En este artículo, se estudian los modos de falla y los mecanismos de falla de los componentes electrónicos y se brindan sus entornos sensibles para proporcionar alguna referencia para el diseño de productos electrónicos.
1. Modos típicos de falla de componentes
Número de serie
Nombre del componente electrónico
Modos de falla relacionados con el medio ambiente
Estrés ambiental
1. Componentes electromecánicos
La vibración provoca la rotura por fatiga de las bobinas y el aflojamiento de los cables.
vibración, choque
2. Dispositivos semiconductores de microondas
Las altas temperaturas y el choque térmico conducen a la deslaminación en la interfaz entre el material del paquete y el chip, y entre el material del paquete y la interfaz del soporte del chip del monolito de microondas sellado con plástico.
Alta temperatura, choque de temperatura
3. Circuitos integrados híbridos
El choque provoca el agrietamiento del sustrato cerámico, el choque de temperatura provoca el agrietamiento del electrodo del extremo del capacitor y los ciclos de temperatura provocan fallas en la soldadura.
Choque, ciclo de temperatura
4. Dispositivos discretos y circuitos integrados
Ruptura térmica, falla de soldadura de chip, falla de unión de plomo interno, choque que conduce a la ruptura de la capa de pasivación.
Alta temperatura, choque, vibración
5. Componentes resistivos
Rotura del sustrato del núcleo, ruptura de la película resistiva, rotura del plomo
Choque, alta y baja temperatura
6. Circuito de nivel de placa
Uniones de soldadura agrietadas, agujeros de cobre fracturados.
Alta temperatura
7. Aspiradora eléctrica
Fractura por fatiga de alambre caliente.
Vibración
2, análisis de mecanismo de falla de componente típico
El modo de falla de los componentes electrónicos no es único, solo una parte representativa del análisis del límite de tolerancia del entorno sensible de los componentes típicos, para obtener una conclusión más general.
2.1 Componentes electromecánicos
Los componentes electromecánicos típicos incluyen conectores eléctricos, relés, etc. Los modos de falla se analizan en profundidad con la estructura de los dos tipos de componentes respectivamente.
1) Conectores eléctricos
Conector eléctrico por la carcasa, el aislante y el cuerpo de contacto de las tres unidades básicas, el modo de falla se resume en la falla de contacto, falla de aislamiento y falla mecánica de las tres formas de falla.La principal forma de falla del conector eléctrico por la falla de contacto, la falla de su desempeño: contacto en la ruptura instantánea y aumenta la resistencia de contacto.Para los conectores eléctricos, debido a la existencia de resistencia de contacto y resistencia del conductor del material, cuando hay un flujo de corriente a través del conector eléctrico, la resistencia de contacto y la resistencia del conductor del material metálico generarán calor Joule, el calor Joule aumentará el calor, lo que dará como resultado un aumento en la temperatura del punto de contacto, una temperatura del punto de contacto demasiado alta hará que la superficie de contacto del metal se ablande, se derrita o incluso hierva, pero también aumentará la resistencia de contacto, lo que provocará una falla de contacto..En el papel del entorno de alta temperatura, las partes de contacto también aparecerán como un fenómeno de fluencia, lo que hará que la presión de contacto entre las partes de contacto disminuya.Cuando la presión de contacto se reduce hasta cierto punto, la resistencia de contacto aumentará considerablemente y finalmente causará un contacto eléctrico deficiente, lo que provocará una falla en el contacto.
Por otro lado, el conector eléctrico en almacenamiento, transporte y trabajo, estará sujeto a una variedad de cargas de vibración y fuerzas de impacto, cuando la frecuencia de excitación de la carga de vibración externa y los conectores eléctricos cerca de la frecuencia inherente, harán resonancia del conector eléctrico. fenómeno, lo que hace que la brecha entre las piezas de contacto se haga más grande, la brecha aumenta hasta cierto punto, la presión de contacto desaparecerá instantáneamente, lo que dará como resultado una "ruptura instantánea" del contacto eléctrico.En la vibración, carga de choque, el conector eléctrico generará tensión interna, cuando la tensión exceda la resistencia a la fluencia del material, hará que el material se dañe y se rompa;En el papel de este estrés a largo plazo, el material también sufrirá daños por fatiga y finalmente causará fallas.
2) Relé
Los relés electromagnéticos generalmente se componen de núcleos, bobinas, armaduras, contactos, lengüetas, etc.Siempre que se agregue un cierto voltaje a ambos extremos de la bobina, fluirá una cierta corriente en la bobina, lo que producirá un efecto electromagnético, la armadura superará la fuerza de atracción electromagnética para volver a la tracción del resorte al núcleo, que a su vez, hace que los contactos móviles y los contactos estáticos (contactos normalmente abiertos) de la armadura se cierren.Cuando la bobina se apaga, la fuerza de succión electromagnética también desaparece, la armadura volverá a la posición original bajo la fuerza de reacción del resorte, de modo que el contacto móvil y el contacto estático original (contacto normalmente cerrado) succionan.Este succiona y libera, logrando así el propósito de conducción y corte en el circuito.
Los principales modos de falla general de los relés electromagnéticos son: relé normalmente abierto, relé normalmente cerrado, la acción del resorte dinámico del relé no cumple con los requisitos, cierre de contacto después de que los parámetros eléctricos del relé superan los pobres.Debido a la escasez del proceso de producción de relés electromagnéticos, muchos relés electromagnéticos fallan en el proceso de producción para establecer la calidad de los peligros ocultos, como el período de alivio de tensión mecánica es demasiado corto, lo que resulta en una estructura mecánica después de la deformación de las piezas de moldeo, la eliminación de residuos no se agota dando como resultado que la prueba PIND falle o incluso falle, las pruebas de fábrica y el uso de la detección no son estrictos, por lo que la falla del dispositivo en uso, etc. Es probable que el entorno de impacto cause una deformación plástica de los contactos metálicos, lo que resulta en una falla del relé.En el diseño de equipos que contienen relés, es necesario centrarse en la adaptabilidad del entorno de impacto a considerar.
2.2 Componentes semiconductores de microondas
Los dispositivos semiconductores de microondas son componentes hechos de materiales semiconductores compuestos de Ge, Si y III ~ V que operan en la banda de microondas.Se utilizan en equipos electrónicos como radares, sistemas de guerra electrónica y sistemas de comunicación por microondas.El empaque del dispositivo discreto de microondas además de proporcionar conexiones eléctricas y protección mecánica y química para el núcleo y las clavijas, el diseño y la selección de la carcasa también deben considerar el impacto de los parámetros parásitos de la carcasa en las características de transmisión de microondas del dispositivo.La carcasa de microondas también es parte del circuito, que en sí mismo constituye un circuito completo de entrada y salida.Por lo tanto, la forma y la estructura de la carcasa, el tamaño, el material dieléctrico, la configuración del conductor, etc. deben coincidir con las características de microondas de los componentes y los aspectos de la aplicación del circuito.Estos factores determinan parámetros como la capacitancia, la resistencia eléctrica del conductor, la impedancia característica y las pérdidas dieléctricas y del conductor de la carcasa del tubo.
Los modos y mecanismos de falla ambientalmente relevantes de los componentes de semiconductores de microondas incluyen principalmente el sumidero de metal de puerta y la degradación de las propiedades resistivas.El hundimiento del metal de la puerta se debe a la difusión acelerada térmicamente del metal de la puerta (Au) en GaAs, por lo que este mecanismo de falla ocurre principalmente durante las pruebas de vida acelerada o la operación a temperaturas extremadamente altas.La tasa de difusión del metal de entrada (Au) en GaAs es una función del coeficiente de difusión del material del metal de entrada, la temperatura y el gradiente de concentración del material.Para una estructura reticular perfecta, el rendimiento del dispositivo no se ve afectado por una tasa de difusión muy lenta a temperaturas de funcionamiento normales; sin embargo, la tasa de difusión puede ser significativa cuando los límites de las partículas son grandes o hay muchos defectos en la superficie.Las resistencias se usan comúnmente en circuitos integrados monolíticos de microondas para circuitos de retroalimentación, estableciendo el punto de polarización de dispositivos activos, aislamiento, síntesis de potencia o el final del acoplamiento. Hay dos estructuras de resistencia: resistencia de película metálica (TaN, NiCr) y GaAs ligeramente dopado. resistencia de capa delgada.Las pruebas muestran que la degradación de la resistencia de NiCr causada por la humedad es el principal mecanismo de su falla.
2.3 Circuitos integrados híbridos
Circuitos integrados híbridos tradicionales, de acuerdo con la superficie del sustrato de la cinta guía de película gruesa, el proceso de cinta guía de película delgada se divide en dos categorías de circuitos integrados híbridos de película gruesa y circuitos integrados híbridos de película delgada: cierto circuito de placa de circuito impreso pequeño (PCB), debido a que el circuito impreso está en forma de película en la superficie de la placa plana para formar un patrón conductor, también clasificado como circuito integrado híbrido.Con la aparición de componentes multichip, este circuito integrado híbrido avanzado, su estructura de cableado multicapa única de sustrato y la tecnología de proceso de orificio pasante, ha hecho que los componentes se conviertan en un circuito integrado híbrido en una estructura de interconexión de alta densidad, sinónimo del sustrato utilizado. en componentes de chips múltiples e incluyen: multicapa de película delgada, multicapa de película gruesa, co-fired de alta temperatura, co-fired de baja temperatura, basado en silicio, sustrato multicapa de PCB, etc.
Los modos de falla por tensión ambiental del circuito integrado híbrido incluyen principalmente la falla del circuito abierto eléctrico causada por el agrietamiento del sustrato y la falla de la soldadura entre los componentes y los conductores de película gruesa, los componentes y los conductores de película delgada, el sustrato y la carcasa.Impacto mecánico de la caída del producto, choque térmico de la operación de soldadura, tensión adicional causada por la irregularidad del alabeo del sustrato, tensión de tracción lateral por desajuste térmico entre el sustrato y la carcasa metálica y el material de unión, tensión mecánica o concentración de tensión térmica causada por defectos internos del sustrato, daño potencial Las microfisuras locales causadas por la perforación y el corte del sustrato conducen eventualmente a una tensión mecánica externa mayor que la resistencia mecánica inherente del sustrato cerámico que resulta en una falla.
Las estructuras de soldadura son susceptibles a las tensiones de los ciclos de temperatura repetidos, lo que puede conducir a la fatiga térmica de la capa de soldadura, lo que da como resultado una fuerza de unión reducida y una mayor resistencia térmica.Para la clase de soldadura dúctil a base de estaño, el papel del estrés cíclico de la temperatura conduce a la fatiga térmica de la capa de soldadura debido a que el coeficiente de expansión térmica de las dos estructuras conectadas por la soldadura es inconsistente, es la deformación por desplazamiento de la soldadura o la deformación por corte, después de repetidas veces, la capa de soldadura con expansión y extensión de grietas por fatiga, lo que eventualmente conduce a la falla por fatiga de la capa de soldadura.
2.4 Dispositivos discretos y circuitos integrados
Los dispositivos discretos de semiconductores se dividen en diodos, transistores bipolares, tubos de efecto de campo MOS, tiristores y transistores bipolares de puerta aislada por amplias categorías.Los circuitos integrados tienen una amplia gama de aplicaciones y se pueden dividir en tres categorías según sus funciones, a saber, circuitos integrados digitales, circuitos integrados analógicos y circuitos integrados mixtos digitales-analógicos.
1) Dispositivos discretos
Los dispositivos discretos son de varios tipos y tienen su propia especificidad debido a sus diferentes funciones y procesos, con diferencias significativas en el desempeño de fallas.Sin embargo, como dispositivos básicos formados por procesos de semiconductores, existen ciertas similitudes en su física de fallas.Las principales fallas relacionadas con la mecánica externa y el entorno natural son la ruptura térmica, la avalancha dinámica, la falla de soldadura de chip y la falla de unión de plomo interna.
Desglose térmico: el desglose térmico o desglose secundario es el principal mecanismo de falla que afecta a los componentes de potencia de los semiconductores, y la mayor parte del daño durante el uso está relacionado con el fenómeno de desglose secundario.El desglose secundario se divide en desglose secundario de polarización directa y desglose secundario de polarización inversa.El primero está relacionado principalmente con las propiedades térmicas propias del dispositivo, como la concentración de dopaje del dispositivo, la concentración intrínseca, etc., mientras que el segundo está relacionado con la multiplicación de la avalancha de portadores en la región de carga espacial (como cerca del colector), ambos de los cuales van siempre acompañados de la concentración de corriente en el interior del aparato.En la aplicación de dichos componentes, se debe prestar especial atención a la protección térmica y la disipación de calor.
Avalancha dinámica: durante el apagado dinámico debido a fuerzas externas o internas, el fenómeno de ionización por colisión controlado por corriente que ocurre dentro del dispositivo influenciado por la concentración de portador libre provoca una avalancha dinámica, que puede ocurrir en dispositivos bipolares, diodos e IGBT.
Falla de la soldadura del chip: la razón principal es que el chip y la soldadura son materiales diferentes con diferentes coeficientes de expansión térmica, por lo que existe un desajuste térmico a altas temperaturas.Además, la presencia de huecos de soldadura aumenta la resistencia térmica del dispositivo, empeorando la disipación de calor y formando puntos calientes en el área local, elevando la temperatura de la unión y provocando fallas relacionadas con la temperatura, como la electromigración.
Falla de unión del plomo interno: principalmente falla por corrosión en el punto de unión, provocada por la corrosión del aluminio causada por la acción del vapor de agua, elementos de cloro, etc. en un ambiente cálido y húmedo con niebla salina.Fractura por fatiga de los conductores de unión de aluminio causada por el ciclo de temperatura o la vibración.El IGBT en el paquete del módulo es de gran tamaño y, si se instala de forma incorrecta, es muy fácil que se concentre la tensión, lo que provoca la fractura por fatiga de los cables internos del módulo.
2) circuito integrado
El mecanismo de falla de los circuitos integrados y el uso del medio ambiente tiene una gran relación, humedad en un ambiente húmedo, daños generados por electricidad estática o sobretensiones eléctricas, uso demasiado alto del texto y el uso de circuitos integrados en un ambiente de radiación sin radiación. El refuerzo de resistencia también puede causar la falla del dispositivo.
Efectos de interfaz relacionados con el aluminio: en los dispositivos electrónicos con materiales a base de silicio, la capa de SiO2 como película dieléctrica se usa ampliamente, y el aluminio se usa a menudo como material para líneas de interconexión, el SiO2 y el aluminio a altas temperaturas serán una reacción química, para que la capa de aluminio se vuelva delgada, si la capa de SiO2 se agota debido al consumo de reacción, provocará un contacto directo entre el aluminio y el silicio.Además, el cable de oro y la línea de interconexión de aluminio o el cable de unión de aluminio y la unión del cable de plomo chapado en oro de la carcasa del tubo producirán un contacto de interfaz Au-Al.Debido al diferente potencial químico de estos dos metales, después de un uso prolongado o almacenamiento a altas temperaturas superiores a 200 ℃, se producirá una variedad de compuestos intermetálicos, y debido a sus constantes de red y coeficientes de expansión térmica diferentes, en el punto de unión dentro una gran tensión, la conductividad se vuelve pequeña.
Corrosión por metalización: la línea de conexión de aluminio en el chip es susceptible a la corrosión por vapor de agua en un ambiente cálido y húmedo.Debido a la compensación de precios y la fácil producción en masa, muchos circuitos integrados están encapsulados con resina, sin embargo, el vapor de agua puede pasar a través de la resina para llegar a las interconexiones de aluminio, y las impurezas traídas desde el exterior o disueltas en la resina actúan con el aluminio metálico para causar corrosión de las interconexiones de aluminio.
El efecto de delaminación causado por el vapor de agua: el circuito integrado de plástico es el circuito integrado encapsulado con plástico y otros materiales poliméricos de resina, además del efecto de delaminación entre el material plástico y el marco metálico y el chip (comúnmente conocido como el efecto "palomitas de maíz"). Debido a que el material de resina tiene las características de adsorción de vapor de agua, el efecto de delaminación causado por la adsorción de vapor de agua también hará que el dispositivo falle..El mecanismo de falla es la rápida expansión del agua en el material de sellado de plástico a altas temperaturas, por lo que la separación entre el plástico y su unión de otros materiales, y en casos graves, el cuerpo de sellado de plástico estallará.
2.5 Componentes resistivos capacitivos
1) Resistencias
Las resistencias sin devanado comunes se pueden dividir en cuatro tipos según los diferentes materiales utilizados en el cuerpo de la resistencia, a saber, tipo de aleación, tipo de película, tipo de película gruesa y tipo sintético.Para resistencias fijas, los principales modos de falla son circuito abierto, deriva de parámetros eléctricos, etc.;mientras que para los potenciómetros, los principales modos de falla son circuito abierto, deriva de parámetros eléctricos, aumento de ruido, etc. El entorno de uso también provocará el envejecimiento de la resistencia, lo que tiene un gran impacto en la vida útil de los equipos electrónicos.
Oxidación: La oxidación del cuerpo de la resistencia aumentará el valor de la resistencia y es el factor más importante que causa el envejecimiento de la resistencia.Excepto los cuerpos de las resistencias hechos de metales preciosos y aleaciones, todos los demás materiales se dañarán con el oxígeno del aire.La oxidación es un efecto a largo plazo, y cuando la influencia de otros factores disminuye gradualmente, la oxidación se convertirá en el factor principal, y los ambientes de alta temperatura y alta humedad acelerarán la oxidación de las resistencias.Para resistencias de precisión y resistencias de alto valor de resistencia, la medida fundamental para evitar la oxidación es la protección del sellado.Los materiales de sellado deben ser materiales inorgánicos, como metal, cerámica, vidrio, etc. La capa protectora orgánica no puede evitar por completo la permeabilidad a la humedad y al aire, y solo puede desempeñar un papel retardador en la oxidación y la adsorción.
Envejecimiento del aglutinante: para las resistencias sintéticas orgánicas, el envejecimiento del aglutinante orgánico es el principal factor que afecta la estabilidad de la resistencia.El aglutinante orgánico es principalmente una resina sintética, que se transforma en un polímero termoendurecible altamente polimerizado mediante tratamiento térmico durante el proceso de fabricación de la resistencia.El principal factor que causa el envejecimiento del polímero es la oxidación.Los radicales libres generados por la oxidación provocan la articulación de los enlaces moleculares del polímero, lo que cura aún más el polímero y lo vuelve quebradizo, lo que resulta en pérdida de elasticidad y daño mecánico.El curado del aglutinante hace que el volumen de la resistencia se contraiga, aumentando la presión de contacto entre las partículas conductoras y disminuyendo la resistencia de contacto, lo que resulta en una disminución de la resistencia, pero el daño mecánico al aglutinante también aumenta la resistencia.Por lo general, el curado del aglutinante ocurre antes, el daño mecánico ocurre después, por lo que el valor de resistencia de las resistencias sintéticas orgánicas muestra el siguiente patrón: cierta disminución al comienzo de la etapa, luego aumenta y hay una tendencia creciente.Dado que el envejecimiento de los polímeros está estrechamente relacionado con la temperatura y la luz, las resistencias sintéticas acelerarán el envejecimiento en entornos de alta temperatura y una fuerte exposición a la luz.
Envejecimiento bajo carga eléctrica: Aplicar una carga a una resistencia acelerará su proceso de envejecimiento.Bajo carga de CC, la acción electrolítica puede dañar las resistencias de película delgada.La electrólisis ocurre entre las ranuras de una resistencia ranurada, y si el sustrato de la resistencia es un material cerámico o de vidrio que contiene iones de metales alcalinos, los iones se mueven bajo la acción del campo eléctrico entre las ranuras.En un ambiente húmedo, este proceso procede más violentamente.
2) condensadores
Los modos de falla de los capacitores son cortocircuito, circuito abierto, degradación de los parámetros eléctricos (incluido el cambio de capacidad, aumento del ángulo de pérdida tangente y disminución de la resistencia de aislamiento), fuga de líquido y rotura por corrosión del plomo.
Cortocircuito: el arco volador en el borde entre los polos a alta temperatura y baja presión de aire provocará un cortocircuito de los condensadores, además, la tensión mecánica, como un choque externo, también provocará un cortocircuito transitorio del dieléctrico.
Circuito abierto: Oxidación de los cables conductores y los contactos de los electrodos causada por un ambiente húmedo y caliente, lo que da como resultado una inaccesibilidad de bajo nivel y una fractura por corrosión de la lámina de plomo del ánodo.
Degradación de parámetros eléctricos: Degradación de parámetros eléctricos debido a la influencia del ambiente húmedo.
2.6 Circuitos a nivel de placa
La placa de circuito impreso se compone principalmente de sustrato aislante, cableado de metal y conexión de diferentes capas de cables, "almohadillas" de componentes de soldadura.Su función principal es proporcionar un soporte para componentes electrónicos y desempeñar el papel de conexiones eléctricas y mecánicas.
El modo de falla de la placa de circuito impreso incluye principalmente soldadura deficiente, circuito abierto y cortocircuito, formación de ampollas, delaminación de la placa reventada, corrosión o decoloración de la superficie de la placa, flexión de la placa
Hora de publicación: 21 de noviembre de 2022