Dalam makalah ini, mode kegagalan dan mekanisme kegagalan komponen elektronik dipelajari dan lingkungan sensitifnya diberikan untuk memberikan beberapa referensi untuk desain produk elektronik.
1. Mode kegagalan komponen tipikal
Nomor seri
Nama komponen elektronik
Mode kegagalan terkait lingkungan
Stres lingkungan
1. Komponen elektromekanis
Getaran menyebabkan putusnya koil dan melonggarnya kabel.
Getaran, syok
2. Perangkat gelombang mikro semikonduktor
Guncangan suhu dan suhu tinggi menyebabkan delaminasi pada antarmuka antara bahan paket dan chip, dan antara bahan paket dan antarmuka dudukan chip dari monolit microwave bersegel plastik.
Suhu tinggi, kejutan suhu
3. Sirkuit terpadu hibrid
Kejutan menyebabkan retaknya substrat keramik, kejutan suhu menyebabkan retaknya elektroda ujung kapasitor, dan siklus suhu menyebabkan kegagalan solder.
Kejutan, siklus suhu
4. Perangkat Diskrit dan Sirkuit Terpadu
Kerusakan termal, kegagalan penyolderan chip, kegagalan ikatan timbal dalam, guncangan yang menyebabkan pecahnya lapisan pasivasi.
Suhu tinggi, guncangan, getaran
5. Komponen resistif
Pecahnya substrat inti, pecahnya film resistif, pecahnya timah hitam
Kejutan, suhu tinggi dan rendah
6. Sirkuit level papan
Sambungan solder retak, lubang tembaga retak.
Suhu tinggi
7. Vakum listrik
Fraktur kelelahan kawat panas.
Getaran
2, analisis mekanisme kegagalan komponen tipikal
Mode kegagalan komponen elektronik tidak tunggal, hanya merupakan bagian yang representatif dari analisis batas toleransi lingkungan sensitif komponen tipikal, untuk mendapatkan kesimpulan yang lebih umum.
2.1 Komponen elektromekanis
Komponen elektromekanis tipikal termasuk konektor listrik, relai, dll. Mode kegagalan dianalisis secara mendalam dengan struktur masing-masing dari dua jenis komponen.
1) Konektor listrik
Konektor listrik oleh shell, isolator dan badan kontak dari tiga unit dasar, mode kegagalan dirangkum dalam kegagalan kontak, kegagalan isolasi dan kegagalan mekanis dari tiga bentuk kegagalan.Bentuk utama kegagalan konektor listrik untuk kegagalan kontak, kegagalan kinerjanya: kontak pada pemutusan seketika dan resistansi kontak meningkat.Untuk konektor listrik, karena adanya resistansi kontak dan resistansi konduktor material, ketika ada aliran arus melalui konektor listrik, resistansi kontak dan resistansi konduktor material logam akan menghasilkan panas Joule, panas Joule akan meningkatkan panas, mengakibatkan peningkatan suhu titik kontak, suhu titik kontak yang terlalu tinggi akan membuat permukaan kontak logam melunak, meleleh atau bahkan mendidih, tetapi juga meningkatkan resistansi kontak, sehingga memicu kegagalan kontak..Dalam peran lingkungan suhu tinggi, bagian kontak juga akan muncul fenomena mulur, membuat tekanan kontak antara bagian kontak menurun.Ketika tekanan kontak berkurang sampai batas tertentu, resistansi kontak akan meningkat tajam, dan akhirnya menyebabkan kontak listrik yang buruk, yang mengakibatkan kegagalan kontak.
Di sisi lain, konektor listrik dalam penyimpanan, transportasi dan pekerjaan, akan dikenakan berbagai beban getaran dan gaya benturan, ketika frekuensi eksitasi beban getaran eksternal dan konektor listrik dekat dengan frekuensi yang melekat, akan membuat resonansi konektor listrik fenomena, mengakibatkan celah antara potongan kontak menjadi lebih besar, celah meningkat sampai batas tertentu, tekanan kontak akan hilang seketika, mengakibatkan kontak listrik "putus seketika".Dalam getaran, beban kejut, konektor listrik akan menghasilkan tegangan internal, bila tegangan melebihi kekuatan luluh material, akan membuat material rusak dan patah;dalam peran stres jangka panjang ini, material juga akan mengalami kerusakan kelelahan, dan akhirnya menyebabkan kegagalan.
2) Relai
Relai elektromagnetik umumnya terdiri dari inti, kumparan, armature, kontak, buluh dan sebagainya.Selama tegangan tertentu ditambahkan ke kedua ujung kumparan, arus tertentu akan mengalir di kumparan, sehingga menghasilkan efek elektromagnetik, angker akan mengatasi gaya tarik elektromagnetik untuk kembali ke pegas tarik ke inti, yang mana pada gilirannya mendorong kontak bergerak armature dan kontak statis (biasanya membuka kontak) untuk menutup.Ketika koil dimatikan, gaya hisap elektromagnetik juga menghilang, angker akan kembali ke posisi semula di bawah gaya reaksi pegas, sehingga kontak bergerak dan kontak statis asli (kontak normal tertutup) hisap.Pengisapan dan pelepasan ini, sehingga mencapai tujuan konduksi dan terputus di sirkuit.
Mode utama kegagalan keseluruhan relai elektromagnetik adalah: relai biasanya terbuka, relai biasanya tertutup, aksi pegas dinamis relai tidak memenuhi persyaratan, penutupan kontak setelah parameter kelistrikan relai melebihi yang buruk.Karena kekurangan proses produksi relai elektromagnetik, banyak kegagalan relai elektromagnetik dalam proses produksi untuk meletakkan kualitas bahaya tersembunyi, seperti periode pelepasan stres mekanis terlalu singkat sehingga struktur mekanis setelah deformasi bagian cetakan, penghilangan residu tidak habis. mengakibatkan pengujian PIND gagal atau bahkan kegagalan, pengujian pabrik dan penggunaan skrining tidak ketat sehingga kegagalan perangkat digunakan, dll. Dampak lingkungan kemungkinan besar menyebabkan deformasi plastis pada kontak logam, yang mengakibatkan kegagalan relai.Dalam desain peralatan yang mengandung relai, perlu untuk mempertimbangkan penyesuaian dampak lingkungan.
2.2 Komponen gelombang mikro semikonduktor
Perangkat semikonduktor gelombang mikro adalah komponen yang terbuat dari bahan semikonduktor majemuk Ge, Si dan III ~ V yang beroperasi pada pita gelombang mikro.Mereka digunakan dalam peralatan elektronik seperti radar, sistem peperangan elektronik dan sistem komunikasi gelombang mikro.Pengemasan perangkat diskrit gelombang mikro selain menyediakan koneksi listrik dan perlindungan mekanis dan kimiawi untuk inti dan pin, desain dan pemilihan rumahan juga harus mempertimbangkan dampak parameter parasit rumahan pada karakteristik transmisi gelombang mikro perangkat.Wadah gelombang mikro juga merupakan bagian dari rangkaian, yang dengan sendirinya merupakan rangkaian input dan output yang lengkap.Oleh karena itu, bentuk dan struktur rumahan, ukuran, bahan dielektrik, konfigurasi konduktor, dll. harus sesuai dengan karakteristik gelombang mikro dari komponen dan aspek aplikasi rangkaian.Faktor-faktor ini menentukan parameter seperti kapasitansi, resistansi timbal listrik, impedansi karakteristik, dan rugi-rugi konduktor dan dielektrik rumah tabung.
Mode dan mekanisme kegagalan yang relevan secara lingkungan dari komponen semikonduktor gelombang mikro terutama mencakup wastafel logam gerbang dan degradasi sifat resistif.Wastafel logam gerbang disebabkan oleh difusi logam gerbang (Au) yang dipercepat secara termal ke dalam GaAs, sehingga mekanisme kegagalan ini terjadi terutama selama uji umur yang dipercepat atau operasi suhu yang sangat tinggi.Laju difusi logam gerbang (Au) menjadi GaAs merupakan fungsi dari koefisien difusi bahan logam gerbang, suhu, dan gradien konsentrasi bahan.Untuk struktur kisi yang sempurna, kinerja perangkat tidak terpengaruh oleh laju difusi yang sangat lambat pada suhu operasi normal, namun laju difusi dapat signifikan bila batas partikel besar atau terdapat banyak cacat permukaan.Resistor umumnya digunakan dalam sirkuit terpadu monolitik gelombang mikro untuk rangkaian umpan balik, pengaturan titik bias perangkat aktif, isolasi, sintesis daya atau akhir kopling, ada dua struktur resistensi: resistensi film logam (TaN, NiCr) dan GaAs yang didoping ringan resistensi lapisan tipis.Pengujian menunjukkan bahwa degradasi ketahanan NiCr yang disebabkan oleh kelembapan merupakan mekanisme utama kegagalannya.
2.3 Sirkuit terpadu hibrid
Sirkuit terpadu hibrid tradisional, sesuai dengan permukaan substrat pita panduan film tebal, proses pita panduan film tipis dibagi menjadi dua kategori sirkuit terpadu hibrid film tebal dan sirkuit terpadu hibrid film tipis: sirkuit papan sirkuit cetak (PCB) kecil tertentu, karena sirkuit tercetak adalah dalam bentuk film di permukaan papan datar untuk membentuk pola konduktif, juga diklasifikasikan sebagai sirkuit terpadu hybrid.Dengan munculnya komponen multi-chip, sirkuit terintegrasi hibrid canggih ini, struktur kabel multi-lapisan substratnya yang unik dan teknologi proses melalui lubang, telah menjadikan komponen tersebut menjadi sirkuit terintegrasi hibrid dalam struktur interkoneksi kepadatan tinggi yang identik dengan substrat yang digunakan. dalam komponen multi-chip dan meliputi: film tipis multilayer, film tebal multilayer, co-fired suhu tinggi, co-fired suhu rendah, berbasis silikon, substrat multilayer PCB, dll.
Mode kegagalan stres lingkungan sirkuit terpadu hibrid terutama mencakup kegagalan sirkuit listrik terbuka yang disebabkan oleh retakan substrat dan kegagalan pengelasan antara komponen dan konduktor film tebal, komponen dan konduktor film tipis, substrat dan rumahan.Dampak mekanis dari jatuhnya produk, kejutan termal dari operasi penyolderan, tekanan tambahan yang disebabkan oleh ketidakrataan warpage media, tegangan tarik lateral dari ketidakcocokan termal antara substrat dan rangka logam dan bahan pengikat, tekanan mekanis atau konsentrasi tegangan termal yang disebabkan oleh cacat internal substrat, potensi kerusakan disebabkan oleh pengeboran substrat dan pemotongan substrat retak mikro lokal, akhirnya menyebabkan tekanan mekanis eksternal lebih besar dari kekuatan mekanik yang melekat pada substrat keramik yang hasilnya adalah kegagalan.
Struktur solder rentan terhadap tegangan siklus suhu berulang, yang dapat menyebabkan kelelahan termal lapisan solder, sehingga mengurangi kekuatan ikatan dan meningkatkan ketahanan termal.Untuk kelas solder ulet berbasis timah, peran tegangan siklik suhu menyebabkan kelelahan termal lapisan solder disebabkan oleh koefisien ekspansi termal dari dua struktur yang dihubungkan oleh solder tidak konsisten, apakah deformasi perpindahan solder atau deformasi geser, setelah berulang kali, lapisan solder dengan ekspansi dan ekstensi retak kelelahan, akhirnya menyebabkan kegagalan kelelahan pada lapisan solder.
2.4 Perangkat diskrit dan sirkuit terpadu
Perangkat diskrit semikonduktor dibagi menjadi dioda, transistor bipolar, tabung efek medan MOS, thyristor dan transistor bipolar gerbang terisolasi berdasarkan kategori luas.Rangkaian terpadu memiliki cakupan aplikasi yang luas dan dapat dibagi menjadi tiga kategori menurut fungsinya, yaitu rangkaian terpadu digital, rangkaian terpadu analog, dan rangkaian terpadu digital-analog campuran.
1) Perangkat diskrit
Perangkat diskrit terdiri dari berbagai jenis dan memiliki kekhususannya sendiri karena fungsi dan prosesnya yang berbeda, dengan perbedaan signifikan dalam kinerja kegagalan.Namun, sebagai perangkat dasar yang dibentuk oleh proses semikonduktor, ada kesamaan tertentu dalam fisika kegagalannya.Kegagalan utama yang terkait dengan mekanik eksternal dan lingkungan alami adalah kerusakan termal, longsoran dinamis, kegagalan penyolderan chip, dan kegagalan ikatan timah internal.
Kerusakan termal: Kerusakan termal atau kerusakan sekunder adalah mekanisme kegagalan utama yang memengaruhi komponen daya semikonduktor, dan sebagian besar kerusakan selama penggunaan terkait dengan fenomena kerusakan sekunder.Perincian sekunder dibagi menjadi perincian sekunder bias maju dan perincian sekunder bias terbalik.Yang pertama terutama terkait dengan sifat termal perangkat itu sendiri, seperti konsentrasi doping perangkat, konsentrasi intrinsik, dll., Sedangkan yang terakhir terkait dengan penggandaan longsoran pembawa di wilayah muatan ruang (seperti di dekat kolektor), keduanya yang selalu disertai dengan konsentrasi arus di dalam perangkat.Dalam penerapan komponen tersebut, perhatian khusus harus diberikan pada perlindungan termal dan pembuangan panas.
Longsoran dinamis: Selama penghentian dinamis karena gaya eksternal atau internal, fenomena ionisasi tumbukan yang dikendalikan arus yang terjadi di dalam perangkat yang dipengaruhi oleh konsentrasi pembawa bebas menyebabkan longsoran dinamis, yang dapat terjadi pada perangkat bipolar, dioda, dan IGBT.
Kegagalan solder chip: Alasan utamanya adalah chip dan solder adalah bahan yang berbeda dengan koefisien ekspansi termal yang berbeda, sehingga ada ketidakcocokan termal pada suhu tinggi.Selain itu, keberadaan rongga solder meningkatkan ketahanan termal perangkat, memperburuk pembuangan panas dan membentuk titik panas di area lokal, menaikkan suhu sambungan dan menyebabkan kegagalan terkait suhu seperti terjadinya migrasi listrik.
Kegagalan ikatan timbal dalam: terutama kegagalan korosi pada titik ikatan, dipicu oleh korosi aluminium yang disebabkan oleh aksi uap air, elemen klorin, dll. di lingkungan semprotan garam yang panas dan lembab.Fraktur kelelahan sadapan ikatan aluminium yang disebabkan oleh siklus suhu atau getaran.IGBT dalam paket modul berukuran besar, dan jika dipasang dengan cara yang tidak tepat, sangat mudah menyebabkan konsentrasi tegangan, yang mengakibatkan fraktur kelelahan pada ujung internal modul.
2) Sirkuit terpadu
Mekanisme kegagalan sirkuit terpadu dan penggunaan lingkungan memiliki hubungan yang baik, kelembaban di lingkungan yang lembab, kerusakan yang dihasilkan oleh listrik statis atau lonjakan listrik, penggunaan teks yang terlalu tinggi dan penggunaan sirkuit terpadu di lingkungan radiasi tanpa radiasi penguatan resistansi juga dapat menyebabkan kegagalan perangkat.
Efek antarmuka yang terkait dengan aluminium: Pada perangkat elektronik dengan bahan berbasis silikon, lapisan SiO2 sebagai film dielektrik banyak digunakan, dan aluminium sering digunakan sebagai bahan untuk jalur interkoneksi, SiO2 dan aluminium pada suhu tinggi akan menjadi reaksi kimia, sehingga lapisan aluminium menjadi tipis, jika lapisan SiO2 habis karena konsumsi reaksi, akan menyebabkan kontak langsung antara aluminium dan silikon.Selain itu, kawat timah emas dan garis interkoneksi aluminium atau kawat pengikat aluminium dan pengikatan kawat timah berlapis emas dari selubung tabung, akan menghasilkan kontak antarmuka Au-Al.Karena potensi kimia yang berbeda dari kedua logam ini, setelah penggunaan jangka panjang atau penyimpanan pada suhu tinggi di atas 200 ℃ akan menghasilkan berbagai senyawa intermetalik, dan karena konstanta kisi dan koefisien muai panasnya berbeda, pada titik ikatan di dalam tegangan besar, konduktivitas menjadi kecil.
Korosi metalisasi: Jalur sambungan aluminium pada chip rentan terhadap korosi oleh uap air di lingkungan yang panas dan lembab.Karena harga yang diimbangi dan produksi massal yang mudah, banyak sirkuit terintegrasi yang dikemas dengan resin, namun, uap air dapat melewati resin untuk mencapai interkoneksi aluminium, dan kotoran yang dibawa dari luar atau larut dalam resin bertindak dengan logam aluminium menyebabkan korosi interkoneksi aluminium.
Efek delaminasi yang disebabkan oleh uap air: IC plastik adalah sirkuit terintegrasi yang dikemas dengan plastik dan bahan polimer resin lainnya, selain efek delaminasi antara bahan plastik dan rangka dan chip logam (umumnya dikenal sebagai efek "popcorn"), karena bahan resin memiliki karakteristik adsorpsi uap air, efek delaminasi yang disebabkan oleh adsorpsi uap air juga akan menyebabkan kegagalan alat..Mekanisme kegagalan adalah pemuaian cepat air dalam bahan penyegel plastik pada suhu tinggi, sehingga pemisahan antara plastik dan pengikatnya dengan bahan lain, dan dalam kasus yang serius, badan penyegelan plastik akan pecah.
2.5 Komponen resistif kapasitif
1) Resistor
Resistor non-belitan umum dapat dibagi menjadi empat jenis sesuai dengan bahan berbeda yang digunakan dalam badan resistor, yaitu tipe paduan, tipe film, tipe film tebal dan tipe sintetis.Untuk resistor tetap, mode kegagalan utama adalah sirkuit terbuka, penyimpangan parameter listrik, dll.;sedangkan untuk potensiometer, mode kegagalan utama adalah sirkuit terbuka, penyimpangan parameter listrik, peningkatan kebisingan, dll. Lingkungan penggunaan juga akan menyebabkan penuaan resistor, yang berdampak besar pada masa pakai peralatan elektronik.
Oksidasi: Oksidasi pada badan resistor akan meningkatkan nilai resistansi dan merupakan faktor terpenting penyebab penuaan resistor.Kecuali badan resistor yang terbuat dari logam mulia dan paduannya, semua bahan lainnya akan rusak oleh oksigen di udara.Oksidasi adalah efek jangka panjang, dan ketika pengaruh faktor lain secara bertahap berkurang, oksidasi akan menjadi faktor utama, dan lingkungan suhu tinggi dan kelembaban tinggi akan mempercepat oksidasi resistor.Untuk resistor presisi dan resistor bernilai resistansi tinggi, tindakan mendasar untuk mencegah oksidasi adalah perlindungan penyegelan.Bahan penyegel harus berupa bahan anorganik, seperti logam, keramik, kaca, dll. Lapisan pelindung organik tidak dapat sepenuhnya mencegah permeabilitas kelembaban dan permeabilitas udara, dan hanya dapat memainkan peran penundaan dalam oksidasi dan adsorpsi.
Penuaan pengikat: Untuk resistor sintetik organik, penuaan pengikat organik adalah faktor utama yang mempengaruhi stabilitas resistor.Pengikat organik terutama merupakan resin sintetis, yang diubah menjadi polimer termoseting yang sangat terpolimerisasi dengan perlakuan panas selama proses pembuatan resistor.Faktor utama penyebab penuaan polimer adalah oksidasi.Radikal bebas yang dihasilkan oleh oksidasi menyebabkan pengikatan ikatan molekul polimer, yang selanjutnya menyembuhkan polimer dan membuatnya rapuh, mengakibatkan hilangnya elastisitas dan kerusakan mekanis.Curing pengikat menyebabkan resistor menyusut volumenya, meningkatkan tekanan kontak antara partikel konduktif dan menurunkan resistansi kontak, mengakibatkan penurunan resistansi, tetapi kerusakan mekanis pada pengikat juga meningkatkan resistansi.Biasanya pengikat terjadi sebelumnya, kerusakan mekanis terjadi setelahnya, sehingga nilai resistansi resistor sintetik organik menunjukkan pola sebagai berikut: beberapa penurunan di awal tahap, kemudian giliran meningkat, dan ada kecenderungan meningkat.Karena penuaan polimer terkait erat dengan suhu dan cahaya, resistor sintetik akan mempercepat penuaan di bawah lingkungan suhu tinggi dan paparan cahaya yang kuat.
Penuaan di bawah beban listrik: Menerapkan beban ke resistor akan mempercepat proses penuaan.Di bawah beban DC, tindakan elektrolitik dapat merusak resistor film tipis.Elektrolisis terjadi di antara slot resistor berlubang, dan jika substrat resistor adalah bahan keramik atau kaca yang mengandung ion logam alkali, ion bergerak di bawah aksi medan listrik di antara slot.Di lingkungan yang lembab, proses ini berlangsung lebih keras.
2) Kapasitor
Mode kegagalan kapasitor adalah hubung singkat, hubung terbuka, degradasi parameter listrik (termasuk perubahan kapasitas, peningkatan tangen sudut kerugian dan penurunan resistansi isolasi), kebocoran cairan, dan kerusakan korosi timbal.
Hubungan pendek: Busur terbang di tepi antara kutub pada suhu tinggi dan tekanan udara rendah akan menyebabkan hubungan pendek kapasitor, selain itu, tekanan mekanis seperti kejutan eksternal juga akan menyebabkan hubungan pendek sementara dielektrik.
Sirkuit terbuka: Oksidasi kabel timbal dan kontak elektroda yang disebabkan oleh lingkungan yang lembab dan panas, mengakibatkan tidak dapat diaksesnya tingkat rendah dan fraktur korosi pada foil timah anoda.
Degradasi parameter kelistrikan: Degradasi parameter kelistrikan akibat pengaruh lingkungan lembab.
2.6 Sirkuit tingkat papan
Papan sirkuit tercetak terutama terdiri dari substrat isolasi, kabel logam dan menghubungkan berbagai lapisan kabel, komponen solder "bantalan".Peran utamanya adalah menyediakan pembawa komponen elektronik, dan memainkan peran sambungan listrik dan mekanis.
Mode kegagalan papan sirkuit tercetak terutama mencakup penyolderan yang buruk, hubung singkat dan terbuka, terik, delaminasi papan pecah, korosi atau perubahan warna permukaan papan, pembengkokan papan
Waktu posting: Nov-21-2022