Neste artigo, os modos de falha e mecanismos de falha de componentes eletrônicos são estudados e seus ambientes sensíveis são fornecidos para fornecer alguma referência para o projeto de produtos eletrônicos.
1. Modos típicos de falha de componentes
Número de série
Nome do componente eletrônico
Modos de falha relacionados ao ambiente
Estresse ambiental
1. Componentes eletromecânicos
A vibração causa a quebra por fadiga das bobinas e o afrouxamento dos cabos.
vibração, choque
2. Dispositivos de micro-ondas semicondutores
Alta temperatura e choque de temperatura levam à delaminação na interface entre o material da embalagem e o chip, e entre o material da embalagem e a interface do porta-chips do monólito de micro-ondas selado com plástico.
Alta temperatura, choque de temperatura
3. Circuitos integrados híbridos
O choque leva à quebra do substrato cerâmico, o choque de temperatura leva à quebra do eletrodo final do capacitor e o ciclo de temperatura leva à falha da solda.
Choque, ciclo de temperatura
4. Dispositivos Discretos e Circuitos Integrados
Quebra térmica, falha na solda do chip, falha na ligação do condutor interno, choque levando à ruptura da camada de passivação.
Alta temperatura, choque, vibração
5. Componentes resistivos
Ruptura do substrato do núcleo, ruptura do filme resistivo, quebra do chumbo
Choque, alta e baixa temperatura
6. Circuito de nível de placa
Juntas de solda rachadas, orifícios de cobre fraturados.
Temperatura alta
7. Vácuo elétrico
Fratura por fadiga de fio quente.
Vibração
2, análise típica do mecanismo de falha do componente
O modo de falha de componentes eletrônicos não é um único, apenas uma parte representativa da análise de limite de tolerância de ambiente sensível de componentes típicos, a fim de obter uma conclusão mais geral.
2.1 Componentes eletromecânicos
Componentes eletromecânicos típicos incluem conectores elétricos, relés, etc. Os modos de falha são analisados em profundidade com a estrutura dos dois tipos de componentes, respectivamente.
1) Conectores elétricos
Conector elétrico pelo invólucro, isolador e corpo de contato das três unidades básicas, o modo de falha é resumido na falha de contato, falha de isolamento e falha mecânica das três formas de falha.A principal forma de falha do conector elétrico para a falha de contato, a falha de seu desempenho: contato na quebra instantânea e aumentos de resistência de contato.Para conectores elétricos, devido à existência de resistência de contato e resistência do condutor do material, quando houver fluxo de corrente através do conector elétrico, a resistência do contato e a resistência do condutor do material metálico gerarão calor Joule, o calor Joule aumentará o calor, resultando em um aumento no temperatura do ponto de contato, uma temperatura muito alta do ponto de contato fará com que a superfície de contato do metal amoleça, derreta ou mesmo ferva, mas também aumente a resistência de contato, provocando falha de contato..No papel do ambiente de alta temperatura, as partes de contato também aparecerão fenômeno de fluência, fazendo com que a pressão de contato entre as partes de contato diminua.Quando a pressão de contato é reduzida até certo ponto, a resistência de contato aumenta drasticamente e, finalmente, causa um contato elétrico ruim, resultando em falha de contato.
Por outro lado, o conector elétrico em armazenamento, transporte e trabalho, estará sujeito a uma variedade de cargas de vibração e forças de impacto, quando a frequência de excitação da carga de vibração externa e os conectores elétricos próximos à frequência inerente, farão a ressonância do conector elétrico fenômeno, resultando na lacuna entre as peças de contato tornam-se maiores, a lacuna aumenta até certo ponto, a pressão de contato desaparecerá instantaneamente, resultando em contato elétrico "quebra instantânea".Na vibração, carga de choque, o conector elétrico gerará estresse interno, quando o estresse exceder a resistência ao escoamento do material, fará com que o material seja danificado e fraturado;no papel desse estresse de longo prazo, o material também ocorrerá danos por fadiga e, finalmente, causará falha.
2) Relé
Os relés eletromagnéticos são geralmente compostos de núcleos, bobinas, armaduras, contatos, palhetas e assim por diante.Contanto que uma certa tensão seja adicionada a ambas as extremidades da bobina, uma certa corrente fluirá na bobina, produzindo assim um efeito eletromagnético, a armadura superará a força eletromagnética de atração para retornar à tração da mola para o núcleo, o que por sua vez, faz com que os contatos móveis e estáticos da armadura (contatos normalmente abertos) se fechem.Quando a bobina é desligada, a força de sucção eletromagnética também desaparece, a armadura retornará à posição original sob a força de reação da mola, de modo que o contato móvel e o contato estático original (contato normalmente fechado) sugam.Essa sucção e liberação, alcançando assim a finalidade de condução e corte no circuito.
Os principais modos de falha geral dos relés eletromagnéticos são: relé normalmente aberto, relé normalmente fechado, ação dinâmica da mola do relé não atende aos requisitos, fechamento do contato após os parâmetros elétricos do relé excederem os fracos.Devido à escassez do processo de produção de relés eletromagnéticos, muitas falhas de relés eletromagnéticos no processo de produção para estabelecer a qualidade de perigos ocultos, como o período de alívio de estresse mecânico, é muito curta, resultando em estrutura mecânica após a deformação das peças de moldagem, a remoção de resíduos não é esgotada resultando em falha no teste PIND ou mesmo falha, teste de fábrica e uso de triagem não é rigoroso para que a falha do dispositivo em uso, etc. O ambiente de impacto provavelmente cause deformação plástica de contatos de metal, resultando em falha do relé.No projeto de equipamentos contendo relés, é necessário focar na adaptabilidade do ambiente de impacto a considerar.
2.2 Componentes semicondutores de micro-ondas
Dispositivos semicondutores de microondas são componentes feitos de materiais semicondutores compostos de Ge, Si e III ~ V que operam na banda de microondas.Eles são usados em equipamentos eletrônicos como radares, sistemas de guerra eletrônica e sistemas de comunicação por micro-ondas.A embalagem do dispositivo discreto de micro-ondas, além de fornecer conexões elétricas e proteção mecânica e química para o núcleo e os pinos, o design e a seleção do invólucro também devem considerar o impacto dos parâmetros parasitas do invólucro nas características de transmissão de micro-ondas do dispositivo.O invólucro de micro-ondas também faz parte do circuito, que constitui um circuito completo de entrada e saída.Portanto, a forma e estrutura do invólucro, tamanho, material dielétrico, configuração do condutor, etc. devem corresponder às características de micro-ondas dos componentes e aspectos de aplicação do circuito.Esses fatores determinam parâmetros como capacitância, resistência do condutor elétrico, impedância característica e perdas dielétricas e do condutor do invólucro do tubo.
Modos de falha ambientalmente relevantes e mecanismos de componentes semicondutores de micro-ondas incluem principalmente o coletor de metal do portão e a degradação das propriedades resistivas.O dissipador de metal do portão é devido à difusão termicamente acelerada do metal do portão (Au) em GaAs, portanto, esse mecanismo de falha ocorre principalmente durante testes de vida acelerada ou operação em temperatura extremamente alta.A taxa de difusão de metal de porta (Au) em GaAs é uma função do coeficiente de difusão do material de metal de porta, temperatura e gradiente de concentração de material.Para uma estrutura de rede perfeita, o desempenho do dispositivo não é afetado por uma taxa de difusão muito lenta em temperaturas operacionais normais; no entanto, a taxa de difusão pode ser significativa quando os limites das partículas são grandes ou há muitos defeitos na superfície.Resistores são comumente usados em circuitos integrados monolíticos de micro-ondas para circuitos de realimentação, ajuste do ponto de polarização de dispositivos ativos, isolação, síntese de potência ou final de acoplamento, existem duas estruturas de resistência: resistência de filme metálico (TaN, NiCr) e GaAs levemente dopados resistência de camada fina.Testes mostram que a degradação da resistência do NiCr causada pela umidade é o principal mecanismo de sua falha.
2.3 Circuitos integrados híbridos
Circuitos integrados híbridos tradicionais, de acordo com a superfície do substrato da fita guia de filme grosso, o processo de fita guia de filme fino é dividido em duas categorias de circuitos integrados híbridos de filme grosso e circuitos integrados híbridos de filme fino: certos circuitos de pequena placa de circuito impresso (PCB), devido ao circuito impresso está na forma de filme na superfície da placa plana para formar um padrão condutor, também classificado como circuitos integrados híbridos.Com o surgimento de componentes multi-chip, este circuito integrado híbrido avançado, sua estrutura de fiação multicamada exclusiva de substrato e tecnologia de processo through-hole, fez com que os componentes se tornassem um circuito integrado híbrido em uma estrutura de interconexão de alta densidade, sinônimo do substrato usado em componentes multi-chip e incluem: multicamadas de filme fino, multicamadas de filme espesso, co-queima de alta temperatura, co-cozimento de baixa temperatura, à base de silício, substrato multicamada de PCB, etc.
Os modos de falha de estresse ambiental de circuito integrado híbrido incluem principalmente falha elétrica de circuito aberto causada por rachaduras de substrato e falha de soldagem entre componentes e condutores de filme espesso, componentes e condutores de filme fino, substrato e carcaça.Impacto mecânico da queda do produto, choque térmico da operação de soldagem, estresse adicional causado pela irregularidade do empenamento do substrato, estresse de tração lateral devido à incompatibilidade térmica entre o substrato e o invólucro de metal e o material de ligação, estresse mecânico ou concentração de estresse térmico causado por defeitos internos do substrato, dano potencial causada pela perfuração do substrato e microfissuras locais de corte do substrato, eventualmente levam a uma tensão mecânica externa maior do que a resistência mecânica inerente do substrato cerâmico que O resultado é a falha.
As estruturas de solda são suscetíveis a tensões repetidas de ciclos de temperatura, o que pode levar à fadiga térmica da camada de solda, resultando em resistência de ligação reduzida e resistência térmica aumentada.Para a classe de solda dúctil à base de estanho, o papel da tensão cíclica de temperatura leva à fadiga térmica da camada de solda devido ao coeficiente de expansão térmica das duas estruturas conectadas pela solda é inconsistente, é a deformação de deslocamento de solda ou deformação de cisalhamento, após repetidamente, a camada de solda com expansão e extensão de trinca de fadiga, eventualmente levando à falha por fadiga da camada de solda.
2.4 Dispositivos discretos e circuitos integrados
Dispositivos discretos semicondutores são divididos em diodos, transistores bipolares, tubos de efeito de campo MOS, tiristores e transistores bipolares de porta isolada por categorias amplas.Os circuitos integrados têm uma ampla gama de aplicações e podem ser divididos em três categorias de acordo com suas funções, ou seja, circuitos integrados digitais, circuitos integrados analógicos e circuitos integrados analógico-digitais mistos.
1) Dispositivos discretos
Os dispositivos discretos são de vários tipos e possuem especificidade própria devido às suas diferentes funções e processos, com diferenças significativas no desempenho em caso de falha.No entanto, como os dispositivos básicos formados por processos semicondutores, existem certas semelhanças em sua física de falha.As principais falhas relacionadas à mecânica externa e ao ambiente natural são quebra térmica, avalanche dinâmica, falha de solda de chip e falha de ligação interna de chumbo.
Quebra térmica: A quebra térmica ou quebra secundária é o principal mecanismo de falha que afeta os componentes de energia do semicondutor, e a maior parte dos danos durante o uso está relacionada ao fenômeno de quebra secundária.A quebra secundária é dividida em quebra secundária de polarização direta e quebra secundária de polarização reversa.O primeiro está relacionado principalmente com as próprias propriedades térmicas do dispositivo, como concentração de dopagem do dispositivo, concentração intrínseca, etc. dos quais são sempre acompanhados pela concentração de corrente dentro do dispositivo.Na aplicação de tais componentes, atenção especial deve ser dada à proteção térmica e à dissipação de calor.
Avalanche dinâmica: Durante o desligamento dinâmico devido a forças externas ou internas, o fenômeno de ionização colisional controlada por corrente que ocorre no interior do dispositivo influenciado pela concentração de portadores livres causa uma avalanche dinâmica, que pode ocorrer em dispositivos bipolares, diodos e IGBTs.
Falha na solda do chip: O principal motivo é que o chip e a solda são materiais diferentes com diferentes coeficientes de expansão térmica, portanto, há uma incompatibilidade térmica em altas temperaturas.Além disso, a presença de vazios de solda aumenta a resistência térmica do dispositivo, piorando a dissipação de calor e formando pontos quentes no local, elevando a temperatura da junção e causando falhas relacionadas à temperatura, como eletromigração.
Falha de ligação do chumbo interno: principalmente falha de corrosão no ponto de ligação, desencadeada pela corrosão do alumínio causada pela ação do vapor de água, elementos de cloro, etc. em um ambiente de névoa salina quente e úmido.Fratura por fadiga de cabos de ligação de alumínio causada por ciclo de temperatura ou vibração.O IGBT na embalagem do módulo é grande em tamanho, e se for instalado de forma inadequada, é muito fácil causar concentração de tensão, resultando em fratura por fadiga dos condutores internos do módulo.
2) Circuito integrado
O mecanismo de falha dos circuitos integrados e o uso do ambiente tem uma ótima relação, umidade em um ambiente úmido, danos gerados por eletricidade estática ou surtos elétricos, uso muito alto do texto e uso de circuitos integrados em um ambiente de radiação sem radiação o reforço de resistência também pode causar a falha do dispositivo.
Efeitos de interface relacionados ao alumínio: Nos dispositivos eletrônicos com materiais à base de silício, a camada de SiO2 como filme dielétrico é amplamente utilizada, e o alumínio é frequentemente usado como material para linhas de interconexão, SiO2 e alumínio em altas temperaturas serão uma reação química, de modo que a camada de alumínio fique fina, se a camada de SiO2 estiver esgotada devido ao consumo da reação, causará contato direto entre o alumínio e o silício.Além disso, o fio condutor de ouro e a linha de interconexão de alumínio ou fio de ligação de alumínio e a ligação do fio condutor banhado a ouro do invólucro do tubo produzirão contato de interface Au-Al.Devido ao potencial químico diferente desses dois metais, após uso prolongado ou armazenamento em altas temperaturas acima de 200 ℃ produzirá uma variedade de compostos intermetálicos e, devido às suas constantes de rede e coeficientes de expansão térmica diferentes, no ponto de ligação dentro uma grande tensão, a condutividade torna-se pequena.
Corrosão de metalização: A linha de conexão de alumínio no chip é suscetível à corrosão por vapor de água em um ambiente quente e úmido.Devido à compensação de preço e facilidade de produção em massa, muitos circuitos integrados são encapsulados com resina, porém, o vapor d'água pode passar pela resina para atingir as interligações de alumínio, e as impurezas trazidas de fora ou dissolvidas na resina atuam com o alumínio metálico para causar corrosão das interconexões de alumínio.
O efeito de delaminação causado pelo vapor de água: plástico IC é o circuito integrado encapsulado com plástico e outros materiais poliméricos de resina, além do efeito de delaminação entre o material plástico e a armação de metal e chip (comumente conhecido como efeito "pipoca"), porque o material de resina tem as características de adsorção de vapor de água, o efeito de delaminação causado pela adsorção de vapor de água também fará com que o dispositivo falhe..O mecanismo de falha é a rápida expansão da água no material de vedação de plástico em altas temperaturas, de modo que a separação entre o plástico e sua fixação de outros materiais e, em casos graves, o corpo de vedação de plástico estourar.
2.5 Componentes resistivos capacitivos
1) Resistores
Os resistores sem enrolamento comuns podem ser divididos em quatro tipos de acordo com os diferentes materiais usados no corpo do resistor, ou seja, tipo de liga, tipo de filme, tipo de filme espesso e tipo sintético.Para resistores fixos, os principais modos de falha são circuito aberto, desvio de parâmetros elétricos, etc.;enquanto para potenciômetros, os principais modos de falha são circuito aberto, desvio de parâmetro elétrico, aumento de ruído, etc. O ambiente de uso também levará ao envelhecimento do resistor, o que tem um grande impacto na vida útil do equipamento eletrônico.
Oxidação: A oxidação do corpo do resistor aumentará o valor da resistência e é o fator mais importante que causa o envelhecimento do resistor.Com exceção dos corpos de resistores feitos de metais preciosos e ligas, todos os outros materiais serão danificados pelo oxigênio do ar.A oxidação é um efeito de longo prazo e, quando a influência de outros fatores diminui gradualmente, a oxidação se tornará o fator principal e os ambientes de alta temperatura e alta umidade acelerarão a oxidação dos resistores.Para resistores de precisão e resistores de alto valor de resistência, a medida fundamental para evitar a oxidação é a proteção de vedação.Os materiais de vedação devem ser materiais inorgânicos, como metal, cerâmica, vidro, etc. A camada protetora orgânica não pode impedir completamente a permeabilidade à umidade e ao ar, e só pode desempenhar um papel retardador na oxidação e adsorção.
Envelhecimento do aglutinante: Para resistores sintéticos orgânicos, o envelhecimento do aglutinante orgânico é o principal fator que afeta a estabilidade do resistor.O ligante orgânico é principalmente uma resina sintética, que é transformada em um polímero termoendurecível altamente polimerizado por tratamento térmico durante o processo de fabricação do resistor.O principal fator que causa o envelhecimento do polímero é a oxidação.Os radicais livres gerados pela oxidação causam a dobradiça das ligações moleculares do polímero, o que endurece ainda mais o polímero e o torna quebradiço, resultando em perda de elasticidade e danos mecânicos.A cura do ligante faz com que o resistor diminua de volume, aumentando a pressão de contato entre as partículas condutoras e diminuindo a resistência de contato, resultando em uma diminuição da resistência, mas o dano mecânico ao ligante também aumenta a resistência.Normalmente a cura do ligante ocorre antes, o dano mecânico ocorre depois, então o valor da resistência dos resistores sintéticos orgânicos mostra o seguinte padrão: algum declínio no início do estágio, depois volta a aumentar, e há uma tendência de aumento.Como o envelhecimento dos polímeros está intimamente relacionado à temperatura e à luz, os resistores sintéticos aceleram o envelhecimento em ambientes de alta temperatura e forte exposição à luz.
Envelhecimento sob carga elétrica: A aplicação de uma carga a um resistor acelerará seu processo de envelhecimento.Sob carga CC, a ação eletrolítica pode danificar os resistores de filme fino.A eletrólise ocorre entre os slots de um resistor com fenda e, se o substrato do resistor for um material de cerâmica ou vidro contendo íons de metais alcalinos, os íons se movem sob a ação do campo elétrico entre os slots.Em um ambiente úmido, esse processo ocorre de forma mais violenta.
2) Capacitores
Os modos de falha dos capacitores são curto-circuito, circuito aberto, degradação de parâmetros elétricos (incluindo alteração de capacidade, aumento da tangente do ângulo de perda e diminuição da resistência de isolamento), vazamento de líquido e quebra por corrosão do chumbo.
Curto-circuito: O arco voador na borda entre os pólos em alta temperatura e baixa pressão de ar levará a um curto-circuito dos capacitores; além disso, o estresse mecânico, como choque externo, também causará um curto-circuito transitório do dielétrico.
Circuito aberto: Oxidação dos fios de chumbo e contatos do eletrodo causada por ambiente úmido e quente, resultando em inacessibilidade de baixo nível e fratura por corrosão da folha de chumbo do ânodo.
Degradação dos parâmetros elétricos: Degradação dos parâmetros elétricos devido à influência do ambiente úmido.
2.6 Circuitos em nível de placa
A placa de circuito impresso é composta principalmente de substrato isolante, fiação metálica e conexão de diferentes camadas de fios, componentes de solda "almofadas".Sua principal função é fornecer um suporte para componentes eletrônicos e desempenhar o papel de conexões elétricas e mecânicas.
O modo de falha da placa de circuito impresso inclui principalmente solda fraca, circuito aberto e curto, bolhas, delaminação da placa estourada, corrosão ou descoloração da superfície da placa, dobra da placa
Horário da postagem: 21 de novembro de 2022