Environnement sensible et mode de défaillance des composants électroniques

Dans cet article, les modes de défaillance et les mécanismes de défaillance des composants électroniques sont étudiés et leurs environnements sensibles sont donnés pour fournir une référence pour la conception de produits électroniques.
1. Modes de défaillance typiques des composants
Numéro de série
Nom du composant électronique
Modes de défaillance liés à l'environnement
Stress environnemental

1. Composants électromécaniques
Les vibrations provoquent la rupture par fatigue des bobines et le relâchement des câbles.
Vibration, choc

2. Dispositifs micro-ondes à semi-conducteurs
Une température élevée et un choc thermique conduisent à un délaminage à l'interface entre le matériau du boîtier et la puce, et entre le matériau du boîtier et l'interface du support de puce du monolithe hyperfréquence scellé en plastique.
Haute température, choc thermique

3. Circuits intégrés hybrides
Les chocs entraînent la fissuration du substrat céramique, les chocs thermiques entraînent la fissuration de l'électrode d'extrémité du condensateur et les cycles de température entraînent une défaillance de la soudure.
Choc, cycle de température

4. Dispositifs discrets et circuits intégrés
Défaillance thermique, échec de la soudure des puces, échec de la liaison du fil interne, choc entraînant la rupture de la couche de passivation.
Haute température, choc, vibration

5. Composants résistifs
Rupture du substrat central, rupture du film résistif, rupture du plomb
Choc, haute et basse température

6. Circuit au niveau de la carte
Joints de soudure fissurés, trous de cuivre fracturés.
Haute température

7. Aspirateur électrique
Rupture de fatigue du fil chaud.
Vibration
2, analyse typique du mécanisme de défaillance des composants
Le mode de défaillance des composants électroniques n'est pas un seul, seulement une partie représentative de l'analyse de la limite de tolérance de l'environnement sensible des composants typiques, afin d'obtenir une conclusion plus générale.
2.1 Composants électromécaniques
Les composants électromécaniques typiques comprennent les connecteurs électriques, les relais, etc. Les modes de défaillance sont analysés en profondeur avec la structure des deux types de composants respectivement.

1) Connecteurs électriques
Connecteur électrique par la coque, l'isolant et le corps de contact des trois unités de base, le mode de défaillance est résumé dans la défaillance du contact, la défaillance de l'isolation et la défaillance mécanique des trois formes de défaillance.La principale forme de défaillance du connecteur électrique est la défaillance du contact, la défaillance de ses performances: le contact sur la coupure instantanée et la résistance de contact augmentent.Pour les connecteurs électriques, en raison de l'existence d'une résistance de contact et d'une résistance de conducteur de matériau, lorsqu'il y a un flux de courant à travers le connecteur électrique, la résistance de contact et la résistance de conducteur de matériau métallique généreront de la chaleur Joule, la chaleur Joule augmentera la chaleur, entraînant une augmentation de la température du point de contact, une température de point de contact trop élevée fera ramollir, fondre ou même bouillir la surface de contact du métal, mais augmentera également la résistance de contact, déclenchant ainsi une rupture de contact..Dans le rôle de l'environnement à haute température, les pièces de contact apparaîtront également un phénomène de fluage, faisant diminuer la pression de contact entre les pièces de contact.Lorsque la pression de contact est réduite dans une certaine mesure, la résistance de contact augmente fortement et provoque finalement un mauvais contact électrique, entraînant une défaillance du contact.

D'autre part, le connecteur électrique dans le stockage, le transport et le travail, sera soumis à une variété de charges de vibration et de forces d'impact, lorsque la fréquence d'excitation de charge de vibration externe et les connecteurs électriques proches de la fréquence inhérente, feront la résonance du connecteur électrique phénomène, résultant en l'espace entre les pièces de contact devient plus grand, l'espace augmente dans une certaine mesure, la pression de contact disparaîtra instantanément, entraînant un contact électrique "rupture instantanée".Dans la vibration, la charge de choc, le connecteur électrique générera une contrainte interne, lorsque la contrainte dépasse la limite d'élasticité du matériau, endommagera et fracturera le matériau;dans le rôle de cette contrainte à long terme, le matériau se produira également des dommages de fatigue, et finalement provoquera une défaillance.

2) Relais
Les relais électromagnétiques sont généralement composés de noyaux, de bobines, d'armatures, de contacts, d'anches, etc.Tant qu'une certaine tension est ajoutée aux deux extrémités de la bobine, un certain courant circulera dans la bobine, produisant ainsi un effet électromagnétique, l'armature surmontera la force d'attraction électromagnétique pour revenir à la traction du ressort vers le noyau, ce qui entraîne à son tour la fermeture des contacts mobiles et des contacts statiques de l'induit (contacts normalement ouverts).Lorsque la bobine est éteinte, la force d'aspiration électromagnétique disparaît également, l'armature reviendra à sa position d'origine sous la force de réaction du ressort, de sorte que le contact mobile et le contact statique d'origine (contact normalement fermé) aspirent.Cette aspiration et cette libération, réalisant ainsi l'objectif de conduction et de coupure dans le circuit.
Les principaux modes de défaillance globale des relais électromagnétiques sont : le relais normalement ouvert, le relais normalement fermé, l'action du ressort dynamique du relais ne répond pas aux exigences, la fermeture du contact après que les paramètres électriques du relais dépassent les pauvres.En raison de la pénurie de processus de production de relais électromagnétiques, de nombreux relais électromagnétiques échouent dans le processus de production pour établir la qualité des dangers cachés, tels que la période de soulagement des contraintes mécaniques est trop courte, ce qui entraîne une structure mécanique après la déformation des pièces de moulage, l'élimination des résidus n'est pas épuisée résultant en un échec ou même un échec du test PIND, les tests en usine et l'utilisation du dépistage ne sont pas stricts, de sorte que l'échec de l'appareil en cours d'utilisation, etc. L'environnement d'impact est susceptible de provoquer une déformation plastique des contacts métalliques, entraînant une défaillance du relais.Lors de la conception d'équipements contenant des relais, il est nécessaire de se concentrer sur l'impact de l'adaptabilité à l'environnement à prendre en compte.

2.2 Composants micro-ondes semi-conducteurs
Les dispositifs semi-conducteurs hyperfréquences sont des composants constitués de matériaux semi-conducteurs composés Ge, Si et III ~ V qui fonctionnent dans la bande hyperfréquence.Ils sont utilisés dans les équipements électroniques tels que les radars, les systèmes de guerre électronique et les systèmes de communication par micro-ondes.En plus de fournir des connexions électriques et une protection mécanique et chimique pour le noyau et les broches, la conception et la sélection du boîtier doivent également tenir compte de l'impact des paramètres parasites du boîtier sur les caractéristiques de transmission des micro-ondes du dispositif.Le boîtier hyperfréquence fait également partie du circuit, qui lui-même constitue un circuit d'entrée et de sortie complet.Par conséquent, la forme et la structure du boîtier, la taille, le matériau diélectrique, la configuration des conducteurs, etc. doivent correspondre aux caractéristiques micro-ondes des composants et aux aspects d'application du circuit.Ces facteurs déterminent des paramètres tels que la capacité, la résistance du conducteur électrique, l'impédance caractéristique et les pertes conductrices et diélectriques du boîtier du tube.

Les modes et mécanismes de défaillance pertinents pour l'environnement des composants semi-conducteurs micro-ondes comprennent principalement le puits métallique de grille et la dégradation des propriétés résistives.Le puits de métal de grille est dû à la diffusion thermiquement accélérée du métal de grille (Au) dans GaAs, de sorte que ce mécanisme de défaillance se produit principalement lors de tests de durée de vie accélérée ou de fonctionnement à des températures extrêmement élevées.Le taux de diffusion du métal de grille (Au) dans GaAs est fonction du coefficient de diffusion du matériau métallique de grille, de la température et du gradient de concentration du matériau.Pour une structure de réseau parfaite, les performances de l'appareil ne sont pas affectées par une vitesse de diffusion très lente à des températures de fonctionnement normales, cependant, la vitesse de diffusion peut être importante lorsque les limites des particules sont grandes ou qu'il existe de nombreux défauts de surface.Les résistances sont couramment utilisées dans les circuits intégrés monolithiques hyperfréquences pour les circuits de rétroaction, le réglage du point de polarisation des dispositifs actifs, l'isolation, la synthèse de puissance ou la fin de couplage, il existe deux structures de résistance : la résistance à couche métallique (TaN, NiCr) et GaAs légèrement dopé résistance des couches minces.Les tests montrent que la dégradation de la résistance du NiCr causée par l'humidité est le principal mécanisme de sa défaillance.

2.3 Circuits intégrés hybrides
Circuits intégrés hybrides traditionnels, selon la surface du substrat de la bande de guidage à couche épaisse, le processus de bande de guidage à couche mince est divisé en deux catégories de circuits intégrés hybrides à couche épaisse et de circuits intégrés hybrides à couche mince : certains petits circuits imprimés (PCB), en raison du circuit imprimé est sous la forme d'un film dans la surface du panneau plat pour former un motif conducteur, également classé comme un circuit intégré hybride.Avec l'émergence de composants multi-puces, ce circuit intégré hybride avancé, sa structure de câblage multicouche unique de substrat et sa technologie de processus traversant, ont fait des composants un circuit intégré hybride dans une structure d'interconnexion haute densité synonyme du substrat utilisé. dans les composants multi-puces et comprennent: multicouche à couche mince, multicouche à couche épaisse, co-cuit à haute température, co-cuit à basse température, à base de silicium, substrat multicouche PCB, etc.

Les modes de défaillance des contraintes environnementales des circuits intégrés hybrides comprennent principalement les défaillances électriques en circuit ouvert causées par la fissuration du substrat et la défaillance du soudage entre les composants et les conducteurs à couche épaisse, les composants et les conducteurs à couche mince, le substrat et le boîtier.Impact mécanique dû à la chute du produit, choc thermique dû à l'opération de soudage, contrainte supplémentaire causée par les irrégularités de gauchissement du substrat, contrainte de traction latérale due à l'inadéquation thermique entre le substrat et le boîtier métallique et le matériau de liaison, contrainte mécanique ou concentration de contrainte thermique causée par des défauts internes du substrat, dommages potentiels causées par le perçage du substrat et la coupe du substrat micro-fissures locales, conduisent finalement à une contrainte mécanique externe supérieure à la résistance mécanique inhérente du substrat céramique qui Le résultat est une défaillance.

Les structures de soudure sont sensibles aux contraintes répétées des cycles de température, ce qui peut entraîner une fatigue thermique de la couche de soudure, entraînant une force de liaison réduite et une résistance thermique accrue.Pour la classe de soudure ductile à base d'étain, le rôle de la contrainte cyclique de température conduit à la fatigue thermique de la couche de soudure est due au coefficient de dilatation thermique des deux structures reliées par la soudure est incohérent, est la déformation par déplacement de la soudure ou la déformation par cisaillement, après plusieurs reprises, la couche de soudure avec l'expansion et l'extension des fissures de fatigue, conduisant finalement à une défaillance par fatigue de la couche de soudure.
2.4 Dispositifs discrets et circuits intégrés
Les dispositifs discrets à semi-conducteurs sont divisés en diodes, transistors bipolaires, tubes à effet de champ MOS, thyristors et transistors bipolaires à grille isolée par grandes catégories.Les circuits intégrés ont une large gamme d'applications et peuvent être divisés en trois catégories selon leurs fonctions, à savoir les circuits intégrés numériques, les circuits intégrés analogiques et les circuits intégrés mixtes numériques-analogiques.

1) Appareils discrets
Les dispositifs discrets sont de différents types et ont leur propre spécificité en raison de leurs différentes fonctions et processus, avec des différences significatives dans les performances de défaillance.Cependant, en tant que dispositifs de base formés par des processus semi-conducteurs, il existe certaines similitudes dans leur physique de défaillance.Les principales défaillances liées à la mécanique externe et à l'environnement naturel sont les claquages ​​thermiques, les avalanches dynamiques, les défauts de soudure des puces et les défauts de liaison des conducteurs internes.

Panne thermique : La panne thermique ou panne secondaire est le principal mécanisme de défaillance affectant les composants de puissance à semi-conducteurs, et la plupart des dommages pendant l'utilisation sont liés au phénomène de panne secondaire.La ventilation secondaire est divisée en ventilation secondaire à polarisation directe et ventilation secondaire à polarisation inverse.Le premier est principalement lié aux propriétés thermiques propres au dispositif, telles que la concentration de dopage du dispositif, la concentration intrinsèque, etc., tandis que le second est lié à la multiplication par avalanche de porteurs dans la région de charge d'espace (comme près du collecteur), à la fois qui sont toujours accompagnés de la concentration de courant à l'intérieur de l'appareil.Lors de l'application de tels composants, une attention particulière doit être accordée à la protection thermique et à la dissipation thermique.

Avalanche dynamique : lors d'un arrêt dynamique dû à des forces externes ou internes, le phénomène d'ionisation collisionnelle contrôlé par le courant qui se produit à l'intérieur de l'appareil influencé par la concentration de porteurs libres provoque une avalanche dynamique, qui peut se produire dans les appareils bipolaires, les diodes et les IGBT.

Défaillance de la soudure de la puce : la raison principale est que la puce et la soudure sont des matériaux différents avec des coefficients de dilatation thermique différents, il y a donc un décalage thermique à haute température.De plus, la présence de vides de soudure augmente la résistance thermique du dispositif, aggravant la dissipation thermique et formant des points chauds dans la zone locale, augmentant la température de jonction et provoquant des défaillances liées à la température telles que l'électromigration.

Défaillance de la liaison interne du plomb : principalement une défaillance de corrosion au point de liaison, déclenchée par la corrosion de l'aluminium causée par l'action de la vapeur d'eau, des éléments chlorés, etc. dans un environnement de brouillard salin chaud et humide.Rupture de fatigue des fils de liaison en aluminium causée par un cycle de température ou des vibrations.L'IGBT dans le boîtier du module est de grande taille, et s'il est installé de manière incorrecte, il est très facile de provoquer une concentration de contraintes, entraînant une rupture par fatigue des conducteurs internes du module.

2) Circuit intégré
Le mécanisme de défaillance des circuits intégrés et l'utilisation de l'environnement ont une grande relation, l'humidité dans un environnement humide, les dommages générés par l'électricité statique ou les surtensions électriques, une utilisation trop élevée du texte et l'utilisation de circuits intégrés dans un environnement radiatif sans rayonnement le renforcement de la résistance peut également provoquer la défaillance de l'appareil.

Effets d'interface liés à l'aluminium : dans les appareils électroniques avec des matériaux à base de silicium, la couche de SiO2 en tant que film diélectrique est largement utilisée, et l'aluminium est souvent utilisé comme matériau pour les lignes d'interconnexion, le SiO2 et l'aluminium à haute température seront une réaction chimique, de sorte que la couche d'aluminium devienne mince, si la couche de SiO2 est épuisée en raison de la consommation de réaction, cela provoquera un contact direct entre l'aluminium et le silicium.De plus, le fil conducteur en or et la ligne d'interconnexion en aluminium ou le fil de liaison en aluminium et la liaison du fil conducteur plaqué or de l'enveloppe du tube produiront un contact d'interface Au-Al.En raison du potentiel chimique différent de ces deux métaux, après une utilisation à long terme ou un stockage à des températures élevées supérieures à 200 ℃ produiront une variété de composés intermétalliques, et en raison de leurs constantes de réseau et des coefficients de dilatation thermique sont différents, dans le point de liaison à l'intérieur une contrainte importante, la conductivité devient faible.

Corrosion de la métallisation : La ligne de connexion en aluminium sur la puce est sensible à la corrosion par la vapeur d'eau dans un environnement chaud et humide.En raison de la compensation des prix et de la production de masse facile, de nombreux circuits intégrés sont encapsulés avec de la résine, cependant, la vapeur d'eau peut traverser la résine pour atteindre les interconnexions en aluminium, et les impuretés apportées de l'extérieur ou dissoutes dans la résine agissent avec l'aluminium métallique pour provoquer corrosion des interconnexions en aluminium.

L'effet de délaminage causé par la vapeur d'eau : le circuit intégré en plastique est le circuit intégré encapsulé avec du plastique et d'autres matériaux polymères de résine, en plus de l'effet de délaminage entre le matériau plastique et le cadre métallique et la puce (communément appelé effet "popcorn"), étant donné que le matériau de résine présente les caractéristiques d'adsorption de vapeur d'eau, l'effet de délaminage provoqué par l'adsorption de vapeur d'eau entraînera également la défaillance du dispositif..Le mécanisme de défaillance est l'expansion rapide de l'eau dans le matériau d'étanchéité en plastique à des températures élevées, de sorte que la séparation entre le plastique et sa fixation d'autres matériaux, et dans les cas graves, le corps d'étanchéité en plastique éclatera.

2.5 Composants résistifs capacitifs
1) Résistances
Les résistances sans enroulement courantes peuvent être divisées en quatre types selon les différents matériaux utilisés dans le corps de la résistance, à savoir le type d'alliage, le type de film, le type de film épais et le type synthétique.Pour les résistances fixes, les principaux modes de défaillance sont le circuit ouvert, la dérive des paramètres électriques, etc. ;tandis que pour les potentiomètres, les principaux modes de défaillance sont le circuit ouvert, la dérive des paramètres électriques, l'augmentation du bruit, etc. L'environnement d'utilisation entraînera également le vieillissement de la résistance, ce qui a un impact important sur la durée de vie des équipements électroniques.

Oxydation : l'oxydation du corps de la résistance augmente la valeur de la résistance et constitue le facteur le plus important à l'origine du vieillissement de la résistance.À l'exception des corps de résistance en métaux précieux et alliages, tous les autres matériaux seront endommagés par l'oxygène de l'air.L'oxydation est un effet à long terme, et lorsque l'influence d'autres facteurs diminue progressivement, l'oxydation deviendra le facteur principal, et les environnements à haute température et à forte humidité accéléreront l'oxydation des résistances.Pour les résistances de précision et les résistances à haute valeur ohmique, la mesure fondamentale pour éviter l'oxydation est la protection d'étanchéité.Les matériaux d'étanchéité doivent être des matériaux inorganiques, tels que le métal, la céramique, le verre, etc. La couche protectrice organique ne peut pas empêcher complètement la perméabilité à l'humidité et la perméabilité à l'air, et ne peut jouer qu'un rôle retardateur dans l'oxydation et l'adsorption.

Vieillissement du liant : Pour les résistances synthétiques organiques, le vieillissement du liant organique est le principal facteur affectant la stabilité de la résistance.Le liant organique est principalement une résine synthétique, qui est transformée en un polymère thermodurcissable hautement polymérisé par traitement thermique lors du processus de fabrication de la résistance.Le principal facteur provoquant le vieillissement des polymères est l'oxydation.Les radicaux libres générés par l'oxydation provoquent la charnière des liaisons moléculaires du polymère, ce qui durcit davantage le polymère et le rend cassant, entraînant une perte d'élasticité et des dommages mécaniques.Le durcissement du liant fait rétrécir la résistance en volume, augmentant la pression de contact entre les particules conductrices et diminuant la résistance de contact, entraînant une diminution de la résistance, mais les dommages mécaniques au liant augmentent également la résistance.Habituellement, le durcissement du liant se produit avant, les dommages mécaniques se produisent après, de sorte que la valeur de résistance des résistances synthétiques organiques montre le schéma suivant : un certain déclin au début de l'étape, puis une augmentation, et il y a une tendance à l'augmentation.Étant donné que le vieillissement des polymères est étroitement lié à la température et à la lumière, les résistances synthétiques accéléreront le vieillissement dans un environnement à haute température et une forte exposition à la lumière.

Vieillissement sous charge électrique : appliquer une charge à une résistance accélérera son processus de vieillissement.Sous une charge CC, l'action électrolytique peut endommager les résistances à couches minces.L'électrolyse se produit entre les fentes d'une résistance à fentes, et si le substrat de la résistance est un matériau en céramique ou en verre contenant des ions de métaux alcalins, les ions se déplacent sous l'action du champ électrique entre les fentes.Dans un environnement humide, ce processus se déroule plus violemment.

2) Condensateurs
Les modes de défaillance des condensateurs sont le court-circuit, le circuit ouvert, la dégradation des paramètres électriques (y compris le changement de capacité, l'augmentation de la tangente de l'angle de perte et la diminution de la résistance d'isolement), la fuite de liquide et la rupture par corrosion du plomb.

Court-circuit : L'arc volant au bord entre les pôles à haute température et à basse pression d'air entraînera un court-circuit des condensateurs. De plus, la contrainte mécanique telle qu'un choc externe provoquera également un court-circuit transitoire du diélectrique.

Circuit ouvert : Oxydation des fils conducteurs et des contacts d'électrode causée par un environnement humide et chaud, entraînant une inaccessibilité de bas niveau et une rupture par corrosion de la feuille de plomb de l'anode.
Dégradation des paramètres électriques : Dégradation des paramètres électriques due à l'influence d'un environnement humide.

2.6 Circuit au niveau de la carte
La carte de circuit imprimé est principalement composée d'un substrat isolant, d'un câblage métallique et de différentes couches de fils de connexion, de composants de soudure "pastilles".Son rôle principal est de fournir un support pour les composants électroniques et de jouer le rôle de connexions électriques et mécaniques.

Le mode de défaillance de la carte de circuit imprimé comprend principalement une mauvaise soudure, un circuit ouvert et un court-circuit, des cloques, un délaminage de la carte éclatée, une corrosion ou une décoloration de la surface de la carte, une flexion de la carte