U ovom radu proučavaju se načini kvarova i mehanizmi kvarova elektroničkih komponenti i daju se njihova osjetljiva okruženja kako bi se pružila neka referenca za dizajn elektroničkih proizvoda
1. Tipični načini kvarova komponenti
Serijski broj
Naziv elektroničke komponente
Načini kvarova vezani uz okoliš
Stres okoline
1. Elektromehaničke komponente
Vibracije uzrokuju lom zavojnica uslijed zamora i olabavljenje kabela.
Vibracija, udar
2. Poluvodički mikrovalni uređaji
Visoka temperatura i temperaturni šok dovode do raslojavanja na sučelju između materijala pakiranja i čipa, te između materijala pakiranja i sučelja držača čipa plastično zapečaćenog mikrovalnog monolita.
Visoka temperatura, temperaturni šok
3. Hibridni integrirani krugovi
Šok dovodi do pucanja keramičke podloge, temperaturni šok dovodi do pucanja krajnjih elektroda kondenzatora, a temperaturne promjene dovode do kvara lemljenja.
Šok, temperaturni ciklus
4. Diskretni uređaji i integrirani krugovi
Toplinski slom, neuspjeh pri lemljenju čipa, neuspjeh spajanja unutarnjeg vodiča, udar koji dovodi do pucanja pasivacijskog sloja.
Visoka temperatura, udar, vibracije
5. Otporne komponente
Puknuće supstrata jezgre, pucanje otpornog filma, lom olova
Šok, visoka i niska temperatura
6. Krug razine ploče
Puknuti lemljeni spojevi, puknute bakrene rupe.
Visoka temperatura
7. Električni vakuum
Zamorni lom vruće žice.
Vibracija
2, tipična analiza mehanizma kvara komponente
Način kvara elektroničkih komponenti nije pojedinačna, već samo reprezentativan dio analize granica tolerancije osjetljive okoline tipične komponente, kako bi se dobio općenitiji zaključak.
2.1 Elektromehaničke komponente
Tipične elektromehaničke komponente uključuju električne konektore, releje, itd. Načini kvarova se detaljno analiziraju sa strukturom dvije vrste komponenti.
1) Električni priključci
Električni konektor pomoću ljuske, izolatora i kontaktnog tijela triju osnovnih jedinica, način kvara je sažet u kvar kontakta, kvar izolacije i mehanički kvar tri oblika kvara.Glavni oblik neuspjeha električnog priključka za kontakt neuspjeh, neuspjeh njegove izvedbe: kontakt na trenutni prekid i kontakt otpor povećava.Za električne konektore, zbog postojanja otpora kontakta i otpora vodiča materijala, kada struja teče kroz električni konektor, otpor kontakta i otpor vodiča metalnog materijala će generirati Jouleovu toplinu, Joulova toplina će povećati toplinu, što će rezultirati povećanjem temperatura kontaktne točke, previsoka kontaktna temperatura uzrokovat će omekšavanje, taljenje ili čak ključanje kontaktne površine metala, ali također će povećati kontaktni otpor, izazivajući tako kvar kontakta..U ulozi visoke temperature okoline, kontaktni dijelovi također će se pojaviti kao fenomen puzanja, zbog čega će se kontaktni pritisak između kontaktnih dijelova smanjiti.Kada se kontaktni tlak smanji do određene mjere, kontaktni otpor će se naglo povećati i konačno uzrokovati loš električni kontakt, što će rezultirati kvarom kontakta.
S druge strane, električni konektor u skladištu, transportu i radu, bit će podvrgnut raznim vibracijskim opterećenjima i udarnim silama, kada će vanjska frekvencija pobude vibracijskog opterećenja i električni konektori blizu inherentne frekvencije, učiniti rezonancijom električnog konektora fenomen, što rezultira većim razmakom između kontaktnih dijelova, razmak se povećava do određene mjere, kontaktni pritisak će trenutno nestati, što će rezultirati "trenutačnim prekidom" električnog kontakta.U vibracijama, udarnim opterećenjem, električni konektor će generirati unutarnje naprezanje, kada naprezanje premaši granicu tečenja materijala, uzrokovat će materijalnu štetu i lom;u ulozi ovog dugotrajnog stresa, materijal će također doći do oštećenja od zamora, i konačno uzrokovati kvar.
2) Relej
Elektromagnetski releji općenito se sastoje od jezgri, zavojnica, armatura, kontakata, jezičaka i tako dalje.Sve dok se određeni napon dodaje na oba kraja zavojnice, određena struja će teći u zavojnici, stvarajući tako elektromagnetski učinak, armatura će nadvladati elektromagnetsku silu privlačenja da se vrati na oprugu koja povlači jezgru, što zauzvrat pokreće pokretne kontakte armature i statičke kontakte (normalno otvorene kontakte) na zatvaranje.Kada se zavojnica isključi, elektromagnetska usisna sila također nestaje, armatura će se vratiti u prvobitni položaj pod reakcijskom silom opruge, tako da pokretni kontakt i izvorni statički kontakt (normalno zatvoreni kontakt) usisavaju.Ovo usisavanje i otpuštanje, čime se postiže svrha provođenja i prekida u krugu.
Glavni načini ukupnog kvara elektromagnetskih releja su: relej normalno otvoren, relej normalno zatvoren, relej dinamičke opruge ne zadovoljava zahtjeve, zatvaranje kontakta nakon releja električni parametri premašuju loše.Zbog nedostatka procesa proizvodnje elektromagnetskih releja, mnogi elektromagnetski releji neuspjeh u proizvodnom procesu za postavljanje kvalitete skrivenih opasnosti, kao što je razdoblje mehaničkog naprezanja je prekratko što rezultira mehaničkom strukturom nakon deformacije dijelova kalupljenja, uklanjanje ostataka nije iscrpljeno što je rezultiralo neuspjelim PIND testom ili čak neuspjehom, tvorničko testiranje i korištenje skrininga nisu strogi tako da neuspjeh uređaja u uporabi, itd.. Udarno okruženje vjerojatno će uzrokovati plastičnu deformaciju metalnih kontakata, što će rezultirati kvarom releja.U dizajnu opreme koja sadrži releje, potrebno je usredotočiti se na prilagodljivost okoline utjecaja koju treba uzeti u obzir.
2.2 Poluvodičke mikrovalne komponente
Mikrovalni poluvodički uređaji su komponente izrađene od Ge, Si i III ~ V složenih poluvodičkih materijala koji rade u mikrovalnom pojasu.Koriste se u elektroničkoj opremi poput radara, sustava elektroničkog ratovanja i mikrovalnih komunikacijskih sustava.Pakiranje mikrovalnog diskretnog uređaja osim pružanja električnih priključaka te mehaničke i kemijske zaštite za jezgru i igle, dizajn i odabir kućišta također treba uzeti u obzir utjecaj parazitskih parametara kućišta na karakteristike mikrovalnog prijenosa uređaja.Kućište mikrovalne pećnice također je dio strujnog kruga, koji sam po sebi čini kompletan ulazni i izlazni krug.Stoga bi oblik i struktura kućišta, veličina, dielektrični materijal, konfiguracija vodiča itd. trebali odgovarati mikrovalnim karakteristikama komponenti i aspektima primjene kruga.Ovi faktori određuju parametre kao što su kapacitet, otpor električnog vodiča, karakteristična impedancija i gubici vodiča i dielektrika kućišta cijevi.
Ekološki relevantni načini kvarova i mehanizmi mikrovalnih poluvodičkih komponenti uglavnom uključuju potonuće metala vrata i degradaciju otpornih svojstava.Potonuće metala vrata je zbog termički ubrzane difuzije metala vrata (Au) u GaAs, tako da se ovaj mehanizam kvara događa uglavnom tijekom ispitivanja ubrzanog životnog vijeka ili rada na ekstremno visokim temperaturama.Brzina difuzije metala vrata (Au) u GaAs funkcija je koeficijenta difuzije materijala metala vrata, temperature i gradijenta koncentracije materijala.Za savršenu strukturu rešetke, na rad uređaja ne utječe vrlo spora stopa difuzije pri normalnim radnim temperaturama, međutim, stopa difuzije može biti značajna kada su granice čestica velike ili postoji mnogo površinskih defekata.Otpornici se obično koriste u mikrovalnim monolitnim integriranim krugovima za povratne krugove, postavljanje točke prednaprezanja aktivnih uređaja, izolaciju, sintezu snage ili kraj spajanja, postoje dvije strukture otpora: otpor metalnog filma (TaN, NiCr) i lagano dopirani GaAs otpor tankog sloja.Ispitivanja pokazuju da je degradacija otpornosti na NiCr uzrokovana vlagom glavni mehanizam njegovog kvara.
2.3 Hibridni integrirani krugovi
Tradicionalni hibridni integrirani krugovi, prema površini supstrata trake za vođenje debele folije, proces trake za vođenje tankog filma podijeljen je u dvije kategorije hibridnih integriranih krugova debelog filma i hibridnih integriranih krugova tankog filma: određeni krug male tiskane ploče (PCB), budući da je tiskani krug u obliku filma na ravnoj površini ploče kako bi se formirao vodljivi uzorak, također se klasificiraju kao hibridni integrirani krugovi.S pojavom komponenti s više čipova, ovaj napredni hibridni integrirani krug, njegova jedinstvena višeslojna struktura ožičenja supstrata i procesna tehnologija kroz rupu, učinili su da komponente postanu hibridni integrirani krug u strukturi međusobnog povezivanja visoke gustoće koja je sinonim za supstrat koji se koristi u komponentama s više čipova i uključuju: višeslojni tanki film, višeslojni debeli film, su-paljen na visokoj temperaturi, su-paljen na niskoj temperaturi, na bazi silicija, PCB višeslojni supstrat, itd.
Načini kvara hibridnog integriranog kruga pod utjecajem okoliša uglavnom uključuju kvar električnog otvorenog kruga uzrokovan pucanjem podloge i kvarom zavarivanja između komponenti i vodiča debelog filma, komponenti i vodiča tankog filma, podloge i kućišta.Mehanički udar od pada proizvoda, toplinski udar od lemljenja, dodatno naprezanje uzrokovano neravnomjernošću iskrivljenosti podloge, bočno vlačno naprezanje zbog toplinske neusklađenosti između podloge i metalnog kućišta i veznog materijala, mehaničko naprezanje ili koncentracija toplinskog naprezanja uzrokovano unutarnjim defektima podloge, potencijalno oštećenje uzrokovane bušenjem podloge i rezanjem podloge, lokalne mikropukotine na kraju dovode do vanjskog mehaničkog naprezanja većeg od inherentne mehaničke čvrstoće keramičke podloge. Rezultat je kvar.
Strukture lemljenja osjetljive su na opetovana temperaturna ciklična naprezanja, što može dovesti do toplinskog zamora sloja lema, što rezultira smanjenom snagom lijepljenja i povećanom toplinskom otpornošću.Za klasu duktilnog lema na bazi kositra, uloga temperaturnog cikličkog naprezanja dovodi do toplinskog zamora sloja lema zbog nedosljednosti koeficijenta toplinskog širenja dviju struktura povezanih lemom, je li deformacija pomaka lema ili deformacija smicanja, nakon više puta, lemni sloj s širenjem i produljenjem pukotina uslijed zamora, što na kraju dovodi do kvara lemljenog sloja uslijed zamora.
2.4. Diskretni uređaji i integrirani krugovi
Poluvodički diskretni uređaji podijeljeni su na diode, bipolarne tranzistore, MOS cijevi s efektom polja, tiristore i bipolarne tranzistore s izoliranim vratima prema širokim kategorijama.Integrirani sklopovi imaju širok raspon primjena i mogu se podijeliti u tri kategorije prema svojim funkcijama, naime digitalni integrirani krugovi, analogni integrirani krugovi i mješoviti digitalno-analogni integrirani krugovi.
1) Diskretni uređaji
Diskretni uređaji su različitih tipova i imaju svoje specifičnosti zbog različitih funkcija i procesa, sa značajnim razlikama u izvedbi kvarova.Međutim, budući da su osnovni uređaji formirani poluvodičkim procesima, postoje određene sličnosti u njihovoj fizici kvarova.Glavni kvarovi povezani s vanjskom mehanikom i prirodnim okolišem su toplinski slom, dinamička lavina, kvar pri lemljenju čipa i kvar unutarnjeg spajanja olova.
Toplinski slom: Toplinski slom ili sekundarni slom glavni je mehanizam kvara koji utječe na komponente napajanja poluvodiča, a većina oštećenja tijekom uporabe povezana je s fenomenom sekundarnog sloma.Sekundarni slom se dijeli na sekundarni slom s prednapregnutošću i sekundarni slom s obrnutom prednaponom.Prvo je uglavnom povezano s vlastitim toplinskim svojstvima uređaja, kao što je koncentracija dopinga uređaja, intrinzična koncentracija itd., dok je drugo povezano s lavinskim umnožavanjem nositelja u području prostornog naboja (kao što je u blizini kolektora), oba od kojih uvijek prati koncentracija struje unutar uređaja.Kod primjene takvih komponenti posebnu pozornost treba posvetiti toplinskoj zaštiti i odvođenju topline.
Dinamička lavina: Tijekom dinamičkog isključivanja zbog vanjskih ili unutarnjih sila, fenomen kolizijske ionizacije kontroliran strujom koji se javlja unutar uređaja pod utjecajem koncentracije slobodnih nositelja uzrokuje dinamičku lavinu, koja se može dogoditi u bipolarnim uređajima, diodama i IGBT-ovima.
Kvar lemljenja čipa: Glavni razlog je taj što su čip i lem različiti materijali s različitim koeficijentima toplinskog širenja, pa postoji toplinska neusklađenost pri visokim temperaturama.Osim toga, prisutnost šupljina za lemljenje povećava toplinsku otpornost uređaja, pogoršavajući rasipanje topline i stvarajući vruće točke u lokalnom području, podižući temperaturu spoja i uzrokujući kvarove povezane s temperaturom kao što je elektromigracija.
Kvar spajanja unutarnjeg olova: uglavnom kvar zbog korozije na mjestu spajanja, potaknut korozijom aluminija uzrokovanom djelovanjem vodene pare, elemenata klora itd. u okruženju vrućeg i vlažnog slanog spreja.Zamorni lom aluminijskih spojnih vodova uzrokovan temperaturnim ciklusom ili vibracijama.IGBT u paketu modula je velikih dimenzija, a ako je instaliran na nepravilan način, vrlo je lako izazvati koncentraciju naprezanja, što rezultira zamornim lomom unutarnjih vodova modula.
2) Integrirani sklop
Mehanizam kvara integriranih krugova i uporaba okoliša imaju izvrsnu vezu, vlaga u vlažnom okruženju, oštećenja uzrokovana statičkim elektricitetom ili električnim udarima, prevelika uporaba teksta i uporaba integriranih sklopova u okruženju zračenja bez zračenja otporna armatura također može uzrokovati kvar uređaja.
Učinci sučelja koji se odnose na aluminij: U elektroničkim uređajima s materijalima na bazi silicija široko se koristi sloj SiO2 kao dielektrični film, a aluminij se često koristi kao materijal za vodove za međusobno povezivanje, SiO2 i aluminij na visokim temperaturama bit će kemijska reakcija, tako da sloj aluminija postane tanak, ako je sloj SiO2 osiromašen zbog reakcijske potrošnje, uzrokovat će izravan kontakt između aluminija i silicija.Osim toga, zlatna provodna žica i aluminijska linija za međusobno povezivanje ili aluminijska vezna žica i spajanje pozlaćene olovne žice cijevnog omotača proizvest će Au-Al kontakt sučelja.Zbog različitog kemijskog potencijala ova dva metala, nakon dugotrajne upotrebe ili skladištenja na visokim temperaturama iznad 200 ℃ proizvest će se različiti intermetalni spojevi, a zbog toga što su im konstante rešetke i koeficijenti toplinske ekspanzije različiti, u točki vezivanja unutar veliki stres, vodljivost postaje mala.
Metalizirana korozija: Aluminijska spojna linija na čipu osjetljiva je na koroziju vodenom parom u vrućem i vlažnom okruženju.Zbog niže cijene i jednostavne masovne proizvodnje, mnogi integrirani sklopovi su kapsulirani smolom, međutim, vodena para može proći kroz smolu kako bi dospjela do aluminijskih spojeva, a nečistoće unesene izvana ili otopljene u smoli djeluju s metalnim aluminijem uzrokujući korozija aluminijskih spojeva.
Učinak delaminacije uzrokovan vodenom parom: plastični IC je integrirani krug inkapsuliran s plastikom i drugim smolastim polimernim materijalima, uz učinak delaminacije između plastičnog materijala i metalnog okvira i čipa (općenito poznat kao "popcorn" efekt), budući da materijal od smole ima karakteristike adsorpcije vodene pare, učinak delaminacije uzrokovan adsorpcijom vodene pare također će uzrokovati kvar uređaja..Mehanizam kvara je brzo širenje vode u plastičnom brtvenom materijalu na visokim temperaturama, tako da dolazi do odvajanja između plastike i njenog pričvršćivanja drugih materijala, au ozbiljnim slučajevima, plastično brtveno tijelo će puknuti.
2.5 Kapacitivne otporne komponente
1) Otpornici
Uobičajeni otpornici bez namotaja mogu se podijeliti u četiri vrste prema različitim materijalima koji se koriste u tijelu otpornika, naime vrsta legure, vrsta filma, vrsta debelog filma i sintetička vrsta.Za fiksne otpornike, glavni načini kvara su otvoreni krug, pomak električnih parametara itd.;dok su za potenciometre glavni načini kvara otvoreni krug, pomicanje električnih parametara, povećanje buke itd. Okruženje u kojem se koristi također će dovesti do starenja otpornika, što ima veliki utjecaj na vijek trajanja elektroničke 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 učinak, a kada se utjecaj drugih čimbenika postupno smanji, oksidacija će postati glavni čimbenik, a okruženja visoke temperature i visoke vlažnosti ubrzat će oksidaciju otpornika.Za precizne otpornike i otpornike visoke vrijednosti otpora, temeljna mjera za sprječavanje oksidacije je zaštita brtvljenjem.Materijali za brtvljenje trebali bi biti anorganski materijali, kao što su metal, keramika, staklo, itd. Organski zaštitni sloj ne može u potpunosti spriječiti propusnost vlage i zraka, i može igrati samo ulogu usporavanja oksidacije i adsorpcije.
Starenje veziva: Za organske sintetičke otpornike, starenje organskog veziva je glavni faktor koji utječe na stabilnost otpornika.Organsko vezivo uglavnom je sintetička smola, koja se toplinskom obradom tijekom procesa proizvodnje otpornika transformira u visoko polimerizirani termoreaktivni polimer.Glavni čimbenik koji uzrokuje starenje polimera je oksidacija.Slobodni radikali nastali oksidacijom uzrokuju vezivanje molekularnih veza polimera, što dodatno stvrdnjava polimer i čini ga krhkim, što dovodi do gubitka elastičnosti i mehaničkog oštećenja.Stvrdnjavanje veziva uzrokuje smanjenje volumena otpornika, povećavajući kontaktni tlak između vodljivih čestica i smanjujući kontaktni otpor, što rezultira smanjenjem otpora, ali mehaničko oštećenje veziva također povećava otpor.Obično se stvrdnjavanje veziva događa prije, mehanička oštećenja nastaju nakon, tako da vrijednost otpora organskih sintetičkih otpornika pokazuje sljedeći obrazac: nešto opada na početku faze, zatim prelazi u porast i postoji trend povećanja.Budući da je starenje polimera usko povezano s temperaturom i svjetlom, sintetički otpornici će ubrzati starenje u okruženju visoke temperature i izloženosti jakom svjetlu.
Starenje pod električnim opterećenjem: Primjena opterećenja na otpornik ubrzat će njegov proces starenja.Pod istosmjernim opterećenjem, djelovanje elektrolize može oštetiti tankoslojne otpornike.Elektroliza se događa između utora otpornika s prorezima, a ako je supstrat otpornika keramički ili stakleni materijal koji sadrži ione alkalijskih metala, ioni se kreću pod djelovanjem električnog polja između utora.U vlažnom okruženju ovaj proces se odvija jače.
2) Kondenzatori
Načini kvara kondenzatora su kratki spoj, otvoreni krug, degradacija električnih parametara (uključujući promjenu kapaciteta, povećanje tangensa kuta gubitka i smanjenje otpora izolacije), curenje tekućine i lom uslijed 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 strujni krug: Oksidacija olovnih žica i elektrodnih kontakata uzrokovana vlažnim i vrućim okolišem, rezultira nedostupnošću niske razine i korozijskim lomom olovne folije anode.
Degradacija električnih parametara: Degradacija električnih parametara zbog utjecaja vlažnog okoliša.
2.6 Strujni krug na razini ploče
Tiskana ploča se uglavnom sastoji od izolacijske podloge, metalnog ožičenja i povezivanja različitih slojeva žica, lemljenih komponenti "jastučića".Njegova glavna uloga je osigurati nosač za elektroničke komponente, te igrati ulogu električnih i mehaničkih veza.
Način kvara tiskane ploče uglavnom uključuje loše lemljenje, prekid i kratki spoj, stvaranje mjehura, rasprskavanje raslojavanja ploče, koroziju površine ploče ili promjenu boje, savijanje ploče
Vrijeme objave: 21. studenoga 2022