Чувствительная среда и режим отказа электронных компонентов

В этой статье изучаются виды отказов и механизмы отказов электронных компонентов, а их чувствительные среды даны, чтобы дать некоторые рекомендации по проектированию электронных продуктов.
1. Типичные виды отказов компонентов
Серийный номер
Название электронного компонента
Режимы отказа, связанные с окружающей средой
Экологический стресс

1. Электромеханические компоненты
Вибрация вызывает усталостную поломку катушек и ослабление тросов.
Вибрация, удар

2. Полупроводниковые СВЧ-устройства
Высокая температура и температурный удар приводят к расслаиванию на границе между материалом корпуса и чипом, а также между материалом корпуса и интерфейсом держателя чипа запаянного пластиком микроволнового монолита.
Высокая температура, температурный шок

3. Гибридные интегральные схемы
Удар приводит к растрескиванию керамической подложки, температурный удар приводит к растрескиванию торцевого электрода конденсатора, а циклическое изменение температуры приводит к выходу из строя припоя.
Удар, температурный цикл

4. Дискретные устройства и интегральные схемы
Термический пробой, нарушение пайки чипа, нарушение соединения внутреннего вывода, удар, приводящий к разрыву пассивирующего слоя.
Высокая температура, удары, вибрация

5. Резистивные компоненты
Разрыв подложки сердечника, разрыв резистивной пленки, обрыв выводов
Шок, высокая и низкая температура

6. Схема уровня платы
Трещины припоя, треснувшие медные отверстия.
Высокая температура

7. Электрический вакуум
Усталостное разрушение раскаленной проволоки.
Вибрация
2, анализ механизма отказа типичного компонента
Режим отказа электронных компонентов не является единичным, а представляет собой лишь репрезентативную часть анализа допустимых пределов допустимой среды типичных компонентов, чтобы получить более общий вывод.
2.1 Электромеханические компоненты
Типичные электромеханические компоненты включают в себя электрические соединители, реле и т. д. Виды отказов подробно проанализированы со структурой двух типов компонентов соответственно.

1) Электрические разъемы
Электрический разъем с корпусом, изолятором и контактным корпусом трех основных блоков, режим отказа суммируется в отказе контакта, отказе изоляции и механическом отказе трех форм отказа.Основная форма выхода из строя электрического разъема по нарушению контакта, отказу его работоспособности: контакт на мгновенный разрыв и увеличение контактного сопротивления.Для электрических соединителей, из-за наличия контактного сопротивления и сопротивления материала проводника, когда через электрический соединитель протекает ток, контактное сопротивление и сопротивление проводника металлического материала будут генерировать тепло Джоуля, тепло Джоуля увеличит тепло, что приведет к увеличению температура точки контакта, слишком высокая температура точки контакта приведет к размягчению, плавлению или даже кипению контактной поверхности металла, но также увеличит контактное сопротивление, что приведет к нарушению контакта..В условиях высокой температуры окружающей среды в контактных частях также возникает явление проскальзывания, что приводит к уменьшению контактного давления между контактными частями.Когда контактное давление уменьшается до определенной степени, контактное сопротивление резко возрастает и, в конечном итоге, вызывает плохой электрический контакт, что приводит к нарушению контакта.

С другой стороны, электрический разъем при хранении, транспортировке и работе будет подвергаться различным вибрационным нагрузкам и ударным нагрузкам, когда частота возбуждения внешней вибрационной нагрузки и электрические разъемы, близкие к собственной частоте, вызовут резонанс электрического разъема. явление, в результате которого зазор между контактными деталями становится больше, зазор увеличивается до определенной степени, контактное давление мгновенно исчезает, что приводит к «мгновенному разрыву» электрического контакта.При вибрации, ударной нагрузке электрический разъем будет генерировать внутреннее напряжение, когда напряжение превышает предел текучести материала, что приведет к повреждению и разрушению материала;в роли этого долгосрочного напряжения материал также будет иметь усталостное повреждение и, наконец, приведет к отказу.

2) Реле
Электромагнитные реле обычно состоят из сердечников, катушек, якорей, контактов, язычков и так далее.Пока к обоим концам катушки добавляется определенное напряжение, в катушке будет протекать определенный ток, создавая таким образом электромагнитный эффект, якорь будет преодолевать электромагнитную силу притяжения, чтобы вернуться к пружинному натяжению сердечника, который в свою очередь приводит к замыканию подвижных и статических контактов якоря (нормально разомкнутые контакты).Когда катушка отключена, сила электромагнитного всасывания также исчезает, якорь возвращается в исходное положение под действием силы реакции пружины, так что подвижный контакт и первоначальный статический контакт (нормально замкнутый контакт) всасываются.Это всасывание и выпуск, таким образом, достигается цель проводимости и отключения в цепи.
Основными видами общего отказа электромагнитных реле являются: нормально разомкнутое реле, нормально замкнутое реле, действие динамической пружины реле не соответствует требованиям, замыкание контактов после того, как электрические параметры реле превышают неудовлетворительные.Из-за нехватки производственного процесса электромагнитного реле многие отказы электромагнитного реле в производственном процессе закладывают качество скрытых опасностей, таких как период снятия механического напряжения, слишком короткий, что приводит к механической структуре после деформации формованных деталей, удаление остатков не исчерпывается в результате чего тест PIND не прошел или даже вышел из строя, заводские испытания и использование экранирования не являются строгими, поэтому отказ устройства в использовании и т. Д. Ударная среда может вызвать пластическую деформацию металлических контактов, что приведет к отказу реле.При проектировании оборудования, содержащего реле, необходимо сосредоточиться на адаптации к воздействию окружающей среды.

2.2 Полупроводниковые микроволновые компоненты
Полупроводниковые устройства СВЧ — это компоненты, изготовленные из полупроводниковых материалов Ge, Si и III ~ V, которые работают в микроволновом диапазоне.Они используются в электронном оборудовании, таком как радары, системы радиоэлектронной борьбы и системы микроволновой связи.Упаковка дискретного СВЧ-устройства, помимо обеспечения электрических соединений, механической и химической защиты сердечника и контактов, при проектировании и выборе корпуса также должна учитывать влияние паразитных параметров корпуса на характеристики передачи СВЧ-излучения устройства.Корпус микроволновой печи также является частью схемы, которая сама по себе представляет собой полную входную и выходную цепи.Поэтому форма и конструкция корпуса, размеры, диэлектрический материал, конфигурация проводников и т. д. должны соответствовать микроволновым характеристикам компонентов и аспектам применения схемы.Эти факторы определяют такие параметры, как емкость, электрическое сопротивление выводов, волновое сопротивление, а также потери в проводнике и диэлектрике корпуса трубки.

Экологически значимые виды и механизмы отказа полупроводниковых компонентов СВЧ-диапазона в основном включают сток металла затвора и ухудшение резистивных свойств.Утечка металла затвора происходит из-за термически ускоренной диффузии металла затвора (Au) в GaAs, поэтому этот механизм отказа возникает в основном во время ускоренных испытаний на долговечность или работы при чрезвычайно высоких температурах.Скорость диффузии металла затвора (Au) в GaAs зависит от коэффициента диффузии материала металла затвора, температуры и градиента концентрации материала.Для идеальной решетчатой ​​структуры на работу устройства не влияет очень низкая скорость диффузии при нормальных рабочих температурах, однако скорость диффузии может быть значительной, когда границы частиц велики или имеется много поверхностных дефектов.Резисторы обычно используются в микроволновых монолитных интегральных схемах для цепей обратной связи, установки точки смещения активных устройств, изоляции, синтеза мощности или конца связи, существуют две структуры сопротивления: металлическое пленочное сопротивление (TaN, NiCr) и слегка легированный GaAs. тонкослойное сопротивление.Испытания показывают, что ухудшение стойкости NiCr, вызванное влажностью, является основным механизмом его выхода из строя.

2.3 Гибридные интегральные схемы
Традиционные гибридные интегральные схемы, в зависимости от поверхности подложки толстопленочной направляющей ленты, процесс тонкопленочной направляющей ленты делится на две категории толстопленочных гибридных интегральных схем и тонкопленочных гибридных интегральных схем: схема с небольшой печатной платой (PCB), из-за печатной схемы в виде пленки на плоской поверхности платы с образованием проводящего рисунка, также классифицируемого как гибридные интегральные схемы.С появлением многочиповых компонентов эта усовершенствованная гибридная интегральная схема, ее подложка с уникальной многослойной структурой проводки и технология обработки сквозных отверстий превратили компоненты в гибридную интегральную схему в структуре межсоединений высокой плотности, синонимичной используемой подложке. в многочиповых компонентах и ​​включают в себя: тонкопленочные многослойные, толстопленочные многослойные, высокотемпературные совместные, низкотемпературные совместные, кремниевые, многослойные подложки печатных плат и т. д.

Режимы отказов гибридных интегральных схем под воздействием окружающей среды в основном включают в себя электрический отказ разомкнутой цепи, вызванный растрескиванием подложки и нарушением сварки между компонентами и толстопленочными проводниками, компонентами и тонкопленочными проводниками, подложкой и корпусом.Механическое воздействие при падении изделия, термический удар при пайке, дополнительное напряжение, вызванное неравномерностью коробления подложки, поперечное растягивающее напряжение из-за термического несоответствия между подложкой и металлическим корпусом и связующим материалом, механическое напряжение или концентрация термических напряжений, вызванная внутренними дефектами подложки, потенциальное повреждение вызванные сверлением подложки и резкой локальных микротрещин в подложке, в конечном итоге приводят к внешнему механическому напряжению, превышающему внутреннюю механическую прочность керамической подложки, что приводит к разрушению.

Структуры припоя подвержены повторяющимся температурным циклическим нагрузкам, что может привести к термической усталости слоя припоя, что приводит к снижению прочности соединения и повышению термостойкости.Для пластичного припоя на основе олова роль температурного циклического напряжения приводит к термической усталости слоя припоя из-за того, что коэффициент теплового расширения двух структур, соединенных припоем, непостоянен, это деформация смещения припоя или деформация сдвига, после неоднократного, слой припоя с расширением и расширением усталостной трещины, что в конечном итоге приводит к усталостному разрушению слоя припоя.
2.4 Дискретные устройства и интегральные схемы
Полупроводниковые дискретные устройства делятся на диоды, биполярные транзисторы, полевые МОП-лампы, тиристоры и биполярные транзисторы с изолированным затвором по широким категориям.Интегральные схемы имеют широкий спектр применения и могут быть разделены на три категории в зависимости от их функций, а именно цифровые интегральные схемы, аналоговые интегральные схемы и смешанные цифро-аналоговые интегральные схемы.

1) Дискретные устройства
Дискретные устройства бывают разных типов и имеют свою специфику из-за их различных функций и процессов со значительными различиями в характеристиках отказов.Однако, поскольку основные устройства образованы полупроводниковыми процессами, в физике их отказов есть определенное сходство.Основными отказами, связанными с внешней механикой и природными условиями, являются термический пробой, динамическая лавина, отказ пайки чипа и отказ внутреннего соединения выводов.

Термический пробой. Термический пробой или вторичный пробой является основным механизмом отказа, влияющим на силовые полупроводниковые компоненты, и большая часть повреждений во время использования связана с явлением вторичного пробоя.Вторичный пробой делится на вторичный пробой прямого смещения и вторичный пробой обратного смещения.Первое в основном связано с собственными тепловыми свойствами устройства, такими как концентрация легирования устройства, собственная концентрация и т. Д., В то время как второе связано с лавинным размножением носителей в области пространственного заряда (например, вблизи коллектора), как из которых всегда сопровождаются концентрацией тока внутри устройства.При применении таких компонентов особое внимание следует уделить тепловой защите и отводу тепла.

Динамическая лавина: во время динамического отключения из-за внешних или внутренних сил явление управляемой током столкновительной ионизации, происходящее внутри устройства под влиянием концентрации свободных носителей, вызывает динамическую лавину, которая может возникать в биполярных устройствах, диодах и IGBT.

Неисправность припоя чипа: основная причина заключается в том, что чип и припой представляют собой разные материалы с разными коэффициентами теплового расширения, поэтому при высоких температурах возникает термическое несоответствие.Кроме того, наличие пустот припоя увеличивает тепловое сопротивление устройства, ухудшая рассеивание тепла и образуя горячие точки в локальной области, повышая температуру перехода и вызывая связанные с температурой отказы, такие как электромиграция.

Нарушение внутреннего свинцового соединения: в основном коррозионное разрушение в месте соединения, вызванное коррозией алюминия, вызванной действием водяного пара, элементов хлора и т. д. в горячем и влажном солевом тумане.Усталостное разрушение алюминиевых соединительных проводов, вызванное температурным циклом или вибрацией.IGBT в корпусе модуля имеет большие размеры, и если он установлен ненадлежащим образом, очень легко вызвать концентрацию напряжений, что приведет к усталостному разрушению внутренних выводов модуля.

2) Интегральная схема
Механизм отказа интегральных схем и использование окружающей среды имеют большую взаимосвязь, влажность во влажной среде, повреждение, вызванное статическим электричеством или скачками напряжения, слишком высокое использование текста и использование интегральных схем в радиационной среде без излучения. усиление сопротивления также может привести к выходу устройства из строя.

Интерфейсные эффекты, связанные с алюминием: в электронных устройствах с материалами на основе кремния широко используется слой SiO2 в качестве диэлектрической пленки, а алюминий часто используется в качестве материала для соединительных линий, SiO2 и алюминий при высоких температурах будут вступать в химическую реакцию, так что слой алюминия становится тонким, если слой SiO2 истощается из-за расхода реакции, это вызовет прямой контакт между алюминием и кремнием.Кроме того, позолоченный выводной провод и алюминиевая соединительная линия или алюминиевый соединительный провод и соединение позолоченного подводящего провода корпуса трубки обеспечивают контакт интерфейса Au-Al.Из-за различного химического потенциала этих двух металлов после длительного использования или хранения при высоких температурах выше 200 ℃ будут образовываться различные интерметаллические соединения, а из-за того, что их постоянные решетки и коэффициенты теплового расширения различны, в точке соединения в пределах большое напряжение, проводимость становится малой.

Коррозия металлизации: алюминиевая соединительная линия на микросхеме подвержена коррозии под действием водяного пара в горячей и влажной среде.Из-за разницы в цене и простоты массового производства многие интегральные схемы герметизируются смолой, однако водяной пар может проходить через смолу и достигать алюминиевых межсоединений, а примеси, поступившие извне или растворенные в смоле, воздействуют на металлический алюминий, вызывая коррозия алюминиевых соединений.

Эффект расслаивания, вызванный водяным паром: пластиковая ИС представляет собой интегральную схему, инкапсулированную пластиком и другими смоляными полимерными материалами, в дополнение к эффекту расслаивания между пластиковым материалом, металлическим каркасом и чипом (широко известному как эффект «попкорна»), поскольку полимерный материал обладает характеристиками адсорбции водяного пара, эффект расслаивания, вызванный адсорбцией водяного пара, также приведет к выходу устройства из строя..Механизм разрушения заключается в быстром расширении воды в пластиковом уплотняющем материале при высоких температурах, что приводит к разрыву между пластиком и его креплением к другим материалам, а в серьезных случаях - к разрыву пластикового уплотняющего корпуса.

2.5 Емкостные резистивные компоненты
1) Резисторы
Обычные резисторы без обмотки можно разделить на четыре типа в соответствии с различными материалами, используемыми в корпусе резистора, а именно тип сплава, пленочный тип, толстопленочный тип и синтетический тип.Для постоянных резисторов основными видами отказов являются обрыв цепи, дрейф электрических параметров и т. д.;в то время как для потенциометров основными режимами отказа являются обрыв цепи, дрейф электрических параметров, увеличение шума и т. д. Среда использования также приводит к старению резистора, что оказывает большое влияние на срок службы электронного оборудования.

Окисление: Окисление корпуса резистора увеличивает значение сопротивления и является наиболее важным фактором, вызывающим старение резистора.За исключением корпусов резисторов из драгоценных металлов и сплавов, все остальные материалы будут повреждены кислородом воздуха.Окисление является долгосрочным эффектом, и когда влияние других факторов постепенно уменьшается, окисление становится основным фактором, а высокая температура и высокая влажность окружающей среды ускоряют окисление резисторов.Для прецизионных резисторов и резисторов с высоким сопротивлением основной мерой по предотвращению окисления является защита уплотнений.Уплотнительные материалы должны быть неорганическими материалами, такими как металл, керамика, стекло и т. д. Органический защитный слой не может полностью предотвратить влагопроницаемость и воздухопроницаемость и может лишь замедлять окисление и адсорбцию.

Старение связующего: для органических синтетических резисторов старение органического связующего является основным фактором, влияющим на стабильность резистора.Органическое связующее в основном представляет собой синтетическую смолу, которая превращается в высокополимеризованный термореактивный полимер путем термообработки в процессе изготовления резистора.Основным фактором, вызывающим старение полимера, является окисление.Свободные радикалы, образующиеся при окислении, вызывают шарнирное соединение молекулярных связей полимера, что дополнительно отвердевает полимер и делает его хрупким, что приводит к потере эластичности и механическим повреждениям.Отверждение связующего вызывает уменьшение объема резистора, увеличивая контактное давление между проводящими частицами и уменьшая контактное сопротивление, что приводит к снижению сопротивления, но механическое повреждение связующего также увеличивает сопротивление.Обычно отверждение связующего происходит раньше, механические повреждения - после, поэтому величина сопротивления органосинтетических резисторов имеет следующую закономерность: в начале стадии некоторое снижение, затем поворот к увеличению, и имеется тенденция к увеличению.Поскольку старение полимеров тесно связано с температурой и светом, синтетические резисторы ускорят старение в условиях высокой температуры и сильного освещения.

Старение под электрической нагрузкой: приложение нагрузки к резистору ускорит процесс его старения.Под нагрузкой постоянного тока электролитическое воздействие может повредить тонкопленочные резисторы.Электролиз происходит между пазами щелевого резистора, и если подложка резистора представляет собой керамический или стеклянный материал, содержащий ионы щелочных металлов, то ионы перемещаются под действием электрического поля между пазами.Во влажной среде этот процесс протекает более бурно.

2) Конденсаторы
Видами отказа конденсаторов являются короткое замыкание, обрыв цепи, ухудшение электрических параметров (в том числе изменение емкости, увеличение тангенса угла потерь и уменьшение сопротивления изоляции), утечка жидкости и коррозионное разрушение свинца.

Короткое замыкание: летящая дуга на краю между полюсами при высокой температуре и низком давлении воздуха приведет к короткому замыканию конденсаторов, кроме того, механическое воздействие, такое как внешний удар, также вызовет кратковременное короткое замыкание диэлектрика.

Разомкнутая цепь: Окисление выводных проводов и контактов электродов, вызванное влажной и горячей средой, что приводит к недоступности низкого уровня и коррозионному разрушению свинцовой фольги анода.
Ухудшение электрических параметров: Ухудшение электрических параметров из-за влияния влажной среды.

2.6 Схема на уровне платы
Печатная плата в основном состоит из изолирующей подложки, металлических проводов и соединительных слоев проводов, припоя компонентов «площадок».Его основная роль заключается в том, чтобы обеспечить носитель для электронных компонентов, а также играть роль электрических и механических соединений.

Режим отказа печатной платы в основном включает плохую пайку, обрыв и короткое замыкание, вздутие, расслоение платы, коррозию или обесцвечивание поверхности платы, изгиб платы.