13 Электроника Лекции в презентациях 2012
.pdf
ОмГУПС Кафедра АиТ
Электроника
(Для студентов ИАТИТ)
Лекции в презентациях
Надежность полупроводниковых компонентов
Сушков С. А.
Омск - 2012 г.
Надежность полупроводниковых компонентов
Достижение высокой надежности электронных систем требует использования специальных компонентов и методов проектирования, соответствующих конечным условиям эксплуатации оборудования.
Несмотря на контроль качества изделий электроники, отказы отдельных компонентов или целых систем продолжаются.
Выход из строя компонента подразумевает, что он не функционирует должным образом или его параметры больше не соответствуют изначальным техническим требованиям. Причины могут быть разные – перегрузки по току или напряжению, чрезмерное нагревание, воздействие агрессивных химических веществ или повышенной влажности и т. д., встречается и производственный брак.
Ключом к достижению повышенной надежности даже в чрезвычайно жестких условиях эксплуатации является использование такого оборудования и программного обеспечения, в основе которых лежит специальная, защищенная от ошибок философия проектирования.
2
Надежность полупроводниковых компонентов
«Юность» «Активная «Старость» Уровень жизнь»
сбоев
Время
Зависимость интенсивности отказов электроники от времени
На начальном этапе эксплуатации отказы являются результатом производственных дефектов, неправильного построения проекта или использования компонентов, а также использования дефектных компонентов, которые не были выявлены на этапе входного контроля.
3
Надежность полупроводниковых компонентов
Длительность активного периода эксплуатации электронных компонентов сопоставима с таковым у механических деталей, и большинство проектов к концу этого периода устаревает и пересматривается. Большинство отказов в этот период происходит по причине воздействия высокой температуры и влажности, перегрузок по току и напряжению, вибрации, тепловых и механических воздействий.
|
Дальнейшие отказы |
происходят |
в основном из-за |
старения |
|
компонентов. Примерами |
здесь могут |
служить проявление |
коррозии, |
электрическая утечка, пробой изоляции, перемещение металлических ионов в направлении тока под воздействием электрического поля, а также разрушение инкапсулированных материалов и проводников.
Отказы механических компонентов, например, разъемов, включают износ контактов и увеличение их сопротивления.
4
Надежность полупроводниковых компонентов
Количественно надежность связана с числом отказов, т. е. с числом нарушений работоспособности приборов в течение определенного промежутка времени. По характеру изменения параметров отказы полупроводниковых диодов, как и других приборов, могут быть двух видов:
1) условные, или постепенные, возникающие в результате плавного изменения основных параметров прибора. Условность отказа определяется выбором критериев годности. Условно отказавший прибор может быть фактически работоспособным в радиоэлектронных схемах или частично утратившим свою работоспособность, чаще всего вызваны физическими и химическими процессами на поверхности и в объеме полупроводникового кристалла, сплавов и припоев.
|
Деградация p-n перехода 2.11 мин. |
|
2) |
катастрофические, или внезапные, |
возникающие в результате |
|
скачкообразного изменения одного или нескольких параметров |
|
|
прибора, обусловлены недостатками конструкции или технологии, а |
|
|
также неправильной эксплуатацией. |
5 |
Обзор механизмов отказов
Все типы электронных систем используют активные и пассивные электронные компоненты, а также электромеханические детали, такие как реле, разъемы и кабели. Механизмы отказов различных типов компонентов отличаются друг от друга, поэтому во избежание неудач чрезвычайно полезно знать их общие причины.
В число факторов, которые наиболее часто являются причиной выхода из строя электронного оборудования, входят:
1)EOS (электрические перегрузки);
2)ESD (электростатический разряд);
3)EMI (электромагнитные помехи) и тепловой удар.
Тепловой пробой 2.03 мин.
6
Обзор механизмов отказов
|
Устройство |
Наблюдаемый отказ |
Возможная причина |
|
|
|
|
|
Полупро- |
Разрушение корпуса |
Электрическая или тепловая перегрузка |
|
водниковые |
|
|
|
Электрические |
Электрическая перегрузка во время |
|
|
приборы |
разрушения |
работы, попадание влаги, флюса или |
|
|
|
иных загрязнений |
|
|
Механические |
Разница коэффициентов теплового |
|
|
расширения материалов корпуса, |
|
|
|
повреждения |
|
|
|
выводов и кристалла |
|
|
|
|
|
|
|
Разрушение |
Электрическая перегрузка или тепловой |
|
|
выводов устройства |
удар |
|
|
Деформация выводов |
Неправильное соединение |
|
|
устройства |
|
|
|
|
|
|
|
|
Дефекты соединения кристалла с |
|
|
Пустоты в устройстве |
подложкой, тепловая перегрузка |
|
|
Разрушение слоев |
Электростатические разряд, коррозия, |
|
|
металлизации |
электрическая или тепловая перегрузка |
|
|
|
7 |
Обзор механизмов отказов
Устройство |
Наблюдаемый отказ |
Возможная причина |
|
|
|
|
|
Полупро- |
Обрывы перемычек |
|
|
водниковые |
между кристаллом и |
Электрическая перегрузка |
|
приборы |
выводами |
|
|
|
Электромиграция |
Протекающий ток |
|
|
|
|
|
|
Повреждение оксидных |
Электростатический разряд, поры, |
|
|
обусловленные дефектом травления и |
|
|
|
слоев |
|
|
|
загрязнениями |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дефекты кристаллов |
Дефекты в объемных полупроводниках |
|
|
|
|
|
|
Несовмещение слоев, |
|
|
|
неправильная |
Производственные дефекты |
|
|
геометрия |
|
|
|
|
|
|
|
Коробление |
Термоциклирование |
|
|
|
|
|
|
Интерметаллические |
Диффузия металлов |
|
|
соединения |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Обзор механизмов отказов
Устройство |
Наблюдаемый отказ |
Возможная причина |
|
|
|
|
|
Резисторы |
|
Обрыв |
Электрическая перегрузка |
|
Потеря контакта с выводами |
Механический или тепловой удар |
|
|
Изменение значения |
Электрическая перегрузка, |
|
|
воздействие повышенной |
||
|
сопротивления |
||
|
влажности и температуры |
||
|
|
|
|
|
Отcлаивание |
Плохая адгезия резистивного |
|
|
резистивного слоя |
материала с подложкой |
|
Конденсаторы |
Разрыв |
оксидной пленки в |
Приложение мощного |
|
электролитических |
||
|
электрического поля |
||
|
конденсаторах |
||
|
|
||
|
|
|
|
|
Утечка |
электролита в |
Высокая температура, потеря |
|
электролитических |
||
|
герметичности |
||
|
конденсаторах |
||
|
|
||
|
Попадание влаги внутрь с |
Пустоты между выводами и |
|
|
последующим коротким |
||
|
телом конденсатора |
||
|
замыканием |
||
|
9 |
||
Обзор механизмов отказов
Устройство |
Наблюдаемый отказ |
Возможная причина |
|
|
|
|
|
||
Конденсаторы |
Высокий ток утечки |
Ухудшение свойств диэлектрика |
||
|
Изменение значения |
Ухудшение свойств |
диэлектрика |
из- |
|
за старения или воздействия |
|
||
|
емкости |
|
||
|
влажности и температуры |
|
||
|
|
|
||
|
Разрушение тела |
Электрическая перегрузка, тепловой |
||
|
конденсатора |
удар, плохое качество материала |
||
|
|
|
|
|
|
Короткое замыкание |
Электрическая перегрузка |
|
|
|
|
|
|
|
|
Обрыв |
Электрическая перегрузка, |
|
|
|
|
механические повреждения |
|
|
Катушки |
|
Электрическая |
и тепловая |
|
|
|
перегрузка из-за короткого замыкания |
||
|
Обрыв |
соседних витков |
вследствие |
|
|
повреждения изоляции во время |
|||
|
|
|||
|
|
намотки, поврежденный провод, |
||
|
|
высокая температура |
10 |
|