que o dispositivo falle..O mecanismo de falla é a rápida expansión da auga no material de selado de plástico a altas temperaturas, polo que a separación entre o plástico e a súa unión doutros materiais, e en casos graves, o corpo de selado de plástico explotará.
2.5 Compoñentes resistivos capacitivos
1) Resistencias
As resistencias comúns sen enrolamento pódense dividir en catro tipos segundo os diferentes materiais utilizados no corpo da resistencia, é dicir, o tipo de aliaxe, o tipo de película, o tipo de película grosa e o tipo sintético.Para resistencias fixas, os principais modos de falla son circuíto aberto, deriva de parámetros eléctricos, etc.;mentres que para os potenciómetros, os principais modos de falla son o circuíto aberto, a deriva de parámetros eléctricos, o aumento do ruído, etc. O ambiente de uso tamén levará ao envellecemento da resistencia, o que ten un gran impacto na vida útil dos equipos electrónicos.
Oxidación: a oxidación do corpo da resistencia aumentará o valor da resistencia e é o factor máis importante que provoca o envellecemento da resistencia.Excepto os corpos de resistencia feitos de metais preciosos e aliaxes, todos os demais materiais serán danados polo osíxeno no aire.A oxidación é un efecto a longo prazo e, cando a influencia doutros factores diminúe gradualmente, a oxidación converterase no factor principal e os ambientes de alta temperatura e humidade elevadas acelerarán a oxidación das resistencias.Para resistencias de precisión e resistencias de alto valor de resistencia, a medida fundamental para evitar a oxidación é a protección de selado.Os materiais de selado deben ser materiais inorgánicos, como metal, cerámica, vidro, etc. A capa protectora orgánica non pode evitar completamente a permeabilidade á humidade e ao aire, e só pode desempeñar un papel retardador na oxidación e adsorción.
Envellecemento do aglutinante: para as resistencias sintéticas orgánicas, o envellecemento do aglutinante orgánico é o principal factor que afecta a estabilidade da resistencia.O aglutinante orgánico é principalmente unha resina sintética, que se transforma nun polímero termoendurecible altamente polimerizado mediante tratamento térmico durante o proceso de fabricación da resistencia.O principal factor que causa o envellecemento do polímero é a oxidación.Os radicais libres xerados pola oxidación provocan a articulación dos enlaces moleculares do polímero, o que cura aínda máis o polímero e o fai quebradizo, o que provoca perda de elasticidade e danos mecánicos.O curado do aglutinante fai que a resistencia se encolle en volume, aumentando a presión de contacto entre as partículas condutoras e diminuíndo a resistencia de contacto, o que resulta nunha diminución da resistencia, pero o dano mecánico do aglutinante tamén aumenta a resistencia.Normalmente, o curado do aglutinante ocorre antes, o dano mecánico ocorre despois, polo que o valor de resistencia das resistencias sintéticas orgánicas mostra o seguinte patrón: un certo descenso ao comezo da etapa, despois aumenta e hai unha tendencia a aumentar.Dado que o envellecemento dos polímeros está intimamente relacionado coa temperatura e a luz, as resistencias sintéticas acelerarán o envellecemento baixo un ambiente de alta temperatura e unha forte exposición á luz.
Envellecemento baixo carga eléctrica: a aplicación dunha carga a unha resistencia acelerará o seu proceso de envellecemento.Baixo carga de CC, a acción electrolítica pode danar as resistencias de película fina.A electrólise ocorre entre as ranuras dunha resistencia ranurada e, se o substrato da resistencia é un material cerámico ou de vidro que contén ións de metal alcalino, os ións móvense baixo a acción do campo eléctrico entre as ranuras.Nun ambiente húmido, este proceso avanza máis violentamente.
2) Capacitores
Os modos de fallo dos capacitores son curtocircuíto, circuíto aberto, degradación dos parámetros eléctricos (incluído o cambio de capacidade, aumento da tanxente do ángulo de perda e diminución da resistencia de illamento), fuga de líquido e rotura da corrosión do chumbo.
Curtocircuíto: o arco de voo no bordo entre polos a alta temperatura e baixa presión de aire provocará un curtocircuíto de capacitores, ademais, o estrés mecánico, como un choque externo, tamén provocará un curtocircuíto transitorio de dieléctrico.
Circuíto aberto: oxidación dos cables de plomo e dos contactos dos electrodos causada por un ambiente húmido e quente, o que provoca unha inaccesibilidade de baixo nivel e unha fractura por corrosión da folla de chumbo do ánodo.
Degradación dos parámetros eléctricos: Degradación dos parámetros eléctricos debido á influencia do ambiente húmido.
2.6 Circuitos a nivel de placa
A tarxeta de circuíto impreso está composta principalmente por substrato illante, cableado metálico e conexión de diferentes capas de fíos, compoñentes de soldadura "almofadas".A súa función principal é proporcionar un soporte para compoñentes electrónicos e desempeñar o papel de conexións eléctricas e mecánicas.
O modo de falla da placa de circuíto impreso inclúe principalmente soldadura deficiente, circuíto aberto e curtocircuíto, burbullas, delaminación da placa de explosión, corrosión ou decoloración da superficie da placa, flexión da placa.
Hora de publicación: 21-nov-2022