Dalam makalah ini, mod kegagalan dan mekanisme kegagalan komponen elektronik dikaji dan persekitaran sensitifnya diberikan untuk menyediakan beberapa rujukan untuk reka bentuk produk elektronik.
1. Mod kegagalan komponen biasa
Nombor siri
Nama komponen elektronik
Mod kegagalan berkaitan alam sekitar
Tekanan persekitaran
1. Komponen elektromekanikal
Getaran menyebabkan keletihan pecah gegelung dan longgar kabel.
Getaran, kejutan
2. Peranti gelombang mikro semikonduktor
Kejutan suhu dan suhu tinggi membawa kepada penyahtempuran pada antara muka antara bahan pakej dan cip, dan antara bahan pakej dan antara muka pemegang cip monolit gelombang mikro yang dimeterai plastik.
Suhu tinggi, kejutan suhu
3. Litar bersepadu hibrid
Kejutan membawa kepada keretakan substrat seramik, kejutan suhu membawa kepada keretakan elektrod hujung kapasitor, dan kitaran suhu membawa kepada kegagalan pateri.
Kejutan, kitaran suhu
4. Peranti Diskret dan Litar Bersepadu
Kerosakan terma, kegagalan pematerian cip, kegagalan ikatan plumbum dalaman, kejutan yang membawa kepada pecah lapisan pempasifan.
Suhu tinggi, kejutan, getaran
5. Komponen rintangan
Pecah substrat teras, pecah filem rintangan, pecah plumbum
Kejutan, suhu tinggi dan rendah
6. Litar aras papan
Sambungan pateri retak, lubang tembaga patah.
Suhu tinggi
7. Vakum elektrik
Patah keletihan wayar panas.
Getaran
2, analisis mekanisme kegagalan komponen biasa
Mod kegagalan komponen elektronik bukan satu, hanya sebahagian daripada komponen tipikal analisis had toleransi persekitaran sensitif, untuk mendapatkan kesimpulan yang lebih umum.
2.1 Komponen elektromekanikal
Komponen elektromekanikal biasa termasuk penyambung elektrik, geganti, dsb. Mod kegagalan dianalisis secara mendalam dengan struktur kedua-dua jenis komponen masing-masing.
1) Penyambung elektrik
Penyambung elektrik oleh shell, penebat dan badan kenalan tiga unit asas, mod kegagalan diringkaskan dalam kegagalan kenalan, kegagalan penebat dan kegagalan mekanikal tiga bentuk kegagalan.Bentuk utama kegagalan penyambung elektrik untuk kegagalan sentuhan, kegagalan prestasinya: sentuhan pada pecah serta-merta dan rintangan sentuhan meningkat.Bagi penyambung elektrik, disebabkan kewujudan rintangan sentuhan dan rintangan konduktor bahan, apabila terdapat aliran arus melalui penyambung elektrik, rintangan sentuhan dan rintangan konduktor bahan logam akan menghasilkan haba Joule, haba Joule akan meningkatkan haba, mengakibatkan peningkatan dalam suhu titik sesentuh, suhu titik sesentuh yang terlalu tinggi akan menjadikan permukaan sesentuh logam melembut, mencair atau bahkan mendidih, tetapi juga meningkatkan rintangan sesentuh, sekali gus mencetuskan kegagalan sesentuh..Dalam peranan persekitaran suhu tinggi, bahagian sentuhan juga akan muncul fenomena rayapan, menjadikan tekanan sentuhan antara bahagian sentuhan berkurangan.Apabila tekanan sentuhan dikurangkan ke tahap tertentu, rintangan sentuhan akan meningkat dengan mendadak, dan akhirnya menyebabkan sentuhan elektrik yang lemah, mengakibatkan kegagalan sentuhan.
Sebaliknya, penyambung elektrik dalam penyimpanan, pengangkutan dan kerja, akan tertakluk kepada pelbagai beban getaran dan daya hentaman, apabila frekuensi pengujaan beban getaran luaran dan penyambung elektrik dekat dengan frekuensi yang wujud, akan menjadikan resonans penyambung elektrik. fenomena, mengakibatkan jurang antara kepingan kenalan menjadi lebih besar, jurang meningkat ke tahap tertentu, tekanan sentuhan akan hilang serta-merta, mengakibatkan sentuhan elektrik "rehat segera".Dalam getaran, beban kejutan, penyambung elektrik akan menghasilkan tekanan dalaman, apabila tekanan melebihi kekuatan hasil bahan, akan membuat kerosakan dan patah bahan;dalam peranan tekanan jangka panjang ini, bahan juga akan berlaku kerosakan keletihan, dan akhirnya menyebabkan kegagalan.
2) Relay
Geganti elektromagnet biasanya terdiri daripada teras, gegelung, angker, sesentuh, buluh dan sebagainya.Selagi voltan tertentu ditambah pada kedua-dua hujung gegelung, arus tertentu akan mengalir dalam gegelung, dengan itu menghasilkan kesan elektromagnet, angker akan mengatasi daya tarikan elektromagnet untuk kembali ke tarikan spring ke teras, yang seterusnya memacu sesentuh bergerak angker dan sesentuh statik (sesentuh biasanya terbuka) untuk ditutup.Apabila gegelung dimatikan, daya sedutan elektromagnet juga hilang, angker akan kembali ke kedudukan asal di bawah daya tindak balas spring, supaya sentuhan bergerak dan sentuhan statik asal (sentuhan biasanya tertutup) sedutan.Penyedutan dan pelepasan ini, dengan itu mencapai tujuan pengaliran dan terputus dalam litar.
Mod utama kegagalan keseluruhan geganti elektromagnet ialah: geganti biasanya terbuka, geganti biasanya ditutup, geganti tindakan spring dinamik tidak memenuhi keperluan, penutupan kenalan selepas parameter elektrik geganti melebihi yang lemah.Oleh kerana kekurangan proses pengeluaran geganti elektromagnet, banyak kegagalan geganti elektromagnet dalam proses pengeluaran untuk meletakkan kualiti bahaya tersembunyi, seperti tempoh pelepasan tekanan mekanikal terlalu singkat mengakibatkan struktur mekanikal selepas ubah bentuk bahagian pengacuan, penyingkiran sisa tidak habis. mengakibatkan ujian PIND gagal atau gagal, ujian kilang dan penggunaan saringan tidak ketat supaya kegagalan peranti digunakan, dsb.. Persekitaran impak berkemungkinan menyebabkan ubah bentuk plastik sesentuh logam, mengakibatkan kegagalan geganti.Dalam reka bentuk peralatan yang mengandungi geganti, adalah perlu untuk memberi tumpuan kepada kebolehsuaian persekitaran kesan untuk dipertimbangkan.
2.2 Komponen gelombang mikro semikonduktor
Peranti semikonduktor gelombang mikro ialah komponen yang diperbuat daripada bahan semikonduktor sebatian Ge, Si dan III ~ V yang beroperasi dalam jalur gelombang mikro.Ia digunakan dalam peralatan elektronik seperti radar, sistem peperangan elektronik dan sistem komunikasi gelombang mikro.Pembungkusan peranti diskret gelombang mikro sebagai tambahan kepada menyediakan sambungan elektrik dan perlindungan mekanikal dan kimia untuk teras dan pin, reka bentuk dan pemilihan perumahan juga harus mempertimbangkan kesan parameter parasit perumahan pada ciri penghantaran gelombang mikro peranti.Perumahan gelombang mikro juga merupakan sebahagian daripada litar, yang dengan sendirinya membentuk litar input dan output yang lengkap.Oleh itu, bentuk dan struktur perumah, saiz, bahan dielektrik, konfigurasi konduktor, dan lain-lain harus sepadan dengan ciri gelombang mikro komponen dan aspek aplikasi litar.Faktor-faktor ini menentukan parameter seperti kapasitansi, rintangan plumbum elektrik, galangan ciri, dan kehilangan konduktor dan dielektrik perumahan tiub.
Mod kegagalan yang berkaitan dengan alam sekitar dan mekanisme komponen semikonduktor gelombang mikro terutamanya termasuk sinki logam pintu dan kemerosotan sifat rintangan.Sinki logam pintu adalah disebabkan oleh resapan logam pintu (Au) yang dipercepatkan secara haba ke dalam GaA, jadi mekanisme kegagalan ini berlaku terutamanya semasa ujian hayat dipercepatkan atau operasi suhu yang sangat tinggi.Kadar resapan logam get (Au) ke dalam GaAs adalah fungsi pekali resapan bahan logam get, suhu, dan kecerunan kepekatan bahan.Untuk struktur kekisi yang sempurna, prestasi peranti tidak dipengaruhi oleh kadar resapan yang sangat perlahan pada suhu operasi biasa, namun, kadar resapan boleh menjadi ketara apabila sempadan zarah adalah besar atau terdapat banyak kecacatan permukaan.Perintang biasanya digunakan dalam litar bersepadu monolitik gelombang mikro untuk litar maklum balas, menetapkan titik pincang peranti aktif, pengasingan, sintesis kuasa atau penghujung gandingan, terdapat dua struktur rintangan: rintangan filem logam (TaN, NiCr) dan GaAs yang didop ringan rintangan lapisan nipis.Ujian menunjukkan bahawa kemerosotan rintangan NiCr yang disebabkan oleh kelembapan adalah mekanisme utama kegagalannya.
2.3 Litar bersepadu hibrid
Litar bersepadu hibrid tradisional, mengikut permukaan substrat pita panduan filem tebal, proses pita panduan filem nipis dibahagikan kepada dua kategori litar bersepadu hibrid filem tebal dan litar bersepadu hibrid filem nipis: litar papan litar bercetak kecil (PCB) tertentu, kerana litar bercetak adalah dalam bentuk filem di permukaan papan rata untuk membentuk corak konduktif, juga diklasifikasikan sebagai litar bersepadu hibrid.Dengan kemunculan komponen berbilang cip litar bersepadu hibrid termaju ini, struktur pendawaian pelbagai lapisan substratnya yang unik dan teknologi proses melalui lubang, telah menjadikan komponen tersebut menjadi litar bersepadu hibrid dalam struktur interkoneksi berketumpatan tinggi yang sinonim dengan substrat yang digunakan. dalam komponen berbilang cip dan termasuk: berbilang lapisan filem nipis, berbilang lapisan filem tebal, bahan api bersama suhu tinggi, bahan api bersama suhu rendah, berasaskan silikon, substrat berbilang lapisan PCB, dsb.
Mod kegagalan tekanan persekitaran litar bersepadu hibrid terutamanya termasuk kegagalan litar terbuka elektrik yang disebabkan oleh keretakan substrat dan kegagalan kimpalan antara komponen dan konduktor filem tebal, komponen dan konduktor filem nipis, substrat dan perumah.Kesan mekanikal daripada kejatuhan produk, kejutan haba daripada operasi pematerian, tegasan tambahan yang disebabkan oleh ketidaksamaan lengkokan substrat, tegasan tegangan sisi daripada ketidakpadanan haba antara substrat dan perumah logam dan bahan ikatan, tegasan mekanikal atau kepekatan tegasan haba yang disebabkan oleh kecacatan dalaman substrat, potensi kerosakan disebabkan oleh penggerudian substrat dan pemotongan substrat retak mikro tempatan, akhirnya membawa kepada tekanan mekanikal luaran yang lebih besar daripada kekuatan mekanikal yang wujud substrat seramik yang Hasilnya adalah kegagalan.
Struktur pateri terdedah kepada tegasan berbasikal suhu berulang, yang boleh menyebabkan kelesuan haba lapisan pateri, mengakibatkan kekuatan ikatan berkurangan dan peningkatan rintangan haba.Untuk kelas berasaskan timah pateri mulur, peranan tegasan kitaran suhu membawa kepada kelesuan haba lapisan pateri adalah disebabkan oleh pekali pengembangan haba kedua-dua struktur yang disambungkan oleh pateri adalah tidak konsisten, adalah ubah bentuk anjakan pateri atau ubah bentuk ricih, selepas berulang kali, lapisan pateri dengan pengembangan retak keletihan dan lanjutan, akhirnya membawa kepada kegagalan lesu lapisan pateri.
2.4 Peranti diskret dan litar bersepadu
Peranti diskret semikonduktor dibahagikan kepada diod, transistor bipolar, tiub kesan medan MOS, thyristor dan transistor bipolar get terlindung mengikut kategori yang luas.Litar bersepadu mempunyai pelbagai aplikasi dan boleh dibahagikan kepada tiga kategori mengikut fungsinya iaitu litar bersepadu digital, litar bersepadu analog dan litar bersepadu digital-analog campuran.
1) Peranti diskret
Peranti diskret terdiri daripada pelbagai jenis dan mempunyai kekhususan tersendiri kerana fungsi dan prosesnya yang berbeza, dengan perbezaan yang ketara dalam prestasi kegagalan.Walau bagaimanapun, sebagai peranti asas yang dibentuk oleh proses semikonduktor, terdapat persamaan tertentu dalam fizik kegagalan mereka.Kegagalan utama yang berkaitan dengan mekanik luaran dan persekitaran semula jadi ialah kerosakan haba, longsoran dinamik, kegagalan pematerian cip dan kegagalan ikatan plumbum dalaman.
Pecahan haba: Pecahan haba atau kerosakan sekunder ialah mekanisme kegagalan utama yang menjejaskan komponen kuasa semikonduktor, dan kebanyakan kerosakan semasa penggunaan adalah berkaitan dengan fenomena kerosakan sekunder.Pecahan sekunder dibahagikan kepada pecahan sekunder pincang hadapan dan pecahan sekunder pincang songsang.Yang pertama adalah berkaitan terutamanya dengan sifat terma peranti itu sendiri, seperti kepekatan doping peranti, kepekatan intrinsik, dsb., manakala yang kedua berkaitan dengan pendaraban runtuhan salji pembawa di kawasan cas angkasa (seperti berhampiran pengumpul), kedua-duanya yang sentiasa disertakan dengan kepekatan arus di dalam peranti.Dalam penggunaan komponen tersebut, perhatian khusus harus diberikan kepada perlindungan haba dan pelesapan haba.
Salji dinamik: Semasa penutupan dinamik akibat daya luaran atau dalaman, fenomena pengionan perlanggaran terkawal semasa yang berlaku di dalam peranti yang dipengaruhi oleh kepekatan pembawa bebas menyebabkan runtuhan dinamik, yang boleh berlaku dalam peranti bipolar, diod dan IGBT.
Kegagalan pateri cip: Sebab utama ialah cip dan pateri adalah bahan yang berbeza dengan pekali pengembangan haba yang berbeza, jadi terdapat ketidakpadanan terma pada suhu tinggi.Di samping itu, kehadiran lompang pateri meningkatkan rintangan haba peranti, menjadikan pelesapan haba lebih teruk dan membentuk titik panas di kawasan setempat, meningkatkan suhu simpang dan menyebabkan kegagalan berkaitan suhu seperti migrasi elektrik berlaku.
Kegagalan ikatan plumbum dalaman: terutamanya kegagalan kakisan pada titik ikatan, dicetuskan oleh kakisan aluminium yang disebabkan oleh tindakan wap air, unsur klorin, dan lain-lain dalam persekitaran semburan garam yang panas dan lembap.Patah kelesuan plumbum ikatan aluminium disebabkan oleh kitaran suhu atau getaran.IGBT dalam pakej modul bersaiz besar, dan jika ia dipasang dengan cara yang tidak betul, ia adalah sangat mudah untuk menyebabkan kepekatan tekanan, mengakibatkan patah keletihan petunjuk dalaman modul.
2) Litar bersepadu
Mekanisme kegagalan litar bersepadu dan penggunaan persekitaran mempunyai hubungan yang hebat, kelembapan dalam persekitaran lembap, kerosakan yang dijana oleh elektrik statik atau lonjakan elektrik, penggunaan teks yang terlalu tinggi dan penggunaan litar bersepadu dalam persekitaran sinaran tanpa sinaran tetulang rintangan juga boleh menyebabkan kegagalan peranti.
Kesan antara muka yang berkaitan dengan aluminium: Dalam peranti elektronik dengan bahan berasaskan silikon, lapisan SiO2 sebagai filem dielektrik digunakan secara meluas, dan aluminium sering digunakan sebagai bahan untuk talian sambungan, SiO2 dan aluminium pada suhu tinggi akan menjadi tindak balas kimia, supaya lapisan aluminium menjadi nipis, jika lapisan SiO2 habis disebabkan penggunaan tindak balas, akan menyebabkan sentuhan langsung antara aluminium dan silikon.Di samping itu, wayar plumbum emas dan talian sambungan aluminium atau wayar ikatan aluminium dan ikatan wayar plumbum bersalut emas cangkerang tiub, akan menghasilkan hubungan antara muka Au-Al.Oleh kerana potensi kimia yang berbeza bagi kedua-dua logam ini, selepas penggunaan jangka panjang atau penyimpanan pada suhu tinggi melebihi 200 ℃ akan menghasilkan pelbagai sebatian antara logam, dan disebabkan pemalar kekisi dan pekali pengembangan haba adalah berbeza, dalam titik ikatan dalam tegasan yang besar, kekonduksian menjadi kecil.
Kakisan pengetatan: Talian sambungan aluminium pada cip terdedah kepada kakisan oleh wap air dalam persekitaran yang panas dan lembap.Disebabkan pengimbangan harga dan pengeluaran besar-besaran yang mudah, banyak litar bersepadu dikapsulkan dengan resin, bagaimanapun, wap air boleh melalui resin untuk mencapai sambung aluminium, dan kekotoran yang dibawa masuk dari luar atau terlarut dalam resin bertindak dengan aluminium logam untuk menyebabkan kakisan pada sambungan aluminium.
Kesan delaminasi yang disebabkan oleh wap air: IC plastik ialah litar bersepadu yang dibungkus dengan plastik dan bahan polimer resin lain, sebagai tambahan kepada kesan delaminasi antara bahan plastik dan bingkai dan cip logam (biasanya dikenali sebagai kesan "popcorn"), kerana bahan resin mempunyai ciri-ciri penjerapan wap air, kesan delaminasi yang disebabkan oleh penjerapan wap air juga akan menyebabkan peranti gagal..Mekanisme kegagalan adalah pengembangan pesat air dalam bahan pengedap plastik pada suhu tinggi, supaya pemisahan antara plastik dan lampiran bahan lain, dan dalam kes yang serius, badan pengedap plastik akan pecah.
2.5 Komponen rintangan kapasitif
1) Perintang
Perintang biasa tidak berliku boleh dibahagikan kepada empat jenis mengikut bahan berbeza yang digunakan dalam badan perintang, iaitu jenis aloi, jenis filem, jenis filem tebal dan jenis sintetik.Untuk perintang tetap, mod kegagalan utama ialah litar terbuka, hanyut parameter elektrik, dsb.;manakala untuk potensiometer, mod kegagalan utama adalah litar terbuka, hanyut parameter elektrik, peningkatan bunyi, dan lain-lain. Persekitaran penggunaan juga akan membawa kepada penuaan perintang, yang mempunyai kesan yang besar terhadap hayat peralatan elektronik.
Pengoksidaan: Pengoksidaan badan perintang akan meningkatkan nilai rintangan dan merupakan faktor terpenting yang menyebabkan penuaan perintang.Kecuali badan perintang yang diperbuat daripada logam berharga dan aloi, semua bahan lain akan rosak oleh oksigen di udara.Pengoksidaan adalah kesan jangka panjang, dan apabila pengaruh faktor lain secara beransur-ansur berkurangan, pengoksidaan akan menjadi faktor utama, dan persekitaran suhu tinggi dan kelembapan yang tinggi akan mempercepatkan pengoksidaan perintang.Untuk perintang ketepatan dan perintang nilai rintangan tinggi, langkah asas untuk mencegah pengoksidaan ialah perlindungan pengedap.Bahan pengedap hendaklah bahan bukan organik, seperti logam, seramik, kaca, dsb. Lapisan pelindung organik tidak dapat sepenuhnya menghalang kebolehtelapan lembapan dan kebolehtelapan udara, dan hanya boleh memainkan peranan penangguhan dalam pengoksidaan dan penjerapan.
Penuaan pengikat: Untuk perintang sintetik organik, penuaan pengikat organik adalah faktor utama yang mempengaruhi kestabilan perintang.Pengikat organik terutamanya resin sintetik, yang diubah menjadi polimer termoset yang sangat terpolimer melalui rawatan haba semasa proses pembuatan perintang.Faktor utama yang menyebabkan penuaan polimer ialah pengoksidaan.Radikal bebas yang dihasilkan oleh pengoksidaan menyebabkan engsel ikatan molekul polimer, yang seterusnya menyembuhkan polimer dan menjadikannya rapuh, mengakibatkan kehilangan keanjalan dan kerosakan mekanikal.Pengawetan pengikat menyebabkan perintang mengecut dalam jumlah, meningkatkan tekanan sentuhan antara zarah konduktif dan mengurangkan rintangan sentuhan, mengakibatkan penurunan rintangan, tetapi kerosakan mekanikal pada pengikat juga meningkatkan rintangan.Biasanya pengawetan pengikat berlaku sebelum, kerosakan mekanikal berlaku selepas, jadi nilai rintangan perintang sintetik organik menunjukkan corak berikut: beberapa penurunan pada permulaan peringkat, kemudian beralih kepada peningkatan, dan terdapat trend peningkatan.Memandangkan penuaan polimer berkait rapat dengan suhu dan cahaya, perintang sintetik akan mempercepatkan penuaan di bawah persekitaran suhu tinggi dan pendedahan cahaya yang kuat.
Penuaan di bawah beban elektrik: Menggunakan beban pada perintang akan mempercepatkan proses penuaannya.Di bawah beban DC, tindakan elektrolitik boleh merosakkan perintang filem nipis.Elektrolisis berlaku di antara slot perintang berlubang, dan jika substrat perintang adalah bahan seramik atau kaca yang mengandungi ion logam alkali, ion bergerak di bawah tindakan medan elektrik antara slot.Dalam persekitaran yang lembap, proses ini berjalan dengan lebih ganas.
2) Kapasitor
Mod kegagalan kapasitor adalah litar pintas, litar terbuka, kemerosotan parameter elektrik (termasuk perubahan kapasiti, peningkatan tangen sudut kehilangan dan penurunan rintangan penebat), kebocoran cecair dan pecahan kakisan plumbum.
Litar pintas: Arka terbang di pinggir antara tiang pada suhu tinggi dan tekanan udara rendah akan membawa kepada litar pintas kapasitor, di samping itu, tekanan mekanikal seperti kejutan luaran juga akan menyebabkan litar pintas sementara dielektrik.
Litar terbuka: Pengoksidaan wayar plumbum dan sentuhan elektrod yang disebabkan oleh persekitaran lembap dan panas, mengakibatkan ketidakbolehcapaian tahap rendah dan keretakan kakisan kerajang plumbum anod.
Kemerosotan parameter elektrik: Kemerosotan parameter elektrik disebabkan oleh pengaruh persekitaran lembap.
2.6 Litar peringkat papan
Papan litar bercetak terutamanya terdiri daripada substrat penebat, pendawaian logam dan penyambung lapisan wayar yang berbeza, komponen pateri "pad".Peranan utamanya adalah untuk menyediakan pembawa untuk komponen elektronik, dan memainkan peranan sambungan elektrik dan mekanikal.
Mod kegagalan papan litar bercetak terutamanya termasuk pematerian yang lemah, litar terbuka dan pintas, melepuh, delaminasi papan pecah, kakisan atau perubahan warna permukaan papan, lenturan papan
Masa siaran: Nov-21-2022