Ebben a cikkben az elektronikus alkatrészek meghibásodási módjait és meghibásodási mechanizmusait tanulmányozzuk, és megadjuk azok érzékeny környezetét, hogy némi referenciaként szolgáljanak az elektronikai termékek tervezéséhez.
1. Tipikus alkatrész meghibásodási módok
Sorozatszám
Elektronikus alkatrész neve
A környezettel kapcsolatos hibamódok
Környezeti stressz
1. Elektromechanikus alkatrészek
A vibráció a tekercsek fáradásos törését és a kábelek meglazulását okozza.
Rezgés, sokk
2. Félvezető mikrohullámú készülékek
A magas hőmérséklet és a hőmérsékleti sokk delaminációhoz vezet a csomagolás anyaga és a chip közötti felületen, valamint a műanyag zárt mikrohullámú monolit csomagolóanyaga és chiptartó felülete között.
Magas hőmérséklet, hőmérsékleti sokk
3. Hibrid integrált áramkörök
Az ütés a kerámia szubsztrátum megrepedéséhez, a hőmérsékleti sokk a kondenzátorvégelektróda megrepedéséhez, a hőmérsékleti ciklus pedig a forrasztás meghibásodásához vezet.
Sokk, hőmérsékleti ciklus
4. Diszkrét eszközök és integrált áramkörök
Hőtörés, forrasztási hiba, belső ólomkötés meghibásodása, passzivációs réteg szakadásához vezető ütés.
Magas hőmérséklet, ütés, vibráció
5. Rezisztív alkatrészek
Magszubsztrátum-szakadás, rezisztív filmszakadás, ólomtörés
Sokk, magas és alacsony hőmérséklet
6. Tábla szintű áramkör
Repedt forrasztási kötések, repedt réz lyukak.
Magas hőmérsékletű
7. Elektromos vákuum
A forró huzal fáradásos törése.
Rezgés
2, tipikus alkatrész-meghibásodási mechanizmus elemzése
Az elektronikai alkatrészek meghibásodási módja nem egyetlen, csak egy reprezentatív része a tipikus komponensek érzékeny környezeti tűréshatár elemzésének, általánosabb következtetés levonása érdekében.
2.1 Elektromechanikus alkatrészek
A tipikus elektromechanikus alkatrészek közé tartoznak az elektromos csatlakozók, relék stb. A meghibásodási módokat részletesen elemzik a két típusú alkatrész szerkezetével.
1) Elektromos csatlakozók
Elektromos csatlakozó a héj, a szigetelő és az érintkező test a három alapegység, a meghibásodási módot az érintkezési hiba, a szigetelés meghibásodása és a mechanikai hiba a három meghibásodási formában foglalja össze.Az elektromos csatlakozó meghibásodásának fő formája az érintkező meghibásodása, teljesítményének meghibásodása: az érintkezés a pillanatnyi törésnél és az érintkezési ellenállás növekszik.Az elektromos csatlakozók esetében az érintkezési ellenállás és az anyagvezető ellenállás megléte miatt, amikor áram folyik az elektromos csatlakozón keresztül, az érintkezési ellenállás és a fém anyagú vezető ellenállása Joule hőt termel, a Joule hő növeli a hőt, ami növeli a az érintkezési pont hőmérséklete, a túl magas érintkezési pont hőmérséklet a fém érintkezési felületét meglágyítja, megolvad, vagy akár fel is forr, de növeli az érintkezési ellenállást is, így érintkezéskiesést vált ki..A magas hőmérsékletű környezet szerepében az érintkező részek is kúszás jelenségként jelennek meg, aminek következtében az érintkező részek közötti érintkezési nyomás csökken.Ha az érintkezési nyomást egy bizonyos mértékig csökkentik, az érintkezési ellenállás meredeken megnő, és végül rossz elektromos érintkezést okoz, ami érintkezési meghibásodást eredményez.
Másrészt az elektromos csatlakozó tárolás, szállítás és munka során különféle vibrációs terheléseknek és ütközési erőknek lesz kitéve, amikor a külső rezgésterhelés gerjesztési frekvenciája és az elektromos csatlakozók közel a belső frekvenciához rezonanciát okoznak az elektromos csatlakozóban. jelenség, aminek következtében az érintkező darabok közötti rés nagyobb lesz, a rés egy bizonyos mértékig megnő, az érintkezési nyomás azonnal eltűnik, ami az elektromos érintkezés "azonnali megszakadását" eredményezi.Rezgés, lökésterhelés esetén az elektromos csatlakozó belső feszültséget generál, ha a feszültség meghaladja az anyag folyáshatárát, az anyag károsodását és törését okozza;ennek a hosszú távú igénybevételnek a szerepében az anyag kifáradási károsodást is okoz, és végül meghibásodást okoz.
2) Relé
Az elektromágneses relék általában magokból, tekercsekből, armatúrákból, érintkezőkből, nádokból és így tovább állnak.Mindaddig, amíg a tekercs mindkét végén egy bizonyos feszültséget adnak, bizonyos áram folyik a tekercsben, így elektromágneses hatást kelt, az armatúra az elektromágneses vonzási erőt leküzdve visszatér a maghoz húzó rugóhoz, ami viszont az armatúra mozgó érintkezőit és statikus érintkezőit (általában nyitott érintkezők) zárásra hajtja.A tekercs kikapcsolásakor az elektromágneses szívóerő is eltűnik, az armatúra a rugó reakcióereje hatására visszaáll az eredeti helyzetébe, így a mozgó érintkező és az eredeti statikus érintkező (általában zárt érintkező) elszív.Ez a szívás és elengedés, így a cél elérése érdekében a vezetés és levágta az áramkört.
Az elektromágneses relék általános meghibásodásának fő módjai a következők: a relé alaphelyzetben nyitva, a relé alaphelyzetben zárva, a relé dinamikus rugóműködése nem felel meg a követelményeknek, az érintkezők zárása, miután a relé elektromos paraméterei meghaladják a gyenge értéket.Az elektromágneses relé gyártási folyamatának hiánya miatt sok elektromágneses relé meghibásodása a gyártási folyamatban a rejtett veszélyek minőségének megállapítására, például a mechanikai feszültségmentesítési időszak túl rövid, ami mechanikai szerkezetet eredményez az öntőalkatrészek deformációja után, a maradék eltávolítása nem merül ki. ami a PIND teszt sikertelen vagy akár meghibásodást eredményez, a gyári tesztelés és a szűrés használata nem szigorú, így a készülék meghibásodása használatbavételre stb.A reléket tartalmazó berendezések tervezésénél a hatáskörnyezet alkalmazkodóképességére kell összpontosítani.
2.2 Félvezető mikrohullámú alkatrészek
A mikrohullámú félvezető eszközök Ge, Si és III ~ V összetett félvezető anyagokból készült alkatrészek, amelyek a mikrohullámú sávban működnek.Elektronikus berendezésekben, például radarokban, elektronikus hadviselési rendszerekben és mikrohullámú kommunikációs rendszerekben használják őket.A mikrohullámú diszkrét készülékcsomagolás az elektromos csatlakozások, valamint a mag és a csapok mechanikai és vegyi védelmének biztosítása mellett a ház kialakításánál és kiválasztásánál figyelembe kell venni a ház parazita paramétereinek az eszköz mikrohullámú átviteli jellemzőire gyakorolt hatását is.A mikrohullámú ház is az áramkör része, amely maga is egy teljes bemeneti és kimeneti áramkört alkot.Ezért a ház alakjának és szerkezetének, méretének, dielektromos anyagának, vezeték konfigurációjának stb. meg kell egyeznie az alkatrészek mikrohullámú jellemzőivel és az áramkör alkalmazási szempontjaival.Ezek a tényezők határozzák meg az olyan paramétereket, mint a kapacitás, az elektromos vezeték ellenállása, a karakterisztikus impedancia, valamint a csőház vezető- és dielektromos veszteségei.
A mikrohullámú félvezető alkatrészek környezetvédelmi szempontból releváns meghibásodási módjai és mechanizmusai főként a zárófém nyelőt és az ellenállási tulajdonságok romlását foglalják magukban.A kapufém mosogató a kapufém (Au) termikusan felgyorsított diffúziójának köszönhető GaAs-ba, így ez a meghibásodási mechanizmus főként gyorsított élettartam-tesztek vagy rendkívül magas hőmérsékletű működés során lép fel.A kapufém (Au) GaAs-ba való diffúzió sebessége a kapufém anyag diffúziós együtthatójának, a hőmérsékletnek és az anyagkoncentráció gradiensének a függvénye.A tökéletes rácsszerkezethez a készülék teljesítményét nem befolyásolja a nagyon lassú diffúziós sebesség normál üzemi hőmérsékleten, azonban a diffúziós sebesség jelentős lehet, ha nagyok a részecskehatárok vagy sok felületi hiba van.Az ellenállásokat gyakran használják mikrohullámú monolitikus integrált áramkörökben visszacsatoló áramkörökhöz, aktív eszközök előfeszítési pontjának beállításához, leválasztáshoz, teljesítményszintézishez vagy a csatolás végéhez, kétféle ellenállási szerkezet létezik: fémfilm ellenállás (TaN, NiCr) és enyhén adalékolt GaAs. vékonyréteg ellenállás.A tesztek azt mutatják, hogy a NiCr-ellenállás páratartalom okozta romlása a meghibásodás fő mechanizmusa.
2.3 Hibrid integrált áramkörök
A hagyományos hibrid integrált áramkörök, a vastag filmvezető szalag hordozófelületének megfelelően, a vékonyrétegű vezetőszalagos folyamat a vastagfilmes hibrid integrált áramkörök és a vékonyfilm hibrid integrált áramkörök két kategóriájára oszlik: bizonyos kis nyomtatott áramköri (PCB) áramkörök, Mivel a nyomtatott áramkör film formájában van a lapos tábla felületén, hogy vezetőképes mintát képezzen, szintén hibrid integrált áramköröknek minősül.A többchipes komponensek megjelenésével ez a fejlett hibrid integrált áramkör, a szubsztrátum egyedülálló többrétegű huzalozási struktúrája és az átmenő lyukak feldolgozási technológiája révén az alkatrészek hibrid integrált áramkörré váltak egy nagy sűrűségű összekötő szerkezetben, amely szinonimája a használt hordozónak. több chipből álló alkatrészekben, és a következőket foglalják magukban: többrétegű vékony film, többrétegű vastag film, magas hőmérsékletű együtt égetett, alacsony hőmérsékletű együttégetés, szilícium alapú, PCB többrétegű hordozó stb.
A hibrid integrált áramkör környezeti igénybevételének meghibásodási módjai főként a szubsztrátum repedéséből és az alkatrészek és a vastagréteg-vezetők, alkatrészek és vékonyréteg-vezetők, a hordozó és a ház közötti hegesztési hibából eredő elektromos nyitott áramköri hibákat foglalják magukban.Mechanikai hatás a termék leejtéséből, a forrasztási műveletből származó hősokk, az alapfelület egyenetlenségei miatti többletfeszültség, az oldalirányú húzófeszültség a hordozó és a fémház és a kötőanyag közötti termikus eltérésből, a hordozó belső hibái által okozott mechanikai feszültség vagy termikus igénybevétel koncentrációja, potenciális károsodás Az aljzat fúrása és az aljzat vágása által okozott helyi mikrorepedések végül a kerámia hordozó belső mechanikai szilárdságánál nagyobb külső mechanikai igénybevételhez vezetnek, amely meghibásodáshoz vezet.
A forrasztott szerkezetek érzékenyek az ismétlődő hőmérséklet-ciklusos igénybevételekre, ami a forrasztóréteg termikus kifáradásához vezethet, ami csökkenti a kötési szilárdságot és megnövekedett hőellenállást.Az ón alapú képlékeny forrasztóanyag osztálynál a hőmérsékleti ciklikus feszültség szerepe a forrasztóréteg termikus kifáradásához vezet, mivel a forrasztóanyag által összekapcsolt két szerkezet hőtágulási együtthatója nem konzisztens, a forraszanyag elmozdulása vagy nyírási deformációja, ismételten, a forrasztóréteg kifáradási repedések tágulása és kiterjesztése után, ami végül a forrasztóréteg kifáradási meghibásodásához vezet.
2.4 Diszkrét eszközök és integrált áramkörök
A félvezető diszkrét eszközöket diódákra, bipoláris tranzisztorokra, MOS térhatású csövekre, tirisztorokra és szigetelt kapu bipoláris tranzisztorokra osztják széles kategóriák szerint.Az integrált áramkörök alkalmazási köre széles, és funkcióik szerint három kategóriába sorolhatók, nevezetesen digitális integrált áramkörök, analóg integrált áramkörök és vegyes digitális-analóg integrált áramkörök.
1) Különálló eszközök
A diszkrét eszközök különféle típusúak, és eltérő funkcióikból és folyamataikból adódóan saját jellemzőkkel rendelkeznek, jelentős eltérésekkel a meghibásodási teljesítményben.Mivel azonban a félvezető folyamatok által kialakított alapeszközök, meghibásodási fizikájukban vannak hasonlóságok.A külső mechanikával és a természeti környezettel kapcsolatos főbb hibák a termikus leállás, a dinamikus lavina, a forgácsforrasztási hiba és a belső ólomkötés meghibásodása.
Termikus meghibásodás: A hő- vagy másodlagos meghibásodás a fő hibamechanizmus, amely a félvezető teljesítménykomponenseket érinti, és a használat során fellépő károsodások nagy része a másodlagos meghibásodás jelenségéhez kapcsolódik.A másodlagos bontás előretolt másodlagos bontásra és fordított előfeszítésű másodlagos bontásra oszlik.Az előbbi főként az eszköz saját termikus tulajdonságaival kapcsolatos, mint például a készülék adalékkoncentrációja, belső koncentrációja stb., míg az utóbbi a hordozók lavinaszaporodásával a tértöltési régióban (például a kollektor közelében), mindkettő amelyek közül mindig együtt jár a készüléken belüli áramkoncentráció.Az ilyen alkatrészek alkalmazásakor különös figyelmet kell fordítani a hővédelemre és a hőelvezetésre.
Dinamikus lavina: A külső vagy belső erők hatására bekövetkező dinamikus leállás során az eszköz belsejében fellépő áramvezérelt ütközési ionizációs jelenség a szabad vivőkoncentráció hatására dinamikus lavinát idéz elő, amely bipoláris eszközökben, diódákban és IGBT-kben is előfordulhat.
Forrasztáshiba: A fő ok az, hogy a forrasztóanyag és a forrasztás különböző anyagok, eltérő hőtágulási együtthatókkal, ezért magas hőmérsékleten termikus eltérés lép fel.Ezen túlmenően, a forrasztási üregek jelenléte növeli az eszköz hőellenállását, rontja a hőelvezetést, és forró pontokat képez a helyi területen, növeli a csomópont hőmérsékletét, és hőmérséklettel kapcsolatos hibákat, például elektromigrációt okoz.
Belső ólomkötési hiba: elsősorban a kötési ponton fellépő korróziós hiba, amelyet az alumínium korróziója vált ki, amelyet vízgőz, klórelemek stb. hatása okoz forró és nedves sópermet környezetben.Hőmérsékletciklus vagy vibráció okozta kifáradási törés az alumínium kötővezetékeken.A modulcsomagban lévő IGBT nagy méretű, és ha nem megfelelő módon van beépítve, nagyon könnyen feszültségkoncentrációt idézhet elő, ami a modul belső vezetékeinek fáradásos törését eredményezi.
2) Integrált áramkör
Az integrált áramkörök meghibásodási mechanizmusa és a környezethasználat nagy összefüggésben áll egymással, nedves környezetben a nedvesség, a statikus elektromosság vagy az elektromos túlfeszültség okozta károk, a túlzott szöveghasználat és az integrált áramkörök használata sugárzás nélküli környezetben ellenállás-erősítés is okozhatja a készülék meghibásodását.
Alumíniummal kapcsolatos interfészhatások: A szilícium alapú anyagokat tartalmazó elektronikai eszközökben a SiO2 réteget, mint dielektromos filmet széles körben használják, és az alumíniumot gyakran használják összekötő vezetékek anyagaként, a SiO2 és az alumínium magas hőmérsékleten kémiai reakció lesz, így az alumíniumréteg vékony lesz, ha a SiO2 réteg a reakció fogyasztása miatt kimerül, az alumínium és a szilícium között közvetlen érintkezést okoz.Ezenkívül az arany ólomhuzal és az alumínium összekötő vezeték vagy az alumínium kötőhuzal, valamint a csőhéj aranyozott vezetékének kötése Au-Al interfész érintkezést eredményez.E két fém eltérő kémiai potenciálja miatt hosszú távú használat vagy 200 ℃ feletti magas hőmérsékleten történő tárolás után különféle intermetallikus vegyület képződik, és a rácsállandóik és a hőtágulási együtthatóik eltérőek a kötési ponton belül. nagy feszültség esetén a vezetőképesség kicsi lesz.
Fémezési korrózió: A chipen lévő alumínium csatlakozóvezeték érzékeny a vízgőz által okozott korrózióra forró és nedves környezetben.Az árkiegyenlítés és a könnyű tömeggyártás miatt sok integrált áramkör gyantával van tokozva, azonban a vízgőz átjut a gyantán, hogy elérje az alumínium csatlakozókat, és a kívülről behozott vagy a gyantában oldott szennyeződések a fémes alumíniummal hatnak az alumínium összeköttetések korróziója.
A vízgőz okozta delaminációs hatás: a műanyag IC a műanyag és más gyanta polimer anyagokba tokozott integrált áramkör, a műanyag és a fémváz és a forgács közötti delaminációs hatáson túl (közismert nevén "popcorn" effektus), mivel a gyantaanyag a vízgőz adszorpciójának jellemzőivel rendelkezik, a vízgőz adszorpciója által okozott delaminációs hatás a készülék meghibásodását is okozza..A meghibásodási mechanizmus a víz gyors kitágulása a műanyag tömítőanyagban magas hőmérsékleten, így a műanyag és más anyagok rögzítése közötti elválás, súlyos esetekben pedig a műanyag tömítőtest szétreped.
2.5 Kapacitív rezisztív alkatrészek
1) Ellenállások
A szokásos nem tekercselő ellenállások négy típusra oszthatók az ellenállástestben használt különböző anyagok szerint, nevezetesen az ötvözet típusa, a film típusa, a vastag film típusa és a szintetikus típus.A rögzített ellenállások esetében a fő hibaüzemmódok a nyitott áramkör, az elektromos paraméterek eltolódása stb.;míg a potenciométereknél a fő meghibásodási módok a nyitott áramkör, az elektromos paraméterek eltolódása, a zajnövekedés stb. A használati környezet az ellenállások elöregedéséhez is vezet, ami nagy hatással van az elektronikai berendezések élettartamára.
Oxidáció: Az ellenállás testének oxidációja növeli az ellenállás értékét, és ez az ellenállás öregedését okozó legfontosabb tényező.A nemesfémekből és ötvözetekből készült ellenállástestek kivételével az összes többi anyagot károsítja a levegő oxigénje.Az oxidáció hosszú távú hatás, és amikor más tényezők hatása fokozatosan csökken, az oxidáció válik a fő tényezővé, a magas hőmérsékletű és magas páratartalmú környezet pedig felgyorsítja az ellenállások oxidációját.A precíziós ellenállások és a nagy ellenállási értékű ellenállások esetében az oxidáció megelőzésének alapvető intézkedése a tömítésvédelem.A tömítőanyagoknak szervetlen anyagoknak kell lenniük, mint például fém, kerámia, üveg stb. A szerves védőréteg nem tudja teljesen megakadályozni a nedvesség- és légáteresztő képességet, és csak késlelteti az oxidációt és az adszorpciót.
A kötőanyag öregedése: A szerves szintetikus ellenállások esetében a szerves kötőanyag öregedése a fő tényező, amely befolyásolja az ellenállás stabilitását.A szerves kötőanyag főként műgyanta, amely az ellenállás gyártási folyamata során hőkezeléssel erősen polimerizált, hőre keményedő polimerré alakul.A polimer öregedését okozó fő tényező az oxidáció.Az oxidáció során keletkező szabad gyökök a polimer molekuláris kötéseinek csuklósodását okozzák, ami tovább keményíti a polimert és törékennyé teszi, ami rugalmasságának elvesztését és mechanikai sérüléseket okoz.A kötőanyag kikeményítése hatására az ellenállás térfogata zsugorodik, így nő a vezető részecskék közötti érintkezési nyomás és csökken az érintkezési ellenállás, ami az ellenállás csökkenését eredményezi, de a kötőanyag mechanikai sérülése is növeli az ellenállást.Általában a kötőanyag kikeményedése előtt, a mechanikai sérülések után következik be, így a szerves szintetikus ellenállások ellenállási értéke a következő mintát mutatja: a szakasz elején némi csökkenés, majd növekedés felé fordul, és növekedési tendenciát mutat.Mivel a polimerek öregedése szorosan összefügg a hőmérséklettel és a fénnyel, a szintetikus ellenállások felgyorsítják az öregedést magas hőmérsékletű környezetben és erős fényhatás mellett.
Öregedés elektromos terhelés alatt: Az ellenállás terhelése felgyorsítja annak öregedési folyamatát.Egyenáramú terhelés alatt az elektrolitikus hatás károsíthatja a vékonyréteg-ellenállásokat.A réses ellenállás rései között elektrolízis megy végbe, és ha az ellenállás szubsztrátja alkálifém ionokat tartalmazó kerámia vagy üveg, akkor az ionok a rések közötti elektromos tér hatására mozognak.Párás környezetben ez a folyamat hevesebben megy végbe.
2) Kondenzátorok
A kondenzátorok meghibásodási módjai a következők: rövidzárlat, szakadás, elektromos paraméterek romlása (beleértve a kapacitás változását, a veszteségszög-tangens növekedését és a szigetelési ellenállás csökkenését), folyadékszivárgás és ólomkorróziós törés.
Rövidzárlat: A pólusok közötti ív magas hőmérsékleten és alacsony légnyomáson a kondenzátorok rövidzárlatához vezet, emellett a mechanikai igénybevétel, például a külső ütés, a dielektrikum átmeneti rövidzárlatát is okozza.
Szakadt áramkör: Az ólomhuzalok és elektródaérintkezők nedves és forró környezet által okozott oxidációja, ami az anód ólomfólia alacsony szintű elérhetetlenségét és korróziós törését eredményezi.
Elektromos paraméterek romlása: Az elektromos paraméterek leromlása a nedves környezet hatására.
2.6 Alaplap szintű áramkörök
A nyomtatott áramköri lap főként szigetelő szubsztrátumból, fém huzalozásból és különböző vezetékrétegekből, forrasztóelemekből "párnákból" áll.Fő szerepe az elektronikai alkatrészek hordozója, valamint az elektromos és mechanikus csatlakozások szerepe.
A nyomtatott áramköri lap meghibásodási módja főként gyenge forrasztást, szakadást és rövidzárlatot, felhólyagosodást, felrobbanó kártya leválását, a lap felületi korrózióját vagy elszíneződését, a kártya meghajlását foglalja magában.
Feladás időpontja: 2022. november 21