本論文では,電子部品の故障モードと故障メカニズムを研究し,それらの敏感な環境を与えて,電子製品の設計のための参照を提供する。
1. 典型的なコンポーネントの故障モード
シリアルナンバー
電子部品名
環境関連の障害モード
環境ストレス
1. 電気機械部品
振動はコイルの疲労破壊やケーブルの緩みの原因となります。
振動、衝撃
2. 半導体マイクロ波デバイス
高温および温度衝撃は、パッケージ材料とチップの間の界面、およびパッケージ材料とプラスチックで密封されたマイクロ波モノリスのチップホルダー界面の間で剥離を引き起こします。
高温、温度衝撃
3. 混成集積回路
衝撃はセラミック基板の亀裂につながり、温度衝撃はコンデンサ端部電極の亀裂につながり、温度サイクルははんだ付け不良につながります。
衝撃、温度サイクル
4. ディスクリートデバイスと集積回路
熱破壊、チップのはんだ付け不良、インナーリードのボンディング不良、パッシベーション層の破裂につながる衝撃。
高温、衝撃、振動
5. 抵抗成分
コア基板断裂、抵抗膜断裂、リード断線
衝撃、高温および低温
6. ボードレベル回路
はんだ接合部のひび割れ、銅の穴の破損。
高温
7. 電気掃除機
熱線の疲労破壊。
振動
2、典型的なコンポーネントの故障メカニズムの分析
電子部品の故障モードは単一ではなく、より一般的な結論を得るために、典型的な部品に敏感な環境許容限界分析の代表的な部分にすぎません。
2.1 電気機械部品
典型的な電気機械部品には、電気コネクタ、リレーなどが含まれます。故障モードは、2 種類の部品それぞれの構造とともに詳細に分析されます。
1) 電気コネクタ
シェルによる電気コネクタ、絶縁体、接触体の 3 つの基本ユニットの故障モードは、接触故障、絶縁故障、機械故障の 3 つの故障形態にまとめられます。接触不良のための電気コネクタの故障の主な形態、その性能の故障：瞬間的な切断と接触抵抗の増加の接触。電気コネクタの場合、接触抵抗と材料導体抵抗の存在により、電気コネクタに電流が流れると、接触抵抗と金属材料導体抵抗がジュール熱を発生させ、ジュール熱が熱を増加させ、結果として接触点の温度、接触点の温度が高すぎると、金属の接触面が軟化、溶融、または沸騰するだけでなく、接触抵抗が増加し、接触不良を引き起こします。.高温環境の役割では、接触部品もクリープ現象が発生し、接触部品間の接触圧力が低下します。接触圧力がある程度低下すると、接触抵抗が急激に増加し、最終的には接触不良を引き起こし、接触不良に至ります。
一方、保管、輸送、および作業中の電気コネクタは、外部振動負荷励起周波数と固有周波数に近い電気コネクタが電気コネクタを共振させると、さまざまな振動負荷と衝撃力の影響を受けます。その結果、接触片間のギャップが大きくなり、ギャップがある程度大きくなると、接触圧力が瞬間的になくなり、電気的接触が「瞬間的に切れる」という現象が発生します。振動、衝撃荷重では、電気コネクタは内部応力を発生させます。応力が材料の降伏強度を超えると、材料が損傷したり破損したりします。この長期的な応力の役割で、材料は疲労損傷も発生し、最終的に故障を引き起こします。
2) リレー
電磁リレーは、一般にコア、コイル、アーマチュア、接点、リードなどで構成されています。コイルの両端に一定の電圧が加えられている限り、一定の電流がコイルに流れ、電磁効果が生じ、アーマチュアは電磁吸引力に打ち勝って、コアへのスプリングプルに戻ります。次に、アーマチュアの可動接点と静的接点 (通常開接点) を閉じます。コイルの電源を切ると、電磁吸引力もなくなり、アーマチュアはバネの反力で元の位置に戻り、可動接点と元の静的接点（常閉接点）が吸引されます。この吸引と解放により、回路の導通と遮断の目的が達成されます。
電磁リレーの全体的な故障の主なモードは次のとおりです。リレーの通常開、リレーの通常閉、リレーの動的ばね動作が要件を満たしていない、リレーの電気パラメータが不良を超えた後の接点閉鎖。電磁リレーの製造工程が不足しているため、製造工程での多くの電磁リレーの故障は、機械的応力の緩和期間が短すぎて、成形部品の変形後に機械構造が生じ、残留物の除去が尽きないなど、隠れた危険の品質を築くその結果、PIND テストに失敗したり、さらには失敗したりします。工場でのテストとスクリーニングの使用は厳密ではないため、デバイスが使用に失敗するなどの原因となります。衝撃環境は、金属接点の塑性変形を引き起こし、リレーの故障につながる可能性があります。リレーを含む機器の設計では、衝撃環境への適応性を重視する必要があります。
2.2 半導体マイクロ波部品
マイクロ波半導体デバイスは、マイクロ波帯で動作する Ge、Si、および III ～ V 化合物半導体材料で作られたコンポーネントです。それらは、レーダー、電子戦システム、マイクロ波通信システムなどの電子機器で使用されます。コアとピンの電気的接続と機械的および化学的保護を提供することに加えて、マイクロ波ディスクリート デバイスのパッケージングでは、ハウジングの設計と選択では、デバイスのマイクロ波伝送特性に対するハウジングの寄生パラメータの影響も考慮する必要があります。マイクロ波ハウジングも回路の一部であり、それ自体が完全な入力および出力回路を構成します。したがって、ハウジングの形状と構造、サイズ、誘電体材料、導体構成などは、コンポーネントのマイクロ波特性と回路アプリケーションの側面に一致する必要があります。これらの要因は、静電容量、電気リード抵抗、特性インピーダンス、およびチューブ ハウジングの導体および誘電損失などのパラメータを決定します。
環境に関連するマイクロ波半導体コンポーネントの故障モードとメカニズムには、主にゲート メタル シンクと抵抗特性の劣化が含まれます。ゲート メタル シンクは、ゲート メタル (Au) の GaAs への熱加速拡散によるものであり、この故障メカニズムは主に加速寿命試験または超高温動作中に発生します。ゲート金属 (Au) の GaAs への拡散速度は、ゲート金属材料の拡散係数、温度、および材料濃度勾配の関数です。完全な格子構造の場合、通常の動作温度では非常に遅い拡散速度によってデバイスの性能が影響を受けることはありませんが、粒子境界が大きい場合や多くの表面欠陥がある場合、拡散速度は大きくなる可能性があります。抵抗器は、フィードバック回路用のマイクロ波モノリシック集積回路で一般的に使用され、アクティブデバイスのバイアスポイントを設定し、分離、電力合成、または結合の終わりに使用されます。抵抗には、金属膜抵抗 (TaN、NiCr) と低濃度ドープ GaAs の 2 つの構造があります。薄層抵抗。テストによると、湿度による NiCr 耐性の低下が主な故障メカニズムであることが示されています。
2.3 混成集積回路
従来の混成集積回路は、厚膜ガイド テープの基板表面によると、薄膜ガイド テープ プロセスは、厚膜混成集積回路と薄膜混成集積回路の 2 つのカテゴリに分けられます。特定の小型プリント回路基板 (PCB) 回路、プリント回路は、フラット基板の表面にフィルム状の導電パターンを形成しているため、混成集積回路にも分類されます。マルチチップ部品の登場により、この高度な混成集積回路は、基板独自の多層配線構造とスルーホールプロセス技術により、基板と同義の高密度配線構造の混成集積回路となっています。マルチチップ部品では、薄膜多層、厚膜多層、高温同時焼成、低温同時焼成、シリコンベース、PCB 多層基板などがあります。
ハイブリッド集積回路の環境ストレス障害モードには、主に、基板の亀裂や、コンポーネントと厚膜導体、コンポーネントと薄膜導体、基板とハウジングの間の溶接障害によって引き起こされる電気的開回路障害が含まれます。製品落下による機械的衝撃、はんだ付け作業による熱衝撃、基板の反りムラによる付加応力、基板と金属筐体や接合材との熱的ミスマッチによる横方向引張応力、基板内部欠陥による機械的応力または熱応力集中、破損の可能性基板の穴あけや基板の切断によって引き起こされる局所的な微小クラックは、最終的にセラミック基板の固有の機械的強度を超える外部機械的応力につながり、結果として故障につながります。
はんだ構造は繰り返される温度サイクル応力の影響を受けやすく、はんだ層の熱疲労につながり、結合強度が低下し、熱抵抗が増加する可能性があります。スズベースのクラスの延性はんだの場合、はんだ層の熱疲労につながる温度周期応力の役割は、はんだによって接続された2つの構造の熱膨張係数が一致しないためであり、はんだ変位変形またはせん断変形です。繰り返した後、疲労亀裂の拡大と拡張を伴うはんだ層は、最終的にはんだ層の疲労破壊につながります。
2.4 ディスクリートデバイスと集積回路
半導体ディスクリート デバイスは、ダイオード、バイポーラ トランジスタ、MOS 電界効果管、サイリスタ、および絶縁ゲート バイポーラ トランジスタに大別されます。集積回路には幅広い用途があり、その機能に応じて、デジタル集積回路、アナログ集積回路、およびデジタルとアナログの混合集積回路の 3 つのカテゴリに分けることができます。
1) ディスクリートデバイス
ディスクリート デバイスにはさまざまな種類があり、機能やプロセスが異なるため独自の特性があり、故障時のパフォーマンスに大きな違いがあります。ただし、半導体プロセスによって形成される基本的なデバイスとして、それらの故障物理には一定の類似点があります。外部の力学および自然環境に関連する主な故障は、熱破壊、動的アバランシェ、チップのはんだ付けの故障、および内部のリード ボンディングの故障です。
熱破壊：熱破壊または二次破壊は、半導体パワーコンポーネントに影響を与える主な故障メカニズムであり、使用中の損傷のほとんどは二次破壊現象に関連しています。二次降伏は、順バイアス二次降伏と逆バイアス二次降伏に分けられます。前者は主に、デバイスのドーピング濃度、真性濃度などのデバイス自体の熱特性に関連し、後者は空間電荷領域 (コレクタ付近など) でのキャリアのアバランシェ増倍に関連しています。そのうち、常にデバイス内の電流の集中が伴います。このようなコンポーネントのアプリケーションでは、熱保護と熱放散に特別な注意を払う必要があります。
動的アバランシェ: 外力または内部力による動的シャットダウン中に、自由キャリア濃度の影響を受けるデバイス内部で発生する電流制御の衝突イオン化現象により、バイポーラ デバイス、ダイオード、および IGBT で発生する可能性がある動的アバランシェが発生します。
チップはんだの故障: 主な理由は、チップとはんだが異なる熱膨張係数を持つ異なる材料であるため、高温で熱の不一致が生じることです。さらに、はんだボイドが存在すると、デバイスの熱抵抗が増加し、熱放散が悪化して局所領域にホット スポットが形成され、ジャンクション温度が上昇し、エレクトロマイグレーションなどの温度関連の障害が発生します。
インナーリードの接合不良：高温多湿の塩水噴霧環境下での水蒸気、塩素元素等の作用によるアルミニウムの腐食が引き金となり、主に接合部の腐食不良。温度サイクルや振動によるアルミボンディングリードの疲労破壊。モジュールパッケージ内の IGBT はサイズが大きく、不適切な方法で取り付けると応力集中が非常に起こりやすく、モジュールの内部リードの疲労破壊につながります。
2) 集積回路
集積回路の故障メカニズムと環境の使用には大きな関係があります。湿度の高い環境での湿気、静電気や電気サージによって発生する損傷、テキストの多用、放射線のない放射線環境での集積回路の使用などです。抵抗強化もデバイスの故障を引き起こす可能性があります。
アルミニウムに関連する界面効果: シリコン系材料を使用した電子デバイスでは、誘電体膜として SiO2 層が広く使用されており、アルミニウムは相互接続ラインの材料としてよく使用されます。高温での SiO2 とアルミニウムは化学反応を起こし、アルミニウム層が薄くなると、反応消費により SiO2 層が枯渇すると、アルミニウムとシリコンが直接接触します。さらに、金のリード線とアルミニウムの相互接続ライン、またはアルミニウムのボンディング ワイヤとチューブ シェルの金メッキのリード線のボンディングにより、Au-Al インターフェース コンタクトが生成されます。これら 2 つの金属の化学ポテンシャルが異なるため、200 ℃ を超える高温で長期間使用または保管した後、さまざまな金属間化合物が生成されます。また、それらの格子定数と熱膨張係数が異なるため、内部の結合点で異なります。応力が大きいと導電率が小さくなる。
メタライゼーションの腐食: チップ上のアルミニウム接続ラインは、高温多湿の環境では水蒸気による腐食を受けやすくなっています。価格の相殺と大量生産の容易さから、多くの集積回路は樹脂で封止されていますが、水蒸気が樹脂を通過してアルミニウム配線に到達し、外部から持ち込まれた、または樹脂に溶解した不純物が金属アルミニウムと作用して、アルミニウム相互接続の腐食。
水蒸気によって引き起こされる剥離効果: プラスチック IC は、プラスチック材料と金属フレームおよびチップの間の剥離効果 (一般に「ポップコーン」効果として知られている) に加えて、プラスチックおよびその他の樹脂ポリマー材料でカプセル化された集積回路です。樹脂材料は水蒸気を吸着する特性があるため、水蒸気の吸着による剥離効果もデバイスの故障の原因となります。.故障のメカニズムは、高温でプラスチック シール材料内の水分が急速に膨張することです。その結果、プラスチックと他の材料の付着物が分離し、深刻なケースでは、プラスチック シール ボディが破裂します。
2.5 容量性抵抗成分
1) 抵抗器
一般的な非巻線抵抗器は、抵抗器本体に使用される材料の違いにより、合金タイプ、フィルム タイプ、厚膜タイプ、合成タイプの 4 つのタイプに分けることができます。固定抵抗器の主な故障モードは、開回路、電気パラメータのドリフトなどです。一方、ポテンショメータの場合、主な故障モードは開回路、電気パラメータのドリフト、ノイズの増加などです。使用環境も抵抗器の経年劣化につながり、電子機器の寿命に大きな影響を与えます。
酸化: 抵抗器本体の酸化は抵抗値を増加させ、抵抗器の老化を引き起こす最も重要な要因です。貴金属や合金で作られた抵抗体を除いて、他のすべての材料は空気中の酸素によって損傷を受けます。酸化は長期的な影響であり、他の要因の影響が徐々に減少すると、酸化が主な要因になり、高温高湿環境は抵抗器の酸化を加速します。精密抵抗器や高抵抗値抵抗器の場合、酸化防止の基本はシール保護です。シーリング材は、金属、セラミック、ガラスなどの無機材料である必要があります。有機保護層は、透湿性と通気性を完全に防止することはできず、酸化と吸着を遅らせる役割しか果たしません。
結合剤の老化: 有機合成抵抗器の場合、有機結合剤の老化は抵抗器の安定性に影響を与える主な要因です。有機バインダは主に合成樹脂であり、抵抗器の製造工程での熱処理により高重合熱硬化性ポリマーに変化します。ポリマーの老化を引き起こす主な要因は酸化です。酸化によって生成されたフリーラジカルは、ポリマー分子結合のヒンジを引き起こし、ポリマーをさらに硬化させて脆くし、弾性の損失と機械的損傷をもたらします.バインダーが硬化すると、抵抗器の体積が収縮し、導電性粒子間の接触圧力が増加して接触抵抗が減少し、結果として抵抗が減少しますが、バインダーへの機械的損傷も抵抗を増加させます。通常、バインダーの硬化は先に、機械的損傷はその後に発生するため、有機合成抵抗器の抵抗値は初期段階で低下し、その後上昇に転じ、上昇する傾向にあります。ポリマーの老化は温度と光に密接に関係しているため、合成抵抗器は高温環境や強い光にさらされると老化が加速します。
電気負荷下での老化: 抵抗器に負荷をかけると、老化プロセスが加速します。DC 負荷がかかると、電解作用により薄膜抵抗が損傷する可能性があります。スロット付き抵抗器のスロット間で電気分解が起こり、抵抗器基板がアルカリ金属イオンを含むセラミックまたはガラス材料である場合、イオンはスロット間の電界の作用で移動します。湿度の高い環境では、このプロセスはより激しく進行します。
2) コンデンサ
コンデンサの故障モードは、短絡、開回路、電気的パラメータの劣化 (容量の変化、損失角正接の増加、絶縁抵抗の低下を含む)、液漏れ、およびリードの腐食破損です。
短絡: 高温および低気圧での極間のエッジでのフライング アークは、コンデンサの短絡につながります。さらに、外部衝撃などの機械的ストレスも誘電体の一時的な短絡を引き起こします。
開回路: 湿度が高く高温の環境によって引き起こされるリード線と電極接点の酸化により、低レベルのアクセス不能とアノード リード フォイルの腐食破壊が発生します。
電気的パラメータの劣化: 湿気の多い環境の影響による電気的パラメータの劣化。
2.6 ボードレベル回路
プリント回路基板は、主に絶縁基板、金属配線、さまざまなワイヤ層の接続、はんだ部品「パッド」で構成されています。その主な役割は、電子部品のキャリアを提供し、電気的および機械的接続の役割を果たすことです。
プリント回路基板の故障モードには、主に、はんだ付け不良、開回路および短絡回路、ふくれ、破裂した基板の剥離、基板表面の腐食または変色、基板の曲がりが含まれます。
投稿時間: 2022 年 11 月 21 日