이 논문에서는 전자 부품의 고장 모드와 고장 메커니즘을 연구하고 전자 제품 설계에 대한 참고 자료를 제공하기 위해 민감한 환경을 제공합니다.
1. 일반적인 부품 고장 모드
일련 번호
전자 부품 이름
환경 관련 장애 모드
환경 스트레스
1. 전자기계 부품
진동은 코일의 피로 파손과 케이블의 풀림을 유발합니다.
진동, 충격
2. 반도체 마이크로파 장치
고온 및 온도 충격은 패키지 재료와 칩 사이의 인터페이스 및 패키지 재료와 플라스틱으로 밀봉된 마이크로웨이브 모노리스의 칩 홀더 인터페이스 사이에서 박리로 이어집니다.
고온, 온도 충격
3. 하이브리드 집적 회로
충격은 세라믹 기판 균열로 이어지고, 온도 충격은 커패시터 말단 전극 균열로 이어지며, 온도 순환은 납땜 실패로 이어집니다.
충격, 온도 주기
4. 개별 장치 및 집적 회로
열 파괴, 칩 솔더링 실패, 내부 리드 본딩 실패, 패시베이션 층 파열로 이어지는 충격.
고온, 충격, 진동
5. 저항성 부품
코어 기판 파열, 저항막 파열, 납 파손
충격, 고온 및 저온
6. 보드 레벨 회로
금이 간 솔더 조인트, 부서진 구리 구멍.
높은 온도
7. 전기 진공
열선의 피로 파단.
진동
2, 일반적인 부품 고장 메커니즘 분석
전자 부품의 고장 모드는 단일하지 않으며 일반적인 부품에 민감한 환경 허용 한계 분석의 대표적인 부분일 뿐이므로 보다 일반적인 결론을 얻을 수 있습니다.
2.1 전자기계 부품
일반적인 전기 기계 부품에는 전기 커넥터, 릴레이 등이 포함됩니다. 고장 모드는 각각 두 가지 유형의 부품 구조로 심층 분석됩니다.
1) 전기 커넥터
세 가지 기본 장치의 쉘, 절연체 및 접촉 본체에 의한 전기 커넥터, 고장 모드는 접촉 고장, 절연 고장 및 세 가지 형태의 고장의 기계적 고장으로 요약됩니다.접촉 실패에 대한 전기 커넥터의 주요 실패 형태, 성능 실패 : 순간 차단 및 접촉 저항 증가에 대한 접촉.전기 커넥터의 경우 접촉 저항 및 재료 도체 저항의 존재로 인해 전기 커넥터를 통해 전류가 흐를 때 접촉 저항 및 금속 재료 도체 저항이 주울 열을 생성하고 주울 열은 열을 증가시켜 접점 온도가 너무 높으면 금속의 접촉면이 연화, 용융 또는 비등하게 될 뿐만 아니라 접촉 저항이 증가하여 접촉 실패가 발생합니다..고온 환경의 역할에서 접촉 부분에도 크리프 현상이 나타나 접촉 부분 사이의 접촉 압력이 감소합니다.접촉 압력이 어느 정도 감소하면 접촉 저항이 급격히 증가하여 최종적으로 전기 접촉 불량을 일으켜 접촉 실패를 초래합니다.
다른 한편으로, 저장, 운송 및 작업의 전기 커넥터는 외부 진동 부하 여기 주파수 및 전기 커넥터가 고유 주파수에 가까워지면 전기 커넥터 공진을 일으킬 때 다양한 진동 부하 및 충격력을 받게 됩니다. 현상으로 인해 접촉 조각 사이의 간격이 커지고 간격이 어느 정도 증가하고 접촉 압력이 순간적으로 사라져 전기 접촉 "즉시 차단"이 발생합니다.진동, 충격 하중에서 전기 커넥터는 내부 응력을 생성하고 응력이 재료의 항복 강도를 초과하면 재료가 손상되고 파손됩니다.이 장기 응력의 역할에서 재료도 피로 손상을 일으키고 결국 고장을 일으킵니다.
2) 릴레이
전자기 릴레이는 일반적으로 코어, 코일, 전기자, 접점, 리드 등으로 구성됩니다.코일의 양쪽 끝에 특정 전압이 추가되는 한 특정 전류가 코일에 흐르므로 전자기 효과가 발생하고 전기자는 전자기 인력을 극복하여 코어로 스프링 당김으로 되돌아갑니다. 그러면 전기자의 이동 접점과 정적 접점(일반적으로 열린 접점)이 닫힙니다.코일의 전원이 꺼지면 전자기 흡입력도 사라지고 전기자는 스프링의 반력에 따라 원래 위치로 돌아가서 이동 접점과 원래의 정적 접점(일반적으로 닫힌 접점)이 흡입됩니다.이 흡입 및 방출, 따라서 전도의 목적을 달성하고 회로에서 차단합니다.
전자기 릴레이의 전체 고장의 주요 모드는 다음과 같습니다. 릴레이 정상 열림, 릴레이 정상 폐쇄, 릴레이 동적 스프링 동작이 요구 사항을 충족하지 못함, 릴레이 전기 매개 변수가 불량을 초과한 후 접점 폐쇄.전자기 릴레이 생산 공정의 부족으로 인해 기계적 응력 완화 기간이 너무 짧아 성형 부품 변형 후 기계적 구조가 발생하는 등 숨겨진 위험의 품질을 놓기 위해 생산 공정에서 많은 전자기 릴레이 오류가 발생하고 잔류 물 제거가 소진되지 않습니다. 결과적으로 PIND 테스트 실패 또는 실패, 공장 테스트 및 스크리닝 사용은 엄격하지 않으므로 장치의 사용 실패 등이 발생합니다. 충격 환경은 금속 접점의 소성 변형을 일으켜 릴레이 고장을 일으킬 수 있습니다.계전기를 포함하는 장비의 설계에서 고려해야 할 영향 환경 적응성에 초점을 맞출 필요가 있습니다.
2.2 반도체 마이크로웨이브 부품
마이크로파 반도체 소자는 마이크로파 대역에서 작동하는 Ge, Si 및 III~V족 화합물 반도체 재료로 만들어진 부품입니다.그들은 레이더, 전자전 시스템 및 마이크로파 통신 시스템과 같은 전자 장비에 사용됩니다.코어 및 핀에 대한 전기적 연결 및 기계적 및 화학적 보호를 제공하는 것 외에도 마이크로파 개별 장치 패키징, 하우징의 설계 및 선택은 장치의 마이크로파 전송 특성에 대한 하우징 기생 매개변수의 영향도 고려해야 합니다.마이크로웨이브 하우징은 회로의 일부이기도 하며 자체적으로 완전한 입력 및 출력 회로를 구성합니다.따라서 하우징의 모양과 구조, 크기, 유전체 재료, 도체 구성 등은 부품의 마이크로웨이브 특성 및 회로 적용 측면과 일치해야 합니다.이러한 요소는 커패시턴스, 전기 리드 저항, 특성 임피던스, 도체 및 튜브 하우징의 유전 손실과 같은 매개변수를 결정합니다.
마이크로웨이브 반도체 부품의 환경 관련 고장 모드 및 메커니즘에는 주로 게이트 금속 싱크 및 저항 특성 저하가 포함됩니다.게이트 금속 싱크는 GaAs로의 게이트 금속(Au)의 열 가속 확산으로 인해 발생하므로 이 실패 메커니즘은 주로 가속 수명 테스트 또는 초고온 작동 중에 발생합니다.GaAs로의 게이트 금속(Au) 확산 속도는 게이트 금속 재료의 확산 계수, 온도 및 재료 농도 구배의 함수입니다.완벽한 격자 구조의 경우 정상 작동 온도에서 매우 느린 확산 속도에 의해 소자 성능이 영향을 받지 않지만 입자 경계가 크거나 표면 결함이 많은 경우 확산 속도가 크게 나타날 수 있습니다.저항기는 일반적으로 피드백 회로용 마이크로웨이브 모놀리식 집적 회로에 사용되며 능동 장치의 바이어스 포인트 설정, 절연, 전력 합성 또는 커플링 끝에서 저항의 두 가지 구조가 있습니다: 금속 막 저항(TaN, NiCr) 및 약하게 도핑된 GaAs 얇은 층 저항.테스트 결과 습도로 인한 NiCr 저항의 저하가 고장의 주요 메커니즘인 것으로 나타났습니다.
2.3 하이브리드 집적 회로
전통적인 하이브리드 집적 회로는 후막 가이드 테이프의 기판 표면에 따라 박막 가이드 테이프 프로세스는 후막 하이브리드 집적 회로와 박막 하이브리드 집적 회로의 두 가지 범주로 나뉩니다. 특정 소형 인쇄 회로 기판(PCB) 회로, 인쇄 회로는 평판 표면에 필름 형태로 전도성 패턴을 형성하기 때문에 하이브리드 집적 회로로도 분류됩니다.다중 칩 구성 요소의 출현으로 이 고급 하이브리드 집적 회로, 기판 고유의 다층 배선 구조 및 스루홀 공정 기술은 구성 요소를 사용된 기판과 동의어인 고밀도 상호 연결 구조의 하이브리드 집적 회로로 만들었습니다. 다중 칩 구성 요소에는 박막 다층, 후막 다층, 고온 동시 소성, 저온 동시 소성, 실리콘 기반, PCB 다층 기판 등이 포함됩니다.
하이브리드 집적 회로 환경 스트레스 실패 모드는 주로 구성 요소와 후막 전도체, 구성 요소와 박막 전도체, 기판과 하우징 사이의 기판 균열 및 용접 실패로 인한 전기 개방 회로 오류를 포함합니다.제품 낙하로 인한 기계적 충격, 납땜 작업으로 인한 열충격, 기판 휨 불균일로 인한 추가 응력, 기판과 금속 하우징 및 접합 재료 사이의 열 불일치로 인한 측면 인장 응력, 기판 내부 결함으로 인한 기계적 응력 또는 열 응력 집중, 손상 가능성 기판 드릴링 및 기판 절단 국부적 미세 균열로 인해 결국 세라믹 기판의 고유한 기계적 강도보다 더 큰 외부 기계적 응력이 발생하여 그 결과 고장이 발생합니다.
솔더 구조는 반복되는 온도 순환 응력에 민감하여 솔더 레이어의 열 피로를 유발할 수 있으며, 그 결과 접합 강도가 감소하고 열 저항이 증가합니다.주석 계열의 연성 땜납의 경우, 온도 순환 응력의 역할은 땜납 층의 열 피로로 이어지며 땜납으로 연결된 두 구조의 열팽창 계수가 일치하지 않기 때문에 땜납 변위 변형 또는 전단 변형, 반복적으로, 피로 균열 확장 및 확장이 있는 솔더 레이어는 결국 솔더 레이어의 피로 실패로 이어집니다.
2.4 개별 장치 및 집적 회로
반도체 이산 장치는 다이오드, 바이폴라 트랜지스터, MOS 전계 효과 튜브, 사이리스터 및 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터로 넓은 범주로 나뉩니다.집적회로는 응용범위가 넓고 그 기능에 따라 디지털집적회로, 아날로그집적회로, 디지털-아날로그혼합집적회로의 3가지로 나눌 수 있다.
1) 개별 장치
이산 장치는 다양한 유형이 있으며 기능과 프로세스가 다르기 때문에 고유한 특성을 가지며 고장 성능에 상당한 차이가 있습니다.그러나 반도체 공정에 의해 형성되는 기본 장치로서 고장 물리학에 일정한 유사점이 있습니다.외부 기계 및 자연 환경과 관련된 주요 오류는 열 파괴, 동적 사태, 칩 납땜 오류 및 내부 리드 본딩 오류입니다.
열파괴: 열파괴 또는 2차파괴는 반도체 전력부품에 영향을 미치는 주요 고장 메커니즘으로, 사용 중 손상의 대부분은 2차파괴 현상과 관련이 있다.2차 항복은 순방향 바이어스 2차 항복과 역방향 바이어스 2차 항복으로 나뉩니다.전자는 주로 장치의 도핑 농도, 고유 농도 등과 같은 장치 자체의 열 특성과 관련이 있는 반면, 후자는 공간 전하 영역(예: 수집기 근처)에서 캐리어의 눈사태 증가와 관련됩니다. 그 중 항상 장치 내부의 전류 집중이 수반됩니다.이러한 구성 요소를 적용할 때 열 보호 및 방열에 특별한 주의를 기울여야 합니다.
동적 사태(Dynamic Avalanche): 외부 또는 내부의 힘으로 인한 동적 셧다운 시 자유 캐리어 농도에 영향을 받아 소자 내부에서 발생하는 전류 제어 충돌 이온화 현상은 양극성 소자, 다이오드 및 IGBT에서 발생할 수 있는 동적 사태를 유발합니다.
칩 솔더 불량: 주요 원인은 칩과 솔더가 서로 다른 열팽창 계수를 가진 다른 재료이기 때문에 고온에서 열 불일치가 발생하기 때문입니다.또한 솔더 보이드의 존재는 장치의 열 저항을 증가시켜 열 분산을 악화시키고 국부적으로 핫스팟을 형성하여 접합 온도를 높이고 일렉트로마이그레이션과 같은 온도 관련 장애를 유발합니다.
내부 납 접합 불량: 고온 다습한 염수 분무 환경에서 수증기, 염소 원소 등의 작용으로 인한 알루미늄의 부식에 의해 주로 접합 지점에서 부식 불량이 발생합니다.온도 주기 또는 진동으로 인한 알루미늄 본딩 리드의 피로 파괴.모듈 패키지의 IGBT는 크기가 크며 부적절하게 설치하면 응력 집중이 매우 쉽게 발생하여 모듈 내부 리드의 피로 파손이 발생합니다.
2) 집적회로
집적회로의 고장메커니즘과 환경의 이용은 밀접한 관계가 있는데, 다습한 환경에서의 습기, 정전기나 전기적 서지로 인한 손상, 과도한 텍스트 사용, 방사선이 없는 방사선 환경에서의 집적회로 사용 등이다. 저항 강화는 또한 장치의 고장을 일으킬 수 있습니다.
알루미늄과 관련된 계면 효과: 실리콘계 물질을 사용하는 전자소자에서는 유전체막으로 SiO2층이 널리 사용되고 있으며, 알루미늄은 배선용 재료로 많이 사용되며, SiO2와 알루미늄은 고온에서 화학반응을 일으켜, 알루미늄 층이 얇아지기 때문에 반응 소모로 인해 SiO2 층이 고갈되면 알루미늄과 실리콘이 직접 접촉하게 됩니다.또한, 금 리드 와이어와 알루미늄 상호 연결 라인 또는 알루미늄 본딩 와이어와 튜브 쉘의 금도금 리드 와이어 본딩은 Au-Al 인터페이스 접촉을 생성합니다.이 두 금속의 화학적 잠재력이 다르기 때문에 200 ℃ 이상의 고온에서 장기간 사용하거나 보관하면 다양한 금속 간 화합물이 생성되며 격자 상수와 열팽창 계수가 다르기 때문에 결합 지점이 다릅니다. 응력이 크면 전도성이 작아집니다.
금속화 부식: 칩의 알루미늄 연결 라인은 덥고 습한 환경에서 수증기에 의해 부식되기 쉽습니다.가격 상쇄 및 용이한 대량 생산으로 인해 많은 집적 회로가 수지로 캡슐화되지만 수증기가 수지를 통과하여 알루미늄 배선에 도달할 수 있으며 외부에서 유입되거나 수지에 용해된 불순물이 금속 알루미늄과 작용하여 알루미늄 인터커넥트의 부식.
수증기로 인한 박리 효과: 플라스틱 IC는 플라스틱 재료와 금속 프레임 및 칩 사이의 박리 효과(일반적으로 "팝콘" 효과로 알려짐) 외에 플라스틱 및 기타 수지 폴리머 재료로 캡슐화된 집적 회로입니다. 수지 재료는 수증기 흡착 특성을 가지고 있기 때문에 수증기 흡착으로 인한 박리 효과로 인해 장치가 고장날 수 있습니다..고장 메커니즘은 고온에서 플라스틱 밀봉 재료의 물이 급속히 팽창하여 플라스틱과 다른 재료의 부착물 사이의 분리 및 심각한 경우 플라스틱 밀봉 본체가 파열됩니다.
2.5 용량성 저항성 부품
1) 저항기
일반적인 비 권선 저항기는 저항기 본체에 사용되는 다른 재료, 즉 합금 유형, 필름 유형, 후막 유형 및 합성 유형에 따라 네 가지 유형으로 나눌 수 있습니다.고정 저항기의 경우 주요 고장 모드는 개방 회로, 전기 매개변수 드리프트 등입니다.전위차계의 경우 주요 고장 모드는 개방 회로, 전기 매개변수 드리프트, 노이즈 증가 등입니다. 사용 환경은 또한 전자 장비의 수명에 큰 영향을 미치는 저항기 노후화로 이어질 것입니다.
산화: 저항기 본체의 산화는 저항 값을 증가시키며 저항기 노후화를 일으키는 가장 중요한 요소입니다.귀금속 및 합금으로 만들어진 저항 본체를 제외하고 다른 모든 재료는 공기 중의 산소에 의해 손상됩니다.산화는 장기적인 영향이며 다른 요인의 영향이 점차 줄어들면 산화가 주요 요인이 되며 고온 다습한 환경은 저항기의 산화를 가속화합니다.정밀 저항기 및 저항 값이 높은 저항기의 경우 산화를 방지하기 위한 기본 조치는 밀봉 보호입니다.밀봉 재료는 금속, 세라믹, 유리 등과 같은 무기 재료여야 합니다. 유기 보호층은 투습성 및 통기성을 완전히 방지할 수 없으며 산화 및 흡착에서 지연 역할만 할 수 있습니다.
바인더의 노화: 유기 합성 저항체의 경우 유기 바인더의 노화는 저항체의 안정성에 영향을 미치는 주요 요인입니다.유기바인더는 주로 합성수지로 저항체 제조과정에서 열처리에 의해 고분자화 열경화성 고분자로 변태된다.폴리머 노화를 일으키는 주요 요인은 산화입니다.산화에 의해 생성된 자유 라디칼은 폴리머 분자 결합의 경첩을 일으켜 폴리머를 더욱 경화시키고 부서지기 쉽게 만들어 탄성 손실 및 기계적 손상을 초래합니다.바인더의 경화는 저항체의 부피를 수축시켜 전도성 입자 사이의 접촉압력을 높이고 접촉저항을 감소시켜 저항을 감소시키지만 바인더의 기계적 손상도 저항을 증가시킨다.일반적으로 바인더의 경화는 이전에 발생하고 기계적 손상은 이후에 발생하므로 유기 합성 저항체의 저항 값은 다음과 같은 패턴을 나타냅니다. 단계 초기에 약간 감소한 다음 증가하고 증가하는 경향이 있습니다.폴리머의 노화는 온도 및 빛과 밀접한 관련이 있기 때문에 합성 저항체는 고온 환경과 강한 빛 노출에서 노화를 가속화합니다.
전기 부하 시 노화: 저항에 부하를 가하면 노화 과정이 가속화됩니다.DC 부하에서 전해 작용은 박막 저항기를 손상시킬 수 있습니다.전기분해는 슬롯형 저항기의 슬롯 사이에서 발생하며 저항기 기판이 알칼리 금속 이온을 포함하는 세라믹 또는 유리 재료인 경우 이온은 슬롯 사이의 전기장의 작용에 따라 이동합니다.습한 환경에서는 이 과정이 더욱 격렬하게 진행됩니다.
2) 축전기
커패시터의 고장 모드는 단락, 개방 회로, 전기 매개변수의 저하(용량 변경, 탄젠트 손실각 증가 및 절연 저항 감소 포함), 액체 누출 및 납 부식 파손입니다.
단락: 고온 및 낮은 공기압에서 극 사이의 가장자리에서 플라잉 아크는 커패시터의 단락으로 이어질 뿐만 아니라 외부 충격과 같은 기계적 스트레스로 인해 유전체의 일시적인 단락도 발생합니다.
개방 회로: 습하고 더운 환경으로 인해 리드선과 전극 접점이 산화되어 양극 납 포일의 낮은 수준의 접근 불가능 및 부식 파손이 발생합니다.
전기적 매개변수의 열화: 습한 환경의 영향으로 인한 전기적 매개변수의 열화.
2.6 보드 레벨 회로
인쇄 회로 기판은 주로 절연 기판, 금속 배선 및 와이어의 다른 레이어 연결, 솔더 부품 "패드"로 구성됩니다.주요 역할은 전자 부품에 캐리어를 제공하고 전기적 및 기계적 연결 역할을 하는 것입니다.
인쇄 회로 기판의 고장 모드는 주로 열악한 납땜, 개방 및 단락, 기포, 버스트 기판 박리, 기판 표면 부식 또는 변색, 기판 굽힘을 포함합니다.
게시 시간: 2022년 11월 21일