U ovom radu se proučavaju načini kvara i mehanizmi kvara elektronskih komponenti i daju se njihova osjetljiva okruženja kako bi se pružila neka referenca za dizajn elektroničkih proizvoda.
1. Tipični načini kvara komponente
Serijski broj
Ime elektronske komponente
Načini kvara u vezi sa okruženjem
Stres okoline
1. Elektromehaničke komponente
Vibracije prouzrokuju zamorni lom namotaja i labavljenje kablova.
Vibracije, šok
2. Poluprovodnički mikrotalasni uređaji
Visoka temperatura i temperaturni šok dovode do raslojavanja na granici između materijala pakovanja i čipa, kao i između materijala pakovanja i interfejsa držača čipa plastikom zapečaćenog mikrotalasnog monolita.
Visoka temperatura, temperaturni šok
3. Hibridna integrirana kola
Udar dovodi do pucanja keramičke podloge, temperaturni šok dovodi do pucanja na kraju elektrode kondenzatora, a cikličke promjene temperature dovode do kvara lema.
Šok, temperaturni ciklus
4. Diskretni uređaji i integrisana kola
Termički kvar, kvar lemljenja čipova, kvar unutrašnjeg povezivanja elektroda, udar koji dovodi do rupture sloja pasivacije.
Visoka temperatura, udar, vibracije
5. Otporne komponente
Puknuće jezgrene podloge, pucanje otpornog filma, lom olova
Šok, visoka i niska temperatura
6. Krug nivoa ploče
Napukli lemni spojevi, izlomljene bakarne rupe.
Visoke temperature
7. Električni vakuum
Zamorni lom vruće žice.
Vibracije
2, analiza mehanizma tipičnog kvara komponente
Način kvara elektronskih komponenti nije pojedinačni, samo reprezentativni dio tipične komponente osjetljive na analizu granice tolerancije okruženja, kako bi se dobio opći zaključak.
2.1 Elektromehaničke komponente
Tipične elektromehaničke komponente uključuju električne konektore, releje, itd. Načini kvara su detaljno analizirani sa strukturom dva tipa komponenti.
1) Električni konektori
Električni konektor preko ljuske, izolatora i kontaktnog tijela tri osnovne jedinice, način kvara je sažet u kvaru kontakta, kvaru izolacije i mehaničkom kvaru tri oblika kvara.Glavni oblik kvara električnog konektora za kvar kontakta, kvar njegove performanse: kontakt na trenutnom prekidu i otpor kontakta se povećava.Za električne konektore, zbog postojanja kontaktnog otpora i otpora materijalnog provodnika, kada struja teče kroz električni konektor, otpor kontakta i otpor provodnika metalnog materijala će generisati džulovu toplotu, džulova toplota će povećati toplotu, što će rezultirati povećanjem temperatura kontaktne tačke, previsoka temperatura kontaktne tačke će dovesti do omekšavanja, topljenja ili čak ključanja kontaktne površine metala, ali i povećanja otpornosti kontakta, što će izazvati kvar kontakta..U ulozi okruženja visoke temperature, kontaktni dijelovi će se pojaviti i fenomen puzanja, zbog čega se kontaktni pritisak između kontaktnih dijelova smanjuje.Kada se kontaktni pritisak smanji do određene mjere, otpor kontakta će se naglo povećati i na kraju uzrokovati loš električni kontakt, što rezultira kvarom kontakta.
S druge strane, električni konektor u skladištenju, transportu i radu bit će podložan raznim opterećenjima vibracijama i udarnim silama, kada će frekvencija pobuđivanja vanjskog vibracijskog opterećenja i električni konektori blizu inherentne frekvencije, dovesti do rezonancije električnog konektora. fenomen, koji rezultira da razmak između kontaktnih dijelova postaje veći, jaz se povećava do određene mjere, kontaktni pritisak će trenutno nestati, što rezultira električnim kontaktom "trenutni prekid".U vibracijama, udarnom opterećenju, električni konektor će generirati unutarnje naprezanje, kada napon premašuje granicu tečenja materijala, dovest će do oštećenja i loma materijala;u ulozi ovog dugotrajnog naprezanja, materijal će također doći do oštećenja od zamora i konačno uzrokovati kvar.
2) Relej
Elektromagnetski releji se uglavnom sastoje od jezgri, namotaja, armatura, kontakata, trska i tako dalje.Sve dok se određeni napon dodaje na oba kraja zavojnice, određena struja će teći u zavojnici, stvarajući tako elektromagnetski efekat, armatura će savladati elektromagnetsku silu privlačenja da bi se vratila na oprugu koja povlači jezgro, što zauzvrat pokreće pokretne kontakte armature i statičke kontakte (normalno otvorene kontakte) da se zatvore.Kada se zavojnica isključi, elektromagnetska usisna sila također nestaje, armatura će se vratiti u prvobitni položaj pod reakcijom sile opruge, tako da pokretni kontakt i originalni statički kontakt (normalno zatvoreni kontakt) usisavaju.Ovo usisava i otpušta, čime se postiže svrha provođenja i prekida u strujnom kolu.
Glavni načini ukupnog kvara elektromagnetnih releja su: relej normalno otvoren, relej normalno zatvoren, relej dinamičko djelovanje opruge ne ispunjava zahtjeve, zatvaranje kontakta nakon što električni parametri releja premaše loše.Zbog nedostatka procesa proizvodnje elektromagnetnih releja, mnogi elektromagnetni releji kvare u proizvodnom procesu kako bi postavili kvalitetu skrivenih opasnosti, kao što je period oslobađanja od mehaničkog naprezanja prekratak što rezultira mehaničkom strukturom nakon deformacije dijelova kalupa, uklanjanje ostataka nije iscrpljeno što rezultira neuspjelim PIND testom ili čak neuspjehom, tvorničko testiranje i korištenje skrininga nije striktno tako da kvar uređaja u upotrebi itd. Udarno okruženje će vjerovatno uzrokovati plastičnu deformaciju metalnih kontakata, što će rezultirati kvarom releja.U dizajnu opreme koja sadrži releje, potrebno je fokusirati se na prilagodljivost okruženja uticaja koje treba uzeti u obzir.
2.2 Poluprovodničke mikrotalasne komponente
Mikrotalasni poluprovodnički uređaji su komponente napravljene od Ge, Si i složenih poluprovodničkih materijala III ~ V koji rade u mikrotalasnom opsegu.Koriste se u elektronskoj opremi kao što su radari, sistemi za elektronsko ratovanje i mikrotalasni komunikacioni sistemi.Pakovanje mikrotalasnog diskretnog uređaja, pored obezbeđivanja električnih priključaka i mehaničke i hemijske zaštite za jezgro i pinove, dizajn i izbor kućišta treba da uzme u obzir i uticaj parazitskih parametara kućišta na karakteristike mikrotalasnog prenosa uređaja.Kućište mikrovalne pećnice je također dio kola, koje samo po sebi čini kompletan ulazni i izlazni krug.Stoga, oblik i struktura kućišta, veličina, dielektrični materijal, konfiguracija provodnika, itd. trebaju odgovarati mikrovalnim karakteristikama komponenti i aspektima primjene kola.Ovi faktori određuju parametre kao što su kapacitivnost, električni otpor vodova, karakteristična impedancija i gubici provodnika i dielektrika kućišta cijevi.
Ekološki relevantni načini kvara i mehanizmi mikrotalasnih poluvodičkih komponenti uglavnom uključuju ponor metala kapije i degradaciju otpornih svojstava.Ponor metala kapije nastaje zbog termički ubrzane difuzije metala kapije (Au) u GaAs, tako da se ovaj mehanizam kvara javlja uglavnom tokom ubrzanih testova vijeka trajanja ili rada na ekstremno visokim temperaturama.Brzina difuzije metala vrata (Au) u GaAs je funkcija koeficijenta difuzije materijala metala vrata, temperature i gradijenta koncentracije materijala.Za savršenu rešetkastu strukturu, na performanse uređaja ne utiče veoma spora brzina difuzije pri normalnim radnim temperaturama, međutim, brzina difuzije može biti značajna kada su granice čestica velike ili ima mnogo površinskih defekata.Otpornici se obično koriste u mikrovalnim monolitnim integriranim kolima za povratna kola, postavljanje točke pristranosti aktivnih uređaja, izolaciju, sintezu snage ili kraj spajanja, postoje dvije strukture otpora: otpornost metalnog filma (TaN, NiCr) i lagano dopirani GaAs otpornost na tanki sloj.Ispitivanja pokazuju da je degradacija NiCr otpornosti uzrokovana vlagom glavni mehanizam njegovog kvara.
2.3 Hibridna integrirana kola
Tradicionalni hibridni integrirani krugovi, prema površini supstrata trake za vođenje debelog filma, proces trake za vođenje tankog filma podijeljen je u dvije kategorije hibridnih integriranih kola debelog filma i hibridnih integriranih kola tankog filma: određeni krug malih tiskanih ploča (PCB), zbog tiskanog kola je u obliku filma na ravnoj površini ploče kako bi se formirao provodljivi uzorak, također klasificiran kao hibridna integrirana kola.Pojavom komponenti s više čipova, ovo napredno hibridno integrirano kolo, njegova jedinstvena struktura višeslojnog ožičenja podloge i procesna tehnologija kroz rupe, učinili su da komponente postanu hibridno integrirano kolo u strukturi interkonekcije visoke gustoće koja je sinonim za korištenu podlogu. u komponentama sa više čipova i uključuju: višeslojne tanke filmove, višeslojne debelog filma, zajedničko pečenje na visokim temperaturama, zajedničko pečenje na niskim temperaturama, na bazi silicija, višeslojne PCB podloge, itd.
Načini kvara hibridnog integriranog kruga pod utjecajem okolišnog stresa uglavnom uključuju prekid električnog kola uzrokovanog pucanjem podloge i kvarom zavarivanja između komponenti i debeloslojnih vodiča, komponenti i tankoslojnih vodiča, supstrata i kućišta.Mehanički udar zbog pada proizvoda, termičkog udara uslijed rada lemljenja, dodatnog naprezanja uzrokovanog neravninama savijanja podloge, bočnog vlačnog naprezanja zbog termičke neusklađenosti između podloge i metalnog kućišta i materijala za vezivanje, mehaničkog naprezanja ili koncentracije termičkog naprezanja uzrokovanog unutarnjim defektima podloge, potencijalnim oštećenjima uzrokovane bušenjem podloge i rezanjem podloge, lokalne mikro pukotine, na kraju dovode do vanjskog mehaničkog naprezanja većeg od inherentne mehaničke čvrstoće keramičke podloge što je rezultat kvara.
Lemne strukture su podložne ponavljanim temperaturnim cikličnim naprezanjima, što može dovesti do termičkog zamora sloja lemljenja, što rezultira smanjenom čvrstoćom vezivanja i povećanom toplotnom otpornošću.Za klasu duktilnog lema na bazi kositra, uloga temperaturnog cikličkog naprezanja dovodi do termičkog zamora sloja lemljenja jer je koeficijent toplinskog širenja dvije strukture spojene lemom nedosljedan, je li deformacija pomaka lema ili posmična deformacija, nakon više puta, sloj lemljenja s proširenjem i proširenjem pukotine od zamora, što na kraju dovodi do kvara sloja lemnog sloja od zamora.
2.4 Diskretni uređaji i integrisana kola
Poluvodički diskretni uređaji su podijeljeni na diode, bipolarne tranzistore, MOS cijevi sa efektom polja, tiristore i bipolarne tranzistore s izolovanim vratima po širokim kategorijama.Integrirani sklopovi imaju širok spektar primjena i mogu se podijeliti u tri kategorije prema svojim funkcijama, a to su digitalna integrirana kola, analogna integrirana kola i mješovita digitalno-analogna integrirana kola.
1) Diskretni uređaji
Diskretni uređaji su različitih tipova i imaju svoju specifičnost zbog različitih funkcija i procesa, sa značajnim razlikama u performansama kvara.Međutim, kao osnovni uređaji formirani poluvodičkim procesima, postoje određene sličnosti u njihovoj fizici kvara.Glavni kvarovi vezani za vanjsku mehaniku i prirodno okruženje su termički slom, dinamička lavina, kvar lemljenja čipova i kvar unutrašnjeg spajanja olova.
Toplotni slom: Toplotni slom ili sekundarni kvar je glavni mehanizam kvara koji utječe na komponente napajanja poluvodiča, a većina oštećenja tijekom upotrebe povezana je s fenomenom sekundarnog kvara.Sekundarni slom podijeljen je na sekundarni slom naprijed i obrnuto.Prvo je uglavnom povezano s vlastitim termičkim svojstvima uređaja, kao što su koncentracija dopinga u uređaju, intrinzična koncentracija, itd., dok se drugo odnosi na lavinsko umnožavanje nosilaca u području prostornog naboja (kao što je u blizini kolektora), oba od kojih su uvijek praćene koncentracijom struje unutar uređaja.Prilikom primjene ovakvih komponenti posebnu pažnju treba obratiti na termičku zaštitu i odvođenje topline.
Dinamička lavina: Tokom dinamičkog isključivanja zbog vanjskih ili unutrašnjih sila, fenomen kolizione jonizacije kontrolirane strujom koji se javlja unutar uređaja pod utjecajem koncentracije slobodnog nosača uzrokuje dinamičku lavinu, koja se može pojaviti u bipolarnim uređajima, diodama i IGBT-ovima.
Kvar lemljenja čipa: Glavni razlog je taj što su čip i lem različiti materijali sa različitim koeficijentima termičkog širenja, tako da postoji termička neusklađenost na visokim temperaturama.Osim toga, prisustvo šupljina za lemljenje povećava toplinsku otpornost uređaja, pogoršavajući disipaciju topline i formirajući vruće tačke u lokalnom području, podižući temperaturu spoja i uzrokujući kvarove povezane s temperaturom kao što je elektromigracija.
Neuspjeh unutrašnjeg povezivanja olova: uglavnom korozijski kvar na mjestu spajanja, izazvan korozijom aluminija uzrokovanom djelovanjem vodene pare, elemenata klora, itd. u vrućem i vlažnom okruženju raspršene soli.Zamorni lom aluminijumskih veznih vodova uzrokovan temperaturnim ciklusom ili vibracijama.IGBT u paketu modula je velikih dimenzija i ako se nepravilno instalira, vrlo je lako izazvati koncentraciju naprezanja, što rezultira zamornim lomom unutrašnjih vodova modula.
2) Integrisano kolo
Mehanizam kvara integriranih kola i korištenje okoline ima veliki odnos, vlaga u vlažnom okruženju, oštećenja nastala statičkim elektricitetom ili električnim udarima, previsoka upotreba teksta i korištenje integriranih kola u radijacijskom okruženju bez zračenja pojačanje otpora također može uzrokovati kvar uređaja.
Efekti sučelja vezani za aluminij: U elektroničkim uređajima s materijalima na bazi silicija, sloj SiO2 kao dielektrični film se široko koristi, a aluminij se često koristi kao materijal za međusobne vodove, SiO2 i aluminij na visokim temperaturama će biti kemijska reakcija, tako da aluminijumski sloj postane tanak, ako se sloj SiO2 iscrpi zbog potrošnje reakcije, to će uzrokovati direktan kontakt između aluminija i silicija.Osim toga, zlatna olovna žica i aluminijski vod za međusobnu vezu ili aluminijska spojna žica i spajanje pozlaćene olovne žice omotača cijevi će proizvesti kontakt Au-Al sučelja.Zbog različitog hemijskog potencijala ova dva metala, nakon dugotrajne upotrebe ili skladištenja na visokim temperaturama iznad 200 ℃ proizvodiće se različita intermetalna jedinjenja, a zbog njihovih konstanti rešetke i koeficijenata termičkog širenja su različiti, u tački vezivanja unutar veliki stres, provodljivost postaje mala.
Korozija metalizacije: Aluminijski spojni vod na čipu je podložan koroziji vodenom parom u vrućem i vlažnom okruženju.Zbog poništavanja cijene i lake masovne proizvodnje, mnoga integrirana kola su inkapsulirana smolom, međutim, vodena para može proći kroz smolu kako bi došla do aluminijskih interkonekata, a nečistoće koje se unose izvana ili su otopljene u smoli djeluju s metalnim aluminijem da izazovu korozija aluminijskih spojeva.
Efekat raslojavanja uzrokovan vodenom parom: plastični IC je integrirani krug obložen plastikom i drugim smolastim polimernim materijalima, pored efekta raslojavanja između plastičnog materijala i metalnog okvira i čipa (poznato kao efekat "kokica"), budući da materijal od smole ima karakteristike adsorpcije vodene pare, efekat delaminacije uzrokovan adsorpcijom vodene pare također će uzrokovati kvar uređaja..Mehanizam kvara je brzo širenje vode u plastičnom zaptivnom materijalu na visokim temperaturama, tako da će se razdvajanje plastike i njenog pričvršćivanja drugih materijala, au ozbiljnim slučajevima, plastično zaptivno tijelo rasprsnuti.
2.5 Kapacitivne otporne komponente
1) Otpornici
Uobičajeni otpornici bez namotaja mogu se podijeliti u četiri tipa prema različitim materijalima koji se koriste u tijelu otpornika, a to su tip legure, tip filma, tip debelog filma i sintetički tip.Za fiksne otpornike, glavni načini kvara su otvoreni krug, odstupanje električnih parametara, itd.;dok su za potenciometre glavni načini kvara otvoreni krug, odstupanje električnih parametara, povećanje buke, itd. Upotrebno okruženje će također dovesti do starenja otpornika, što ima veliki utjecaj na vijek trajanja elektronske opreme.
Oksidacija: Oksidacija tijela otpornika će povećati vrijednost otpora i najvažniji je faktor koji uzrokuje starenje otpornika.Osim tijela otpornika od plemenitih metala i legura, svi ostali materijali će biti oštećeni kisikom u zraku.Oksidacija je dugotrajan efekat, a kada se uticaj drugih faktora postepeno smanji, oksidacija će postati glavni faktor, a visoka temperatura i visoka vlažnost sredine će ubrzati oksidaciju otpornika.Za precizne otpornike i otpornike visoke otpornosti, osnovna mjera za sprječavanje oksidacije je zaštita od brtvljenja.Materijali za brtvljenje trebaju biti neorganski materijali, kao što su metal, keramika, staklo, itd. Organski zaštitni sloj ne može u potpunosti spriječiti propusnost vlage i zraka, i može samo igrati ulogu odlaganja u oksidaciji i adsorpciji.
Starenje veziva: Za organske sintetičke otpornike, starenje organskog veziva je glavni faktor koji utiče na stabilnost otpornika.Organsko vezivo je uglavnom sintetička smola, koja se termičkom obradom tokom procesa proizvodnje otpornika pretvara u visokopolimerizovani termoreaktivni polimer.Glavni faktor koji uzrokuje starenje polimera je oksidacija.Slobodni radikali nastali oksidacijom uzrokuju spajanje molekularnih veza polimera, što dodatno očvršćava polimer i čini ga krhkim, što rezultira gubitkom elastičnosti i mehaničkim oštećenjima.Stvrdnjavanje veziva uzrokuje smanjenje volumena otpornika, povećavajući kontaktni pritisak između provodljivih čestica i smanjujući kontaktni otpor, što rezultira smanjenjem otpora, ali mehaničko oštećenje veziva također povećava otpor.Obično se stvrdnjavanje veziva dešava prije, a mehanička oštećenja nastaju poslije, tako da vrijednost otpora organskih sintetičkih otpornika pokazuje sljedeći obrazac: nešto opada na početku faze, zatim prelazi u povećanje i postoji trend povećanja.Budući da je starenje polimera usko povezano s temperaturom i svjetlošću, sintetički otpornici će ubrzati starenje u okruženju visoke temperature i jakom izlaganju svjetlu.
Starenje pod električnim opterećenjem: Primjena opterećenja na otpornik će ubrzati njegov proces starenja.Pod istosmjernim opterećenjem, elektrolitičko djelovanje može oštetiti tankoslojne otpornike.Elektroliza se događa između proreza otpornika s prorezima, a ako je supstrat otpornika keramički ili stakleni materijal koji sadrži ione alkalnih metala, ioni se kreću pod djelovanjem električnog polja između proreza.U vlažnom okruženju ovaj proces se odvija snažnije.
2) Kondenzatori
Načini kvara kondenzatora su kratki spoj, prekid strujnog kruga, degradacija električnih parametara (uključujući promjenu kapaciteta, povećanje tangente kuta gubitka i smanjenje otpora izolacije), curenje tekućine i lomljenje korozije olova.
Kratki spoj: leteći luk na rubu između polova pri visokoj temperaturi i niskom tlaku zraka dovest će do kratkog spoja kondenzatora, osim toga, mehanički stres kao što je vanjski udar također će uzrokovati prolazni kratki spoj dielektrika.
Otvoreni krug: Oksidacija olovnih žica i kontakata elektroda uzrokovana vlažnim i vrućim okruženjem, što rezultira nedostupnošću niskog nivoa i korozijskim lomljenjem anodne olovne folije.
Degradacija električnih parametara: Degradacija električnih parametara zbog uticaja vlažne sredine.
2.6 Kola na nivou ploče
Štampana ploča je uglavnom sastavljena od izolacione podloge, metalne žice i povezivanja različitih slojeva žica, komponenti za lemljenje "jastučića".Njegova glavna uloga je da obezbedi nosač za elektronske komponente, i da igra ulogu električnih i mehaničkih veza.
Način kvara tiskane ploče uglavnom uključuje loše lemljenje, otvoren i kratak spoj, stvaranje mjehura, pucanje ploče, koroziju ili promjenu boje površine ploče, savijanje ploče
Vrijeme objave: 21.11.2022