I dette papir studeres elektroniske komponenters fejltilstande og fejlmekanismer, og deres følsomme omgivelser er givet for at give en reference til design af elektroniske produkter
1. Typiske komponentfejltilstande
Serienummer
Elektronisk komponentnavn
Miljørelaterede fejltilstande
Miljøstress
1. Elektromekaniske komponenter
Vibrationer forårsager træthedsbrud af spoler og løsning af kabler.
Vibration, stød
2. Halvleder mikrobølgeenheder
Høje temperatur- og temperaturchok fører til delaminering ved grænsefladen mellem emballagematerialet og chippen og mellem emballagematerialet og chipholdergrænsefladen af den plastikforseglede mikrobølgemonolit.
Høj temperatur, temperaturchok
3. Hybride integrerede kredsløb
Stød fører til revner i keramisk substrat, temperaturchok fører til revner af kondensatorendens elektrode, og temperaturcyklus fører til loddefejl.
Stød, temperaturcyklus
4. Diskrete enheder og integrerede kredsløb
Termisk nedbrud, chiplodningsfejl, indre ledningsbindingsfejl, stød, der fører til brud på passiveringslaget.
Høj temperatur, stød, vibrationer
5. Resistive komponenter
Kernesubstratbrud, resistiv filmbrud, blybrud
Stød, høj og lav temperatur
6. Board niveau kredsløb
Revnede loddesamlinger, brækkede kobberhuller.
Høj temperatur
7. Elektrisk vakuum
Træthedsbrud af varm ledning.
Vibration
2, typiske komponent fejl mekanisme analyse
Fejl tilstand af elektroniske komponenter er ikke en enkelt, kun en repræsentativ del af de typiske komponenter følsomt miljø tolerance grænse analyse, for at få en mere generel konklusion.
2.1 Elektromekaniske komponenter
Typiske elektromekaniske komponenter omfatter elektriske konnektorer, relæer osv. Fejltilstandene analyseres i dybden med strukturen af henholdsvis de to typer komponenter.
1) Elektriske stik
Elektrisk stik ved skallen, isolatoren og kontaktlegemet af de tre grundlæggende enheder, fejltilstanden er opsummeret i kontaktfejl, isolationsfejl og mekanisk fejl i de tre former for fejl.Den vigtigste form for svigt af det elektriske stik til kontaktfejl, svigt af dens ydeevne: kontakt på den øjeblikkelige pause og kontaktmodstand stiger.For elektriske konnektorer, på grund af eksistensen af kontaktmodstand og materialeledermodstand, når der er strøm gennem det elektriske stik, vil kontaktmodstand og metalmaterialeledermodstand generere Joule-varme, Joule-varme vil øge varmen, hvilket resulterer i en stigning i kontaktpunktets temperatur, for høj kontaktpunktstemperatur vil få metallets kontaktflade til at blødgøre, smelte eller endda koge, men også øge kontaktmodstanden og dermed udløse kontaktsvigt..I rollen som højtemperaturmiljø vil kontaktdelene også fremstå som krybningsfænomen, hvilket får kontakttrykket mellem kontaktdelene til at falde.Når kontakttrykket reduceres til en vis grad, vil kontaktmodstanden stige kraftigt og til sidst forårsage dårlig elektrisk kontakt, hvilket resulterer i kontaktfejl.
På den anden side vil det elektriske stik under opbevaring, transport og arbejde blive udsat for en række vibrationsbelastninger og stødkræfter, når den eksterne vibrationsbelastnings excitationsfrekvens og elektriske stik tæt på den iboende frekvens vil gøre det elektriske stik resonans. fænomen, hvilket resulterer i, at afstanden mellem kontaktstykkerne bliver større, mellemrummet øges til en vis grad, kontakttrykket vil forsvinde øjeblikkeligt, hvilket resulterer i elektrisk kontakt "øjeblikkelig pause".I vibrations-, stødbelastningen vil det elektriske stik generere intern spænding, når spændingen overstiger materialets udbyttestyrke, vil det gøre materielle skader og brud;i rollen som denne langsigtede stress, vil materialet også opstå træthedsskader, og til sidst forårsage svigt.
2) Relæ
Elektromagnetiske relæer er generelt sammensat af kerner, spoler, armaturer, kontakter, siv og så videre.Så længe der tilføjes en vis spænding til begge ender af spolen, vil der flyde en vis strøm i spolen, hvilket giver en elektromagnetisk effekt, ankeret vil overvinde den elektromagnetiske tiltrækningskraft for at vende tilbage til fjedertrækket til kernen, hvilket igen driver ankerets bevægelige kontakter og statiske kontakter (normalt åbne kontakter) til at lukke.Når spolen slukkes, forsvinder også den elektromagnetiske sugekraft, armaturet vil vende tilbage til den oprindelige position under fjederens reaktionskraft, således at den bevægelige kontakt og den oprindelige statiske kontakt (normalt lukket kontakt) suger.Denne suge og frigive, og dermed opnå formålet med ledning og afskæring i kredsløbet.
De vigtigste tilstande for overordnet svigt af elektromagnetiske relæer er: relæ normalt åbent, relæ normalt lukket, relæ dynamisk fjederhandling opfylder ikke kravene, kontakt lukning efter relæets elektriske parametre overstiger de dårlige.På grund af manglen på elektromagnetisk relæproduktionsproces, mange elektromagnetiske relæsvigt i produktionsprocessen til at lægge kvaliteten af skjulte farer, såsom mekanisk stressaflastningsperiode er for kort, hvilket resulterer i mekanisk struktur efter støbedelene deformation, restfjernelse er ikke udtømt resulterer i PIND-testen mislykkedes eller endda fejl, fabrikstestning og brug af screening er ikke streng, således at fejl på enheden i brug osv.. Påvirkningsmiljøet vil sandsynligvis forårsage plastisk deformation af metalkontakter, hvilket resulterer i relæfejl.Ved design af udstyr, der indeholder relæer, er det nødvendigt at fokusere på miljøpåvirkningens tilpasningsevne, der skal tages i betragtning.
2.2 Halvledermikrobølgekomponenter
Mikrobølgehalvlederenheder er komponenter lavet af Ge, Si og III ~ V sammensatte halvledermaterialer, der fungerer i mikrobølgebåndet.De bruges i elektronisk udstyr såsom radar, elektroniske krigsførelsessystemer og mikrobølgekommunikationssystemer.Emballering af diskrete mikrobølgeanordninger ud over at give elektriske forbindelser og mekanisk og kemisk beskyttelse af kernen og stifterne, bør designet og valget af huset også tage hensyn til indvirkningen af husets parasitære parametre på enhedens mikrobølgetransmissionskarakteristika.Mikrobølgehuset er også en del af kredsløbet, som i sig selv udgør et komplet ind- og udgangskredsløb.Derfor bør formen og strukturen af huset, størrelse, dielektrisk materiale, lederkonfiguration osv. matche komponenternes mikrobølgeegenskaber og kredsløbsapplikationsaspekterne.Disse faktorer bestemmer parametre såsom kapacitans, elektrisk ledningsmodstand, karakteristisk impedans og leder- og dielektriske tab i rørhuset.
Miljørelevante fejltilstande og mekanismer for mikrobølgehalvlederkomponenter omfatter hovedsageligt gate metal vask og nedbrydning af resistive egenskaber.Gate metal synk skyldes den termisk accelererede diffusion af gate metal (Au) til GaAs, så denne fejlmekanisme opstår hovedsageligt under accelererede levetidstests eller ekstrem høj temperatur drift.Hastigheden af gatemetal (Au) diffusion til GaAs er en funktion af diffusionskoefficienten for gate metalmaterialet, temperatur og materialekoncentrationsgradient.For en perfekt gitterstruktur påvirkes enhedens ydeevne ikke af en meget langsom diffusionshastighed ved normale driftstemperaturer, dog kan diffusionshastigheden være betydelig, når partikelgrænserne er store, eller der er mange overfladedefekter.Modstande er almindeligt anvendt i mikrobølge monolitiske integrerede kredsløb til feedback-kredsløb, indstilling af forspændingspunktet for aktive enheder, isolering, strømsyntese eller slutningen af koblingen, der er to strukturer af modstand: metalfilm modstand (TaN, NiCr) og let doterede GaAs tyndt lags modstand.Tests viser, at nedbrydningen af NiCr-resistens forårsaget af fugt er hovedmekanismen for dens fejl.
2.3 Hybride integrerede kredsløb
Traditionelle hybride integrerede kredsløb, i henhold til substratoverfladen af det tykke film-styrebånd, er tyndfilm-styrebåndsprocessen opdelt i to kategorier af tykfilm-hybrid-integrerede kredsløb og tyndfilm-hybrid-integrerede kredsløb: visse små printkort (PCB) kredsløb, på grund af det trykte kredsløb er i form af film i den flade bord overflade til at danne et ledende mønster, også klassificeret som en hybrid integrerede kredsløb.Med fremkomsten af multi-chip-komponenter har dette avancerede hybride integrerede kredsløb, dets unikke flerlags ledningsstruktur og gennemhullede procesteknologi gjort komponenterne til et hybridt integreret kredsløb i en sammenkoblingsstruktur med høj tæthed synonymt med det anvendte substrat. i multi-chip-komponenter og omfatter: tyndfilm flerlags, tyk film flerlag, højtemperatur co-fired, lav temperatur co-fired, silicium-baseret, PCB multilayer substrat osv.
Hybride integrerede kredsløbssvigttilstande i miljøet omfatter hovedsageligt elektrisk åbent kredsløbsfejl forårsaget af substratrevner og svejsesvigt mellem komponenter og tykfilmledere, komponenter og tyndfilmsledere, substrat og hus.Mekanisk påvirkning fra produkttab, termisk chok fra loddeoperation, yderligere spænding forårsaget af ujævnheder i underlagets skævhed, lateral trækspænding fra termisk uoverensstemmelse mellem substrat og metalhus og bindemateriale, mekanisk belastning eller termisk spændingskoncentration forårsaget af indre defekter i substratet, potentiel skade forårsaget af substratboring og substratskæring lokale mikrorevner, fører til sidst til ekstern mekanisk belastning større end den iboende mekaniske styrke af keramisk substrat, som Resultatet er svigt.
Loddestrukturer er modtagelige for gentagne temperaturcykluspåvirkninger, hvilket kan føre til termisk træthed af loddelaget, hvilket resulterer i reduceret bindingsstyrke og øget termisk modstand.For tin-baseret klasse af duktilt loddemateriale, fører rollen som temperaturcyklisk spænding til termisk træthed af loddelaget, fordi den termiske udvidelseskoefficient for de to strukturer, der er forbundet med loddemetal, er inkonsekvent, er loddeformens forskydningsdeformation eller forskydningsdeformation, efter gentagne gange, loddelaget med udmattelsesrevne ekspansion og forlængelse, hvilket i sidste ende fører til udmattelsessvigt af loddelaget.
2.4 Diskrete enheder og integrerede kredsløb
Halvlederdiskrete enheder er opdelt i dioder, bipolære transistorer, MOS-felteffektrør, tyristorer og isolerede gate bipolære transistorer efter brede kategorier.Integrerede kredsløb har en bred vifte af anvendelser og kan opdeles i tre kategorier efter deres funktioner, nemlig digitale integrerede kredsløb, analoge integrerede kredsløb og blandede digital-analoge integrerede kredsløb.
1) Diskrete enheder
Diskrete enheder er af forskellige typer og har deres egen specificitet på grund af deres forskellige funktioner og processer, med betydelige forskelle i fejlydelse.Men som de grundlæggende enheder dannet af halvlederprocesser, er der visse ligheder i deres fejlfysik.De vigtigste fejl relateret til ekstern mekanik og naturligt miljø er termisk nedbrud, dynamisk lavine, spånlodningsfejl og intern ledningsbindingsfejl.
Termisk nedbrydning: Termisk sammenbrud eller sekundært sammenbrud er den vigtigste fejlmekanisme, der påvirker halvlederstrømkomponenter, og det meste af skaden under brug er relateret til det sekundære sammenbrudsfænomen.Sekundær opdeling er opdelt i fremad bias sekundær nedbrydning og omvendt bias sekundær nedbrydning.Førstnævnte er hovedsageligt relateret til enhedens egne termiske egenskaber, såsom enhedens dopingkoncentration, iboende koncentration osv., mens sidstnævnte er relateret til lavinemultiplikationen af bærere i rumladningsområdet (såsom nær solfangeren), både hvoraf altid er ledsaget af koncentrationen af strøm inde i enheden.Ved anvendelsen af sådanne komponenter skal der lægges særlig vægt på termisk beskyttelse og varmeafledning.
Dynamisk lavine: Under dynamisk nedlukning på grund af eksterne eller interne kræfter forårsager det strømstyrede kollisionsioniseringsfænomen, der opstår inde i enheden påvirket af den frie bærerkoncentration, en dynamisk lavine, som kan forekomme i bipolære enheder, dioder og IGBT'er.
Chiploddefejl: Hovedårsagen er, at chippen og loddemetal er forskellige materialer med forskellige termiske udvidelseskoefficienter, så der er en termisk uoverensstemmelse ved høje temperaturer.Derudover øger tilstedeværelsen af loddehulrum enhedens termiske modstand, hvilket gør varmeafledningen værre og danner varme pletter i lokalområdet, hvilket hæver overgangstemperaturen og forårsager temperaturrelaterede fejl, såsom elektromigrering.
Indvendig blybindingsfejl: hovedsageligt korrosionsfejl ved bindingspunktet, udløst af korrosion af aluminium forårsaget af påvirkning af vanddamp, klorelementer osv. i et varmt og fugtigt saltspraymiljø.Træthedsbrud på aluminiumsbindingsledninger forårsaget af temperaturcyklus eller vibrationer.IGBT i modulpakken er stor i størrelse, og hvis den installeres på en forkert måde, er det meget let at forårsage stresskoncentration, hvilket resulterer i udmattelsesbrud på modulets indvendige ledninger.
2) Integreret kredsløb
Fejlmekanismen for integrerede kredsløb og brugen af miljøet har en stor sammenhæng, fugt i et fugtigt miljø, skader genereret af statisk elektricitet eller elektriske overspændinger, for høj brug af teksten og brug af integrerede kredsløb i et strålingsmiljø uden stråling modstandsforstærkning kan også forårsage fejl på enheden.
Interfaceeffekter relateret til aluminium: I de elektroniske enheder med siliciumbaserede materialer er SiO2-lag som en dielektrisk film meget udbredt, og aluminium bruges ofte som materiale til sammenkoblingslinjer, SiO2 og aluminium ved høje temperaturer vil være en kemisk reaktion, således at aluminiumslaget bliver tyndt, vil hvis SiO2-laget tømmes på grund af reaktionsforbrug, forårsage direkte kontakt mellem aluminium og silicium.Derudover vil den guldbelagte ledningstråd og aluminiumsforbindelsesledningen eller aluminiumsbindingstråden og bindingen af den guldbelagte ledningstråd i rørskallen frembringe Au-Al-grænsefladekontakt.På grund af det forskellige kemiske potentiale af disse to metaller, vil efter langvarig brug eller opbevaring ved høje temperaturer over 200 ℃ producere en række intermetalliske forbindelser, og på grund af deres gitterkonstanter og termiske udvidelseskoefficienter er forskellige i bindingspunktet inden for en stor spænding, bliver ledningsevnen lille.
Metalliseringskorrosion: Aluminiumsforbindelsesledningen på chippen er modtagelig for korrosion af vanddamp i et varmt og fugtigt miljø.På grund af prisudligning og let masseproduktion er mange integrerede kredsløb indkapslet med harpiks, men vanddamp kan passere gennem harpiksen for at nå aluminiumforbindelserne, og urenheder, der bringes ind udefra eller opløses i harpiksen, virker sammen med metallisk aluminium for at forårsage korrosion af aluminiumsforbindelserne.
Delamineringseffekten forårsaget af vanddamp: plastik-IC er det integrerede kredsløb indkapslet med plastik og andre harpikspolymermaterialer, ud over delamineringseffekten mellem plastmaterialet og metalrammen og chippen (almindeligvis kendt som "popcorn"-effekten), fordi harpiksmaterialet har egenskaberne ved adsorption af vanddamp, vil delamineringseffekten forårsaget af adsorptionen af vanddamp også få anordningen til at svigte..Fejlmekanisme er den hurtige udvidelse af vand i plastforseglingsmaterialet ved høje temperaturer, således at adskillelsen mellem plasten og dens fastgørelse af andre materialer, og i alvorlige tilfælde vil plastforseglingslegemet briste.
2.5 Kapacitive resistive komponenter
1) Modstande
Almindelige ikke-viklede modstande kan opdeles i fire typer i henhold til de forskellige materialer, der anvendes i modstandslegemet, nemlig legeringstype, filmtype, tykfilmstype og syntetisk type.For faste modstande er de vigtigste fejltilstande åbent kredsløb, elektrisk parameterdrift osv.;mens for potentiometre er de vigtigste fejltilstande åbent kredsløb, elektrisk parameterdrift, støjstigning osv. Brugsmiljøet vil også føre til modstandsældning, hvilket har stor indflydelse på elektronisk udstyrs levetid.
Oxidation: Oxidation af modstandslegemet vil øge modstandsværdien og er den vigtigste faktor, der forårsager ældning af modstanden.Bortset fra modstandslegemer lavet af ædle metaller og legeringer, vil alle andre materialer blive beskadiget af ilt i luften.Oxidation er en langsigtet effekt, og når påvirkningen af andre faktorer gradvist aftager, vil oxidation blive hovedfaktoren, og miljøer med høj temperatur og høj luftfugtighed vil fremskynde oxidationen af modstande.For præcisionsmodstande og modstande med høj modstandsværdi er den grundlæggende foranstaltning for at forhindre oxidation tætningsbeskyttelse.Tætningsmaterialer bør være uorganiske materialer, såsom metal, keramik, glas osv. Det organiske beskyttelseslag kan ikke fuldstændig forhindre fugtgennemtrængelighed og luftgennemtrængelighed og kan kun spille en forsinkende rolle i oxidation og adsorption.
Ældning af bindemidlet: For organiske syntetiske modstande er ældning af det organiske bindemiddel den vigtigste faktor, der påvirker modstandens stabilitet.Det organiske bindemiddel er hovedsageligt en syntetisk harpiks, som omdannes til en højpolymeriseret termohærdende polymer ved varmebehandling under fremstillingsprocessen af modstanden.Den vigtigste faktor, der forårsager polymer aldring, er oxidation.De frie radikaler, der dannes ved oxidation, forårsager hængslingen af polymerens molekylære bindinger, som yderligere hærder polymeren og gør den skør, hvilket resulterer i tab af elasticitet og mekanisk skade.Hærdningen af bindemidlet får modstanden til at krympe i volumen, hvilket øger kontakttrykket mellem de ledende partikler og mindsker kontaktmodstanden, hvilket resulterer i et fald i modstanden, men den mekaniske skade på bindemidlet øger også modstanden.Sædvanligvis sker hærdningen af bindemidlet før, mekanisk skade opstår efter, så modstandsværdien af organiske syntetiske modstande viser følgende mønster: en vis nedgang i begyndelsen af stadiet, vend derefter til stigning, og der er en tendens til stigende.Da ældning af polymerer er tæt forbundet med temperatur og lys, vil syntetiske modstande accelerere ældning under høje temperaturer og stærk lyseksponering.
Ældning under elektrisk belastning: Påføring af en belastning på en modstand vil fremskynde dens ældningsproces.Under DC-belastning kan elektrolytisk virkning beskadige tyndfilmsmodstande.Elektrolyse sker mellem slidserne i en slidsmodstand, og hvis modstandssubstratet er et keramisk eller glasmateriale indeholdende alkalimetalioner, bevæger ionerne sig under påvirkning af det elektriske felt mellem slidserne.I et fugtigt miljø forløber denne proces mere voldsomt.
2) Kondensatorer
Kondensatorernes svigttilstande er kortslutning, åbent kredsløb, nedbrydning af elektriske parametre (herunder ændring af kapacitet, forøgelse af tabsvinkeltangens og fald i isolationsmodstand), væskelækage og blykorrosionsbrud.
Kortslutning: Den flyvende lysbue ved kanten mellem poler ved høj temperatur og lavt lufttryk vil føre til kortslutning af kondensatorer, derudover vil den mekaniske belastning som eksternt stød også forårsage forbigående kortslutning af dielektrikum.
Åbent kredsløb: Oxidation af blytråde og elektrodekontakter forårsaget af fugtigt og varmt miljø, hvilket resulterer i lavt niveau utilgængelighed og korrosionsbrud af anode blyfolie.
Nedbrydning af elektriske parametre: Nedbrydning af elektriske parametre på grund af påvirkning af fugtigt miljø.
2.6 Kort-niveau kredsløb
Trykt kredsløb består hovedsageligt af isolerende substrat, metalledninger og forbinder forskellige lag af ledninger, loddekomponenter "puder".Dens hovedrolle er at levere en bærer til elektroniske komponenter og at spille rollen som elektriske og mekaniske forbindelser.
Fejltilstanden for det trykte kredsløb inkluderer hovedsageligt dårlig lodning, åben og kortslutning, blærer, delaminering af sprængplader, korrosion eller misfarvning af kortets overflade, pladebøjning
Indlægstid: 21. november 2022