Ambiente sensibile e modalità di guasto del guasto dei componenti elettronici

In questo documento vengono studiate le modalità di guasto e i meccanismi di guasto dei componenti elettronici e vengono forniti i loro ambienti sensibili per fornire un riferimento per la progettazione di prodotti elettronici
1. Tipiche modalità di guasto dei componenti
Numero di serie
Nome del componente elettronico
Modalità di guasto legate all'ambiente
Stress ambientale

1. Componenti elettromeccanici
Le vibrazioni provocano la rottura per fatica delle bobine e l'allentamento dei cavi.
Vibrazione, scossa

2. Dispositivi a microonde a semiconduttore
L'alta temperatura e lo shock termico portano alla delaminazione all'interfaccia tra il materiale della confezione e il chip e tra il materiale della confezione e l'interfaccia del portachip del monolite a microonde sigillato in plastica.
Alta temperatura, shock termico

3. Circuiti integrati ibridi
Lo shock porta alla rottura del substrato ceramico, lo shock termico porta alla rottura dell'elettrodo terminale del condensatore e il ciclo di temperatura porta al fallimento della saldatura.
Shock, ciclo di temperatura

4. Dispositivi discreti e circuiti integrati
Guasto termico, fallimento della saldatura del chip, fallimento del legame del conduttore interno, shock che porta alla rottura dello strato di passivazione.
Alta temperatura, urti, vibrazioni

5. Componenti resistivi
Rottura del substrato del nucleo, rottura del film resistivo, rottura del piombo
Shock, alta e bassa temperatura

6. Circuito a livello di scheda
Giunti di saldatura incrinati, fori di rame fratturati.
Alta temperatura

7. Aspiratore elettrico
Frattura da fatica del filo caldo.
Vibrazione
2, analisi del meccanismo di guasto dei componenti tipici
La modalità di guasto dei componenti elettronici non è una singola, solo una parte rappresentativa dell'analisi del limite di tolleranza dell'ambiente sensibile dei componenti tipici, al fine di ottenere una conclusione più generale.
2.1 Componenti elettromeccanici
Tipici componenti elettromeccanici includono connettori elettrici, relè, ecc. Le modalità di guasto vengono analizzate in profondità rispettivamente con la struttura dei due tipi di componenti.

1) Connettori elettrici
Connettore elettrico dal guscio, isolante e corpo di contatto delle tre unità di base, la modalità di guasto è riassunta nel guasto del contatto, guasto dell'isolamento e guasto meccanico delle tre forme di guasto.La principale forma di guasto del connettore elettrico per il guasto del contatto, il fallimento delle sue prestazioni: contatto sull'interruzione istantanea e aumento della resistenza di contatto.Per i connettori elettrici, a causa dell'esistenza della resistenza di contatto e della resistenza del conduttore del materiale, quando c'è flusso di corrente attraverso il connettore elettrico, la resistenza di contatto e la resistenza del conduttore del materiale metallico genereranno calore Joule, il calore Joule aumenterà il calore, con conseguente aumento della temperatura del punto di contatto, una temperatura del punto di contatto troppo elevata farà rammollire, fondere o addirittura bollire la superficie di contatto del metallo, ma aumenterà anche la resistenza di contatto, provocando così un guasto del contatto..Nel ruolo dell'ambiente ad alta temperatura, le parti di contatto appariranno anche fenomeni di scorrimento, facendo diminuire la pressione di contatto tra le parti di contatto.Quando la pressione di contatto viene ridotta in una certa misura, la resistenza di contatto aumenterà bruscamente e alla fine causerà uno scarso contatto elettrico, con conseguente guasto del contatto.

D'altra parte, il connettore elettrico durante lo stoccaggio, il trasporto e il lavoro sarà soggetto a una varietà di carichi di vibrazione e forze di impatto, quando la frequenza di eccitazione del carico di vibrazione esterna e i connettori elettrici vicini alla frequenza intrinseca, renderanno la risonanza del connettore elettrico fenomeno, con conseguente aumento dello spazio tra i pezzi di contatto, lo spazio aumenta in una certa misura, la pressione di contatto scomparirà istantaneamente, con conseguente "rottura istantanea" del contatto elettrico.Nella vibrazione, carico d'urto, il connettore elettrico genererà stress interno, quando lo stress supera la resistenza allo snervamento del materiale, causerà danni e fratture al materiale;nel ruolo di questo stress a lungo termine, il materiale subirà anche danni da fatica e infine causerà guasti.

2) Relè
I relè elettromagnetici sono generalmente composti da nuclei, bobine, armature, contatti, lamelle e così via.Finché una certa tensione viene aggiunta ad entrambe le estremità della bobina, una certa corrente scorrerà nella bobina, producendo così un effetto elettromagnetico, l'armatura supererà la forza di attrazione elettromagnetica per tornare alla trazione della molla al nucleo, che a sua volta comanda la chiusura dei contatti mobili dell'armatura e dei contatti statici (contatti normalmente aperti).Quando la bobina viene spenta, scompare anche la forza di aspirazione elettromagnetica, l'armatura tornerà nella posizione originale sotto la forza di reazione della molla, in modo che il contatto mobile e il contatto statico originale (contatto normalmente chiuso) aspirino.Questa aspirazione e rilascio, raggiungendo così lo scopo di conduzione e interruzione nel circuito.
Le principali modalità di guasto generale dei relè elettromagnetici sono: relè normalmente aperto, relè normalmente chiuso, l'azione dinamica della molla del relè non soddisfa i requisiti, chiusura del contatto dopo che i parametri elettrici del relè superano i poveri.A causa della carenza del processo di produzione del relè elettromagnetico, molti guasti del relè elettromagnetico nel processo di produzione per porre la qualità dei pericoli nascosti, come il periodo di distensione meccanica è troppo breve con conseguente struttura meccanica dopo la deformazione delle parti di stampaggio, la rimozione dei residui non è esaurita con conseguente test PIND fallito o addirittura guasto, test di fabbrica e uso della schermatura non è rigoroso in modo che il guasto del dispositivo in uso, ecc. È probabile che l'ambiente di impatto causi la deformazione plastica dei contatti metallici, con conseguente guasto del relè.Nella progettazione di apparecchiature contenenti relè, è necessario concentrarsi sull'adattabilità dell'ambiente di impatto da considerare.

2.2 Componenti a microonde a semiconduttore
I dispositivi semiconduttori a microonde sono componenti realizzati con materiali semiconduttori composti Ge, Si e III ~ V che operano nella banda delle microonde.Sono utilizzati in apparecchiature elettroniche come radar, sistemi di guerra elettronica e sistemi di comunicazione a microonde.Oltre a fornire collegamenti elettrici e protezione meccanica e chimica per il nucleo e i perni, l'imballaggio del dispositivo a microonde discreto, la progettazione e la selezione dell'alloggiamento dovrebbero anche considerare l'impatto dei parametri parassiti dell'alloggiamento sulle caratteristiche di trasmissione a microonde del dispositivo.Anche l'alloggiamento del microonde fa parte del circuito, che a sua volta costituisce un circuito completo di ingresso e uscita.Pertanto, la forma e la struttura dell'alloggiamento, le dimensioni, il materiale dielettrico, la configurazione del conduttore, ecc. devono corrispondere alle caratteristiche a microonde dei componenti e agli aspetti applicativi del circuito.Questi fattori determinano parametri come la capacità, la resistenza dei conduttori elettrici, l'impedenza caratteristica e le perdite del conduttore e del dielettrico dell'alloggiamento del tubo.

Le modalità e i meccanismi di guasto rilevanti dal punto di vista ambientale dei componenti dei semiconduttori a microonde includono principalmente il dissipatore di metallo del gate e il degrado delle proprietà resistive.Il dissipatore di metallo del gate è dovuto alla diffusione termicamente accelerata del metallo del gate (Au) in GaAs, quindi questo meccanismo di guasto si verifica principalmente durante i test di vita accelerati o il funzionamento a temperature estremamente elevate.La velocità di diffusione del metallo di gate (Au) in GaAs è una funzione del coefficiente di diffusione del materiale metallico di gate, della temperatura e del gradiente di concentrazione del materiale.Per una struttura reticolare perfetta, le prestazioni del dispositivo non sono influenzate da una velocità di diffusione molto lenta alle normali temperature operative, tuttavia, la velocità di diffusione può essere significativa quando i confini delle particelle sono ampi o sono presenti molti difetti superficiali.I resistori sono comunemente usati nei circuiti integrati monolitici a microonde per i circuiti di retroazione, impostando il punto di polarizzazione dei dispositivi attivi, l'isolamento, la sintesi di potenza o la fine dell'accoppiamento, ci sono due strutture di resistenza: resistenza a film metallico (TaN, NiCr) e GaAs leggermente drogato resistenza dello strato sottile.I test dimostrano che il degrado della resistenza del NiCr causato dall'umidità è il principale meccanismo del suo cedimento.

2.3 Circuiti integrati ibridi
Circuiti integrati ibridi tradizionali, in base alla superficie del substrato del nastro guida a film spesso, il processo del nastro guida a film sottile è suddiviso in due categorie di circuiti integrati ibridi a film spesso e circuiti integrati ibridi a film sottile: alcuni piccoli circuiti stampati (PCB), a causa del circuito stampato è sotto forma di pellicola nella superficie della scheda piatta per formare un modello conduttivo, classificato anche come circuiti integrati ibridi.Con l'emergere di componenti multi-chip, questo circuito integrato ibrido avanzato, la sua struttura di cablaggio multistrato unica nel suo substrato e la tecnologia di processo a foro passante, ha fatto diventare i componenti un circuito integrato ibrido in una struttura di interconnessione ad alta densità sinonimo del substrato utilizzato in componenti multi-chip e includono: multistrato a film sottile, multistrato a film spesso, co-cottura ad alta temperatura, co-cottura a bassa temperatura, a base di silicio, substrato multistrato PCB, ecc..

Le modalità di guasto da stress ambientale del circuito integrato ibrido includono principalmente il guasto del circuito aperto elettrico causato dalla rottura del substrato e dalla rottura della saldatura tra componenti e conduttori a film spesso, componenti e conduttori a film sottile, substrato e alloggiamento.Impatto meccanico dovuto alla caduta del prodotto, shock termico dovuto all'operazione di saldatura, sollecitazione aggiuntiva causata dall'irregolarità della deformazione del substrato, sollecitazione di trazione laterale dovuta alla mancata corrispondenza termica tra il substrato e l'alloggiamento metallico e il materiale legante, sollecitazione meccanica o concentrazione di sollecitazioni termiche causata da difetti interni del substrato, potenziale danno causati dalla perforazione del substrato e dal taglio del substrato di micro crepe locali, alla fine portano a sollecitazioni meccaniche esterne superiori alla resistenza meccanica intrinseca del substrato ceramico che Il risultato è il fallimento.

Le strutture di saldatura sono suscettibili a sollecitazioni cicliche di temperatura ripetute, che possono portare all'affaticamento termico dello strato di saldatura, con conseguente riduzione della forza di adesione e aumento della resistenza termica.Per la classe di saldatura duttile a base di stagno, il ruolo dello stress ciclico della temperatura porta alla fatica termica dello strato di saldatura è dovuto al fatto che il coefficiente di dilatazione termica delle due strutture collegate dalla saldatura è incoerente, è la deformazione di spostamento della saldatura o la deformazione di taglio, dopo ripetutamente, lo strato di saldatura con espansione ed estensione della crepa per fatica, che alla fine porta al cedimento per fatica dello strato di saldatura.
2.4 Dispositivi discreti e circuiti integrati
I dispositivi discreti a semiconduttore sono suddivisi in diodi, transistor bipolari, tubi ad effetto di campo MOS, tiristori e transistor bipolari a gate isolato per ampie categorie.I circuiti integrati hanno una vasta gamma di applicazioni e possono essere suddivisi in tre categorie in base alle loro funzioni, ovvero circuiti integrati digitali, circuiti integrati analogici e circuiti integrati misti digitale-analogico.

1) Dispositivi discreti
I dispositivi discreti sono di vario tipo e hanno una loro specificità dovuta alle loro diverse funzioni e processi, con differenze significative nelle prestazioni in caso di guasto.Tuttavia, come i dispositivi di base formati da processi a semiconduttore, ci sono alcune somiglianze nella loro fisica dei guasti.I principali guasti legati alla meccanica esterna e all'ambiente naturale sono la rottura termica, la valanga dinamica, il fallimento della saldatura del chip e il fallimento dell'incollaggio del piombo interno.

Guasto termico: il guasto termico o guasto secondario è il principale meccanismo di guasto che colpisce i componenti di potenza dei semiconduttori e la maggior parte dei danni durante l'uso è correlata al fenomeno del guasto secondario.La ripartizione secondaria è suddivisa in ripartizione secondaria con polarizzazione diretta e ripartizione secondaria con polarizzazione inversa.Il primo è principalmente correlato alle proprietà termiche proprie del dispositivo, come la concentrazione di drogaggio del dispositivo, la concentrazione intrinseca, ecc., mentre il secondo è correlato alla moltiplicazione a valanga dei portatori nella regione di carica spaziale (come vicino al collettore), entrambi dei quali sono sempre accompagnati dalla concentrazione di corrente all'interno del dispositivo.Nell'applicazione di tali componenti, è necessario prestare particolare attenzione alla protezione termica e alla dissipazione del calore.

Valanga dinamica: durante lo spegnimento dinamico dovuto a forze esterne o interne, il fenomeno di ionizzazione collisionale controllata dalla corrente che si verifica all'interno del dispositivo influenzato dalla concentrazione di portatori liberi provoca una valanga dinamica, che può verificarsi in dispositivi bipolari, diodi e IGBT.

Guasto della saldatura del chip: il motivo principale è che il chip e la saldatura sono materiali diversi con diversi coefficienti di espansione termica, quindi c'è una discrepanza termica alle alte temperature.Inoltre, la presenza di vuoti di saldatura aumenta la resistenza termica del dispositivo, peggiorando la dissipazione del calore e formando punti caldi nell'area locale, aumentando la temperatura di giunzione e provocando guasti legati alla temperatura come l'elettromigrazione.

Guasto dell'incollaggio del piombo interno: principalmente cedimento per corrosione nel punto di incollaggio, innescato dalla corrosione dell'alluminio causata dall'azione di vapore acqueo, elementi di cloro, ecc. in un ambiente di nebbia salina calda e umida.Frattura da fatica dei conduttori di incollaggio in alluminio causata da cicli di temperatura o vibrazioni.L'IGBT nel pacchetto del modulo è di grandi dimensioni e, se installato in modo improprio, è molto facile causare una concentrazione di sollecitazioni, con conseguente rottura per fatica dei conduttori interni del modulo.

2) Circuito integrato
Il meccanismo di guasto dei circuiti integrati e l'uso dell'ambiente ha una grande relazione, umidità in un ambiente umido, danni generati da elettricità statica o sovratensioni elettriche, uso troppo elevato del testo e l'uso di circuiti integrati in un ambiente di radiazione senza radiazioni il rinforzo della resistenza può anche causare il guasto del dispositivo.

Effetti di interfaccia relativi all'alluminio: nei dispositivi elettronici con materiali a base di silicio, lo strato di SiO2 come film dielettrico è ampiamente utilizzato e l'alluminio è spesso utilizzato come materiale per linee di interconnessione, SiO2 e alluminio ad alte temperature saranno una reazione chimica, in modo che lo strato di alluminio diventi sottile, se lo strato di SiO2 si esaurisce a causa del consumo di reazione, causerà il contatto diretto tra alluminio e silicio.Inoltre, il filo di piombo dorato e la linea di interconnessione in alluminio o il filo di collegamento in alluminio e il collegamento del filo di piombo placcato in oro dell'involucro del tubo produrranno un contatto di interfaccia Au-Al.A causa del diverso potenziale chimico di questi due metalli, dopo l'uso a lungo termine o lo stoccaggio a temperature elevate superiori a 200 ℃ produrranno una varietà di composti intermetallici e, a causa delle loro costanti reticolari e coefficienti di espansione termica sono diversi, nel punto di legame all'interno una grande sollecitazione, la conduttività diventa piccola.

Corrosione da metallizzazione: la linea di connessione in alluminio sul chip è suscettibile alla corrosione da parte del vapore acqueo in un ambiente caldo e umido.A causa del prezzo compensato e della facile produzione di massa, molti circuiti integrati sono incapsulati con resina, tuttavia, il vapore acqueo può passare attraverso la resina per raggiungere le interconnessioni in alluminio e le impurità portate dall'esterno o disciolte nella resina agiscono con l'alluminio metallico per causare corrosione delle interconnessioni in alluminio.

L'effetto di delaminazione causato dal vapore acqueo: l'IC di plastica è il circuito integrato incapsulato con plastica e altri materiali polimerici di resina, oltre all'effetto di delaminazione tra il materiale plastico e il telaio e il chip metallici (comunemente noto come effetto "popcorn"), poiché il materiale in resina ha le caratteristiche di adsorbimento del vapore acqueo, anche l'effetto di delaminazione causato dall'adsorbimento del vapore acqueo causerà il guasto del dispositivo..Il meccanismo di guasto è la rapida espansione dell'acqua nel materiale di tenuta in plastica ad alte temperature, in modo che la separazione tra la plastica e il suo attaccamento di altri materiali e, nei casi più gravi, il corpo di tenuta in plastica scoppi.

2.5 Componenti resistivi capacitivi
1) Resistenze
I comuni resistori senza avvolgimento possono essere suddivisi in quattro tipi in base ai diversi materiali utilizzati nel corpo del resistore, ovvero tipo in lega, tipo a film, tipo a film spesso e tipo sintetico.Per i resistori fissi, le principali modalità di guasto sono circuito aperto, deriva dei parametri elettrici, ecc.;mentre per i potenziometri, le principali modalità di guasto sono circuito aperto, deriva dei parametri elettrici, aumento del rumore, ecc. L'ambiente di utilizzo porterà anche all'invecchiamento del resistore, che ha un grande impatto sulla vita delle apparecchiature elettroniche.

Ossidazione: l'ossidazione del corpo del resistore aumenterà il valore della resistenza ed è il fattore più importante che causa l'invecchiamento del resistore.Fatta eccezione per i corpi dei resistori in metalli preziosi e leghe, tutti gli altri materiali saranno danneggiati dall'ossigeno presente nell'aria.L'ossidazione è un effetto a lungo termine e quando l'influenza di altri fattori diminuisce gradualmente, l'ossidazione diventerà il fattore principale e gli ambienti ad alta temperatura e alta umidità accelereranno l'ossidazione dei resistori.Per resistori di precisione e resistori ad alto valore di resistenza, la misura fondamentale per prevenire l'ossidazione è la protezione della tenuta.I materiali di tenuta devono essere materiali inorganici, come metallo, ceramica, vetro, ecc. Lo strato protettivo organico non può impedire completamente la permeabilità all'umidità e all'aria e può svolgere solo un ruolo ritardante nell'ossidazione e nell'adsorbimento.

Invecchiamento del legante: per i resistori sintetici organici, l'invecchiamento del legante organico è il principale fattore che influenza la stabilità del resistore.Il legante organico è principalmente una resina sintetica, che viene trasformata in un polimero termoindurente altamente polimerizzato mediante trattamento termico durante il processo di fabbricazione del resistore.Il fattore principale che causa l'invecchiamento del polimero è l'ossidazione.I radicali liberi generati dall'ossidazione provocano l'incernieramento dei legami molecolari del polimero, che indurisce ulteriormente il polimero e lo rende fragile, con conseguente perdita di elasticità e danni meccanici.L'indurimento del legante fa sì che il resistore si riduca di volume, aumentando la pressione di contatto tra le particelle conduttive e diminuendo la resistenza di contatto, con conseguente diminuzione della resistenza, ma anche il danno meccanico al legante aumenta la resistenza.Di solito l'indurimento del legante avviene prima, il danno meccanico si verifica dopo, quindi il valore di resistenza dei resistori sintetici organici mostra il seguente schema: un certo calo all'inizio della fase, poi si trasforma in aumento e c'è una tendenza all'aumento.Poiché l'invecchiamento dei polimeri è strettamente correlato alla temperatura e alla luce, i resistori sintetici accelereranno l'invecchiamento in ambienti ad alta temperatura e una forte esposizione alla luce.

Invecchiamento sotto carico elettrico: l'applicazione di un carico a un resistore ne accelera il processo di invecchiamento.Sotto carico CC, l'azione elettrolitica può danneggiare i resistori a film sottile.L'elettrolisi si verifica tra le fessure di un resistore scanalato e se il substrato del resistore è un materiale ceramico o di vetro contenente ioni di metalli alcalini, gli ioni si muovono sotto l'azione del campo elettrico tra le fessure.In un ambiente umido, questo processo procede più violentemente.

2) Condensatori
Le modalità di guasto dei condensatori sono cortocircuito, circuito aperto, degrado dei parametri elettrici (incluso cambio di capacità, aumento della tangente dell'angolo di perdita e diminuzione della resistenza di isolamento), perdita di liquido e rottura per corrosione del piombo.

Cortocircuito: l'arco volante al bordo tra i poli ad alta temperatura e bassa pressione dell'aria provocherà un cortocircuito dei condensatori, inoltre, lo stress meccanico come lo shock esterno causerà anche un cortocircuito transitorio del dielettrico.

Circuito aperto: ossidazione dei fili conduttori e dei contatti degli elettrodi causata da un ambiente umido e caldo, con conseguente inaccessibilità di basso livello e rottura per corrosione della lamina di piombo dell'anodo.
Degrado dei parametri elettrici: Degrado dei parametri elettrici dovuto all'influenza dell'ambiente umido.

2.6 Circuiti a livello di scheda
Il circuito stampato è composto principalmente da substrato isolante, cablaggio metallico e collegamento di diversi strati di fili, componenti di saldatura "pad".Il suo ruolo principale è fornire un supporto per componenti elettronici e svolgere il ruolo di collegamenti elettrici e meccanici.

La modalità di guasto del circuito stampato include principalmente saldature scadenti, circuito aperto e cortocircuito, formazione di vesciche, delaminazione della scheda scoppiata, corrosione o scolorimento della superficie della scheda, piegatura della scheda