Falha de componentes eletrônicos - Failure of electronic components

IC com falha em um laptop. A polaridade de entrada errada causou um superaquecimento massivo do chip e derreteu o invólucro de plástico.

Os componentes eletrônicos possuem uma ampla gama de modos de falha . Eles podem ser classificados de várias maneiras, como por tempo ou causa. As falhas podem ser causadas por temperatura excessiva, corrente ou voltagem excessiva, radiação ionizante , choque mecânico, estresse ou impacto e muitas outras causas. Em dispositivos semicondutores, problemas no pacote do dispositivo podem causar falhas devido à contaminação, estresse mecânico do dispositivo ou circuitos abertos ou curtos.

As falhas ocorrem mais comumente perto do início e perto do final da vida útil das peças, resultando no gráfico da curva da banheira das taxas de falha . Os procedimentos de burn-in são usados ​​para detectar falhas precoces. Em dispositivos semicondutores, as estruturas parasitas , irrelevantes para o funcionamento normal, tornam-se importantes no contexto de falhas; eles podem ser uma fonte e proteção contra falhas.

Aplicações como sistemas aeroespaciais, sistemas de suporte de vida, telecomunicações, sinais de ferrovias e computadores usam um grande número de componentes eletrônicos individuais. A análise das propriedades estatísticas das falhas pode orientar os projetos para estabelecer um determinado nível de confiabilidade. Por exemplo, a capacidade de manipulação de energia de um resistor pode ser muito reduzida quando aplicada em aeronaves de alta altitude para obter uma vida útil adequada. Uma falha de abertura repentina pode causar várias falhas secundárias se for rápida e o circuito contiver uma indutância ; isso causa grandes picos de tensão, que podem exceder 500 volts. Uma metalização quebrada em um chip pode, portanto, causar danos de sobretensão secundária. A fuga térmica pode causar falhas repentinas, incluindo derretimento, incêndio ou explosões.

Falhas de embalagem

A maioria das falhas em peças eletrônicas está relacionada à embalagem . A embalagem, como barreira entre as peças eletrônicas e o meio ambiente, é muito suscetível a fatores ambientais. A expansão térmica produz tensões mecânicas que podem causar fadiga do material , especialmente quando os coeficientes de expansão térmica dos materiais são diferentes. A umidade e os produtos químicos agressivos podem causar corrosão dos materiais de embalagem e condutores, podendo rompê-los e danificar as partes internas, levando a falhas elétricas. Exceder a faixa de temperatura ambiente permitida pode causar sobrecarga nas ligações dos fios, rasgando as conexões, rachando as matrizes do semicondutor ou causando rachaduras na embalagem. A umidade e o subsequente aquecimento em alta temperatura também podem causar rachaduras, assim como danos mecânicos ou choque.

Durante o encapsulamento, os fios de ligação podem ser cortados, em curto ou tocar a matriz do chip, geralmente na borda. As matrizes podem rachar devido a sobretensão mecânica ou choque térmico; defeitos introduzidos durante o processamento, como riscos, podem evoluir para fraturas. As armações de chumbo podem conter excesso de material ou rebarbas, causando curtos. Contaminantes iônicos como metais alcalinos e halogênios podem migrar dos materiais de embalagem para as matrizes semicondutoras, causando corrosão ou deterioração dos parâmetros. As vedações de vidro-metal comumente falham formando rachaduras radiais que se originam na interface do vidro e permeiam para fora; outras causas incluem uma camada de óxido fraca na interface e má formação de um menisco de vidro ao redor do pino.

Vários gases podem estar presentes na cavidade da embalagem, seja como impurezas presas durante a fabricação, liberação de gases dos materiais usados ​​ou reações químicas, como quando o material da embalagem fica superaquecido (os produtos são frequentemente iônicos e facilitam a corrosão com falha retardada). Para detectar isso, o hélio costuma estar na atmosfera inerte dentro da embalagem como um gás traçador para detectar vazamentos durante o teste. Dióxido de carbono e hidrogênio podem se formar a partir de materiais orgânicos, a umidade é liberada por polímeros e os epóxis curados com amina liberam amônia . A formação de rachaduras e crescimento intermetálico nas conexões da matriz podem levar à formação de vazios e delaminação, prejudicando a transferência de calor da matriz do chip para o substrato e dissipador de calor e causando uma falha térmica. Como alguns semicondutores, como o silício e o arseneto de gálio, são transparentes para o infravermelho, a microscopia infravermelha pode verificar a integridade das estruturas de ligação e sob a matriz.

O fósforo vermelho , usado como retardador de chama promotor de carbonização , facilita a migração da prata quando presente na embalagem. Normalmente é revestido com hidróxido de alumínio ; se o revestimento estiver incompleto, as partículas de fósforo oxidam em pentóxido de fósforo altamente higroscópico , que reage com a umidade em ácido fosfórico . Este é um eletrólito corrosivo que, na presença de campos elétricos, facilita a dissolução e a migração da prata, causando um curto-circuito nos pinos de embalagem adjacentes, cabos do quadro de chumbo, barras de ligação, estruturas de montagem de chip e almofadas de chip. A ponte de prata pode ser interrompida pela expansão térmica da embalagem; portanto, o desaparecimento do curto-circuito quando o chip é aquecido e seu reaparecimento após o resfriamento é uma indicação desse problema. A delaminação e a expansão térmica podem mover a matriz do chip em relação à embalagem, deformando e possivelmente causando curto ou rachando os fios de ligação.

Falhas de contato

Contatos elétricos exibem resistência de contato onipresente , cuja magnitude é governada pela estrutura da superfície e pela composição das camadas superficiais. Idealmente, a resistência de contato deve ser baixa e estável, no entanto, pressão de contato fraca, vibração mecânica , corrosão e a formação de camadas de óxido passivizante e contatos podem alterar a resistência de contato significativamente, levando ao aquecimento da resistência e falha do circuito.

As juntas soldadas podem falhar de várias maneiras, como eletromigração e formação de camadas intermetálicas quebradiças . Algumas falhas aparecem apenas em temperaturas extremas da junta, dificultando a solução de problemas. A incompatibilidade da expansão térmica entre o material da placa de circuito impresso e sua embalagem prejudica as ligações parte-a-placa; enquanto as peças com chumbo podem absorver a tensão ao dobrar, as peças sem chumbo dependem da solda para absorver as tensões. A ciclagem térmica pode levar a fissuras por fadiga das juntas de solda, especialmente com soldas elásticas ; várias abordagens são usadas para mitigar tais incidentes. Partículas soltas, como arame de ligação e flash de solda, podem se formar na cavidade do dispositivo e migrar para dentro da embalagem, causando curtos-circuitos intermitentes e sensíveis a choques. A corrosão pode causar acúmulo de óxidos e outros produtos não condutores nas superfícies de contato. Quando fechadas, elas mostram uma resistência inaceitavelmente alta; eles também podem migrar e causar shorts. Os bigodes de estanho podem se formar em metais revestidos de estanho, como o lado interno das embalagens; bigodes soltos podem causar curtos-circuitos intermitentes dentro da embalagem. Os cabos , além dos métodos descritos acima, podem falhar por desgaste e danos por incêndio.

Falhas na placa de circuito impresso

Corrosão severa de PCB de uma bateria Ni-Cd montada em PCB com vazamento

As placas de circuito impresso (PCBs) são vulneráveis ​​às influências ambientais; por exemplo, os traços são propensos à corrosão e podem ser gravados incorretamente, deixando curtos parciais, enquanto as vias podem ser insuficientemente revestidas ou preenchidas com solda. Os traços podem rachar sob cargas mecânicas, muitas vezes resultando em operação de PCB não confiável. Resíduos de fluxo de solda podem facilitar a corrosão; aqueles de outros materiais em PCBs podem causar vazamentos elétricos. Os compostos covalentes polares podem atrair umidade como agentes antiestáticos , formando uma fina camada de umidade condutora entre os traços; compostos iônicos como cloretos tendem a facilitar a corrosão. Os íons de metais alcalinos podem migrar através das embalagens plásticas e influenciar o funcionamento dos semicondutores. Resíduos de hidrocarbonetos clorados podem hidrolisar e liberar cloretos corrosivos; esses são problemas que ocorrem depois de anos. As moléculas polares podem dissipar energia de alta frequência, causando perdas dielétricas parasitas .

Acima da temperatura de transição vítrea dos PCBs, a matriz de resina amolece e torna-se suscetível à difusão de contaminantes. Por exemplo, poliglicóis do fluxo de solda podem entrar na placa e aumentar sua entrada de umidade, com a deterioração correspondente das propriedades dielétricas e de corrosão. Substratos multicamadas usando cerâmica sofrem de muitos dos mesmos problemas.

Filamentos anódicos condutores (CAFs) podem crescer dentro das placas ao longo das fibras do material composto. O metal é introduzido em uma superfície vulnerável normalmente pelo plaqueamento das vias e, em seguida, migra na presença de íons, umidade e potencial elétrico; os danos da perfuração e a má ligação da resina de vidro promovem essas falhas. A formação de CAFs geralmente começa por uma ligação pobre de resina de vidro; uma camada de umidade adsorvida então fornece um canal através do qual os íons e produtos de corrosão migram. Na presença de íons cloreto, o material precipitado é atacamita ; suas propriedades semicondutoras levam ao aumento do vazamento de corrente, deterioração da rigidez dielétrica e curtos-circuitos entre os traços. Os glicóis absorvidos pelos resíduos do fluxo agravam o problema. A diferença na expansão térmica das fibras e da matriz enfraquece a ligação quando a placa é soldada; as soldas sem chumbo que requerem temperaturas de soldagem mais altas aumentam a ocorrência de CAFs. Além disso, os CAFs dependem da umidade absorvida; abaixo de um certo limite, eles não ocorrem. A delaminação pode ocorrer para separar as camadas da placa, rachando as vias e condutores para introduzir caminhos para contaminantes corrosivos e migração de espécies condutoras.

Falhas de relé

Cada vez que os contatos de um relé eletromecânico ou contator são abertos ou fechados, há um certo desgaste do contato . Um arco elétrico ocorre entre os pontos de contato (eletrodos) durante a transição de fechado para aberto (quebra) ou de aberto para fechado (fechamento). O arco causado durante a quebra de contato (arco de quebra) é semelhante à soldagem a arco , já que o arco de quebra é normalmente mais energético e mais destrutivo.

O calor e a corrente do arco elétrico através dos contatos cria formações específicas de cones e crateras a partir da migração do metal. Além dos danos de contato físico, aparece também uma camada de carbono e outras matérias. Essa degradação limita drasticamente a vida operacional geral de um relé ou contator a uma faixa de talvez 100.000 operações, um nível que representa 1% ou menos do que a expectativa de vida mecânica do mesmo dispositivo.

Falhas de semicondutores

Veja também: Confiabilidade (semicondutor)

Muitas falhas resultam na geração de elétrons quentes . Eles são observáveis ​​em um microscópio óptico, pois geram fótons no infravermelho próximo detectáveis ​​por uma câmera CCD . Os travamentos podem ser observados dessa forma. Se visível, a localização da falha pode apresentar pistas sobre a natureza da sobretensão. Os revestimentos de cristal líquido podem ser usados ​​para localização de falhas: os cristais líquidos colestéricos são termocrômicos e são usados ​​para a visualização de locais de produção de calor nos chips, enquanto os cristais líquidos nemáticos respondem à voltagem e são usados ​​para visualizar vazamentos de corrente através de defeitos de óxido e de carga estados na superfície do chip (estados particularmente lógicos). A marcação a laser de embalagens encapsuladas em plástico pode danificar o chip se as esferas de vidro na embalagem se alinharem e direcionarem o laser para o chip.

Exemplos de falhas de semicondutores relacionadas a cristais semicondutores incluem:

Falhas de parâmetro

Vias são uma fonte comum de resistência serial indesejada em chips; as vias defeituosas apresentam resistência inaceitavelmente alta e, portanto, aumentam os atrasos de propagação. Como sua resistividade cai com o aumento da temperatura, a degradação da frequência máxima de operação do chip no sentido oposto é um indicador de tal falha. Mordidas de rato são regiões onde a metalização tem uma largura reduzida; tais defeitos geralmente não aparecem durante os testes elétricos, mas apresentam um grande risco de confiabilidade. O aumento da densidade de corrente na mordida do mouse pode agravar os problemas de eletromigração; um grande grau de esvaziamento é necessário para criar um atraso de propagação sensível à temperatura.

Às vezes, as tolerâncias do circuito podem tornar o comportamento errático difícil de rastrear; por exemplo, um transistor driver fraco, uma resistência em série mais alta e a capacitância do gate do transistor subsequente podem estar dentro da tolerância, mas podem aumentar significativamente o atraso de propagação do sinal . Eles podem se manifestar apenas em condições ambientais específicas, altas velocidades de clock, baixas tensões de fonte de alimentação e, às vezes, estados de sinal de circuito específicos; variações significativas podem ocorrer em uma única matriz. Danos induzidos por sobrecarga como shunts ôhmicos ou uma corrente de saída do transistor reduzida podem aumentar esses atrasos, levando a um comportamento errático. Como os atrasos de propagação dependem fortemente da tensão de alimentação, as flutuações de tolerância desta última podem desencadear tal comportamento.

Os circuitos integrados de micro-ondas monolíticos de arsenieto de gálio podem ter estas falhas:

  • Degradação de I DSS por afundamento do portão e envenenamento por hidrogênio . Esta falha é a mais comum e mais fácil de detectar, e é afetada pela redução do canal ativo do transistor no afundamento do portão e pelo esgotamento da densidade do doador no canal ativo para envenenamento por hidrogênio.
  • Degradação na corrente de fuga da porta . Isso ocorre em testes de vida acelerados ou altas temperaturas e é suspeito de ser causado por efeitos de estado de superfície.
  • Degradação na tensão de compressão . Este é um modo de falha comum para dispositivos de arseneto de gálio operando em alta temperatura, e origina-se principalmente de interações semicondutor-metal e degradação de estruturas metálicas de porta, sendo o hidrogênio outro motivo. Pode ser dificultado por uma barreira metálica adequada entre os contatos e o arseneto de gálio.
  • Aumento da resistência do dreno à fonte. É observada em dispositivos de alta temperatura e é causada por interações metal-semicondutor, afundamento da porta e degradação do contato ôhmico.

Falhas de metalização

Microfotografia de um transistor de potência TO3 com falha devido a curto-circuito

Falhas de metalização são causas mais comuns e sérias de degradação do transistor FET do que processos materiais; materiais amorfos não têm limites de grão, dificultando a interdifusão e a corrosão. Exemplos de tais falhas incluem:

  • A eletromigração move átomos para fora das regiões ativas, causando deslocamentos e defeitos pontuais que atuam como centros de recombinação não radiativa, produzindo calor. Isso pode ocorrer com portas de alumínio em MESFETs com sinais de RF , causando corrente de drenagem errática; a eletromigração, neste caso, é chamada de gate sinking . Esse problema não ocorre com portas de ouro. Com estruturas com alumínio sobre uma barreira de metal refratário, a eletromigração afeta principalmente o alumínio, mas não o metal refratário, fazendo com que a resistência da estrutura aumente erraticamente. O alumínio deslocado pode causar curtos nas estruturas vizinhas; 0,5-4% de cobre no alumínio aumenta a resistência à eletromigração, o cobre se acumulando nos contornos dos grãos da liga e aumentando a energia necessária para desalojar os átomos deles. Além disso, o óxido de índio e estanho e a prata estão sujeitos à eletromigração, causando fuga de corrente e (em LEDs) recombinação não radiativa ao longo das bordas do chip. Em todos os casos, a eletromigração pode causar mudanças nas dimensões e parâmetros das portas do transistor e junções semicondutoras.
  • Tensões mecânicas, altas correntes e ambientes corrosivos formando bigodes e curtos-circuitos. Esses efeitos podem ocorrer tanto na embalagem quanto nas placas de circuito .
  • Formação de nódulos de silício. As interconexões de alumínio podem ser dopadas com silicone até a saturação durante a deposição para evitar pontas de liga. Durante o ciclo térmico, os átomos de silício podem migrar e se agrupar formando nódulos que atuam como vazios, aumentando a resistência local e diminuindo a vida útil do dispositivo.
  • Degradação do contato óhmico entre as camadas de metalização e semicondutoras. Com o arsenieto de gálio, uma camada de liga de ouro-germânio (às vezes com níquel) é usada para obter baixa resistência de contato; um contato ôhmico é formado pela difusão do germânio, formando uma região delgada e altamente n-dopada sob o metal facilitando a conexão, deixando o ouro depositado sobre ele. Os átomos de gálio podem migrar através desta camada e serem eliminados pelo ouro acima, criando uma zona depletada de gálio rica em defeitos sob o contato; ouro e oxigênio então migram opostamente, resultando em aumento da resistência do contato ôhmico e esgotamento do nível efetivo de dopagem. A formação de compostos intermetálicos também desempenha um papel neste modo de falha.

Sobretensão elétrica

A maioria das falhas de semicondutores relacionadas ao estresse são de natureza eletrotérmica microscopicamente; temperaturas aumentadas localmente podem levar à falha imediata por fusão ou vaporização de camadas de metalização, fusão do semicondutor ou alteração de estruturas. A difusão e a eletromigração tendem a ser aceleradas por altas temperaturas, encurtando a vida útil do dispositivo; danos às junções que não levam à falha imediata podem se manifestar como características de corrente-tensão alteradas das junções. As falhas de sobretensão elétrica podem ser classificadas como falhas induzidas termicamente, relacionadas à eletromigração e ao campo elétrico; exemplos de tais falhas incluem:

  • Fuga térmica , onde os aglomerados no substrato causam perda localizada de condutividade térmica , levando a danos que produzem mais calor; as causas mais comuns são vazios causados ​​por soldagem incompleta , efeitos de eletromigração e micção de Kirkendall . A distribuição agrupada da densidade de corrente sobre a junção ou filamentos de corrente leva a pontos quentes localizados de aglomeração de corrente , que podem evoluir para uma fuga térmica.
  • Polarização reversa . Alguns dispositivos semicondutores são baseados em junção de diodo e são nominalmente retificadores; entretanto, o modo de interrupção reversa pode estar em uma tensão muito baixa, com uma tensão de polarização reversa moderada causando degradação imediata e falha amplamente acelerada. 5 V é uma tensão de polarização reversa máxima para LEDs típicos, com alguns tipos tendo valores mais baixos.
  • Diodos Zener severamente sobrecarregados em curto-circuito de polarização reversa. Uma tensão suficientemente alta causa o colapso por avalanche da junção Zener; isso e uma grande corrente que passa pelo diodo causam aquecimento localizado extremo, derretendo a junção e metalização e formando uma liga de alumínio-silício que curto os terminais. Às vezes, isso é usado intencionalmente como um método de conexão física por meio de fusíveis.
  • Latchups (quando o dispositivo é submetido a um pulso de sobretensão ou subtensão); uma estrutura parasita atuando como um SCR disparado pode então causar uma falha baseada em sobrecorrente. Em ICs, latchups são classificados como internos (como reflexos de linha de transmissão e saltos de terra ) ou externos (como sinais introduzidos por pinos de E / S e raios cósmicos ); Os latchups externos podem ser disparados por uma descarga eletrostática, enquanto os latchups internos não podem. Latchups podem ser disparados por portadores de carga injetados no substrato do chip ou outro latchup; o padrão JEDEC78 testa a suscetibilidade a travamentos.

Descarga eletrostática

Artigo principal: Descarga eletrostática

A descarga eletrostática (ESD) é uma subclasse de sobrecarga elétrica e pode causar falha imediata do dispositivo, mudanças permanentes de parâmetros e danos latentes causando aumento da taxa de degradação. Tem pelo menos um de três componentes, geração de calor localizada, alta densidade de corrente e alto gradiente de campo elétrico; A presença prolongada de correntes de vários amperes transfere energia para a estrutura do dispositivo para causar danos. ESD em circuitos reais causa uma onda amortecida com polaridade alternada rapidamente, as junções estressadas da mesma maneira; tem quatro mecanismos básicos:

  • A degradação do óxido ocorre em intensidades de campo acima de 6–10 MV / cm.
  • O dano na junção que se manifesta como vazamento de polarização reversa aumenta até o ponto de curto-circuito.
  • Metalização e queima de polissilício, onde o dano é limitado a interconexões de metal e polissilício , resistores de filme fino e resistores difusos.
  • Injeção de carga, onde portadores quentes gerados pela quebra de avalanche são injetados na camada de óxido.

Os modos de falha ESD catastróficos incluem:

  • Queima de junção, onde um caminho condutor se forma através da junção e o curto
  • Queima de metalização, onde a fusão ou vaporização de uma parte da interconexão de metal a interrompe
  • Penetração de óxido, formação de um caminho condutor através da camada isolante entre dois condutores ou semicondutores; os óxidos de porta são mais finos e, portanto, mais sensíveis. O transistor danificado mostra uma junção de baixa resistência entre os terminais de porta e dreno.

Uma falha paramétrica altera apenas os parâmetros do dispositivo e pode se manifestar em testes de estresse ; às vezes, o grau de dano pode diminuir com o tempo. Os modos de falha de ESD latente ocorrem de forma atrasada e incluem:

  • Danos no isolador pelo enfraquecimento das estruturas do isolador.
  • Danos na junção, diminuindo a vida útil do portador minoritário, aumentando a resistência de polarização direta e aumentando o vazamento de polarização reversa.
  • Danos de metalização por enfraquecimento do condutor.

As falhas catastróficas exigem as tensões de descarga mais altas, são as mais fáceis de testar e as mais raras de ocorrer. As falhas paramétricas ocorrem em tensões de descarga intermediárias e ocorrem com mais frequência, sendo as falhas latentes as mais comuns. Para cada falha paramétrica, existem 4–10 latentes. Os circuitos VLSI modernos são mais sensíveis a ESD, com recursos menores, menor capacitância e maior relação tensão-carga. A deposição de silício das camadas condutoras torna-as mais condutoras, reduzindo a resistência do lastro que tem função protetora.

O óxido de porta de alguns MOSFETs pode ser danificado por 50 volts de potencial, a porta isolada da junção e o potencial acumulado nela causando estresse extremo na fina camada dielétrica; o óxido estressado pode se estilhaçar e falhar imediatamente. O óxido de porta em si não falha imediatamente, mas pode ser acelerado pela corrente de fuga induzida por estresse , o dano do óxido levando a uma falha retardada após horas de operação prolongadas; capacitores no chip que usam óxido ou nitreto dielétrico também são vulneráveis. Estruturas menores são mais vulneráveis ​​por causa de sua capacitância mais baixa , o que significa que a mesma quantidade de portadores de carga carrega o capacitor para uma tensão mais alta. Todas as camadas finas de dielétricos são vulneráveis; portanto, os chips feitos por processos que empregam camadas de óxido mais espessas são menos vulneráveis.

Falhas induzidas por corrente são mais comuns em dispositivos de junção bipolar, onde as junções Schottky e PN são predominantes. O alto poder de descarga, acima de 5 quilowatts por menos de um microssegundo, pode derreter e vaporizar materiais. Resistores de filme fino podem ter seu valor alterado por um caminho de descarga se formando através deles, ou tendo parte do filme fino vaporizado; isso pode ser problemático em aplicações de precisão onde tais valores são críticos.

Os buffers de saída CMOS mais recentes que usam drenos de silicida levemente dopados são mais sensíveis a ESD; o driver do canal N geralmente sofre danos na camada de óxido ou na junção do poço n + / p. Isso é causado pelo congestionamento de corrente durante o snapback do transistor NPN parasita. Em estruturas de totem P / NMOS, o transistor NMOS é quase sempre aquele danificado. A estrutura da junção influencia sua sensibilidade a ESD; cantos e defeitos podem levar a aglomeração atual, reduzindo o limite de danos. As junções polarizadas para frente são menos sensíveis do que as polarizadas reversas porque o calor Joule das junções polarizadas para frente é dissipado através de uma camada mais espessa do material, em comparação com a região de depleção estreita na junção polarizada reversa.

Falhas de elemento passivo

Resistores

Artigo principal: Modos de falha de resistores
Um resistor removido de um circuito de tubo de alta tensão mostra danos do arco voltaico na camada de óxido de metal resistivo.

Os resistores podem falhar abertos ou curtos, junto com seu valor mudando sob condições ambientais e fora dos limites de desempenho. Exemplos de falhas de resistor incluem:

  • Defeitos de fabricação causando problemas intermitentes. Por exemplo, tampas cravadas inadequadamente em resistores de carbono ou de metal podem se soltar e perder contato, e a resistência do resistor a tampa pode alterar os valores do resistor
  • Resistores de montagem em superfície delaminando onde materiais diferentes se unem, como entre o substrato de cerâmica e a camada resistiva.
  • Resistores de película fina de nicrômio em circuitos integrados atacados pelo fósforo do vidro de passivação, corroendo-os e aumentando sua resistência.
  • Resistores SMD com metalização de prata de contatos que sofrem falha de circuito aberto em um ambiente rico em enxofre , devido ao acúmulo de sulfeto de prata .
  • Dendritos de cobre crescendo a partir do óxido de cobre (II) presente em alguns materiais (como a camada que facilita a adesão da metalização a um substrato de cerâmica) e construindo uma ponte sobre a fenda de corte de corte.

Potenciômetros e trimmers

Potenciômetros e trimmers são peças eletromecânicas de três terminais, contendo um caminho resistivo com um contato limpador ajustável. Junto com os modos de falha para resistores normais, desgaste mecânico no limpador e na camada resistiva, corrosão, contaminação da superfície e deformações mecânicas podem levar a mudanças intermitentes de resistência do limpador de caminho, que são um problema com amplificadores de áudio. Muitos tipos não são perfeitamente vedados, com contaminantes e umidade entrando na peça; um contaminante especialmente comum é o fluxo de solda . Deformações mecânicas (como um contato do caminho do limpador prejudicado) podem ocorrer por empenamento do invólucro durante a soldagem ou estresse mecânico durante a montagem. O excesso de tensão nos condutores pode causar rachaduras no substrato e falha aberta quando a rachadura penetra no caminho resistivo.

Capacitores

Artigo principal: Capacitor

Os capacitores são caracterizados por sua capacitância , resistência parasita em série e paralelo, tensão de ruptura e fator de dissipação ; ambos os parâmetros parasitas são freqüentemente dependentes de frequência e voltagem. Estruturalmente, os capacitores consistem em eletrodos separados por um dielétrico, terminais de conexão e carcaça; a deterioração de qualquer um deles pode causar mudanças de parâmetro ou falha. Falhas em curto e vazamento devido ao aumento da resistência parasita paralela são os modos de falha mais comuns de capacitores, seguidos por falhas abertas. Alguns exemplos de falhas de capacitor incluem:

  • Ruptura dielétrica devido à sobretensão ou envelhecimento do dielétrico, ocorrendo quando a tensão de ruptura cai abaixo da tensão operacional. Alguns tipos de capacitores "autocuraram-se", pois o arco interno vaporiza partes dos eletrodos ao redor do ponto com falha. Outros formam um caminho condutor através do dielétrico, levando a curto-circuito ou perda parcial da resistência dielétrica.
  • Materiais de eletrodo migrando através do dielétrico, formando caminhos condutores.
  • Condutores separados do capacitor por manuseio inadequado durante o armazenamento, montagem ou operação, levando a uma falha aberta. A falha pode ocorrer de forma invisível dentro da embalagem e é mensurável.
  • Aumento do fator de dissipação devido à contaminação dos materiais do capacitor, principalmente de resíduos de fluxo e solvente.

Capacitores eletrolíticos

Além dos problemas listados acima, os capacitores eletrolíticos sofrem com essas falhas:

  • Versões de alumínio que têm seu eletrólito seco para um vazamento gradual, resistência em série equivalente e perda de capacitância. A dissipação de potência por altas correntes de ondulação e resistências internas causam um aumento da temperatura interna do capacitor além das especificações, acelerando a taxa de deterioração; tais capacitores geralmente falham curtos.
  • Contaminação de eletrólitos (como de umidade) corroendo os eletrodos, levando à perda de capacitância e curtos-circuitos.
  • Eletrólitos desenvolvem um gás, aumentando a pressão dentro da caixa do capacitor e às vezes causando uma explosão; um exemplo é a praga do capacitor .
  • As versões de tântalo sofrem sobrecarga elétrica, degradando permanentemente o dielétrico e às vezes causando falha aberta ou curta. Os locais que falharam dessa maneira geralmente são visíveis como um dielétrico descolorido ou como um ânodo derretido localmente.

Varistores de óxido de metal

Artigo principal: Varistor

Os varistores de óxido de metal normalmente têm menor resistência à medida que aquecem; se conectado diretamente através de um barramento de força, para proteção contra transientes elétricos , um varistor com uma tensão de disparo reduzida pode deslizar para uma fuga térmica catastrófica e às vezes uma pequena explosão ou incêndio. Para evitar isso, a corrente de falha é normalmente limitada por um fusível térmico, disjuntor ou outro dispositivo limitador de corrente.

Falhas de MEMS

Os sistemas microeletromecânicos sofrem de vários tipos de falhas:

  • Esticção fazendo com que as peças móveis grudem; um impulso externo às vezes restaura a funcionalidade. Revestimentos antiaderentes, redução da área de contato e maior conscientização mitigam o problema em sistemas contemporâneos.
  • Partículas migrando no sistema e bloqueando seus movimentos. Partículas condutoras podem causar curto-circuito, como atuadores eletrostáticos. O desgaste danifica as superfícies e libera detritos que podem ser fonte de contaminação por partículas.
  • Fraturas causando perda de peças mecânicas.
  • Fissuras induzindo fadiga do material em estruturas móveis.
  • Carga dielétrica levando a mudança de funcionalidade e, em alguns pontos, falhas de parâmetro.

Recriando modos de falha

A fim de reduzir as falhas, um conhecimento preciso da medição da qualidade da resistência de união durante o projeto do produto e subsequente fabricação é de vital importância. O melhor lugar para começar é com o modo de falha. Isso se baseia na suposição de que existe um modo de falha específico, ou uma variedade de modos, que pode ocorrer em um produto. Portanto, é razoável supor que o teste de títulos deva replicar o modo ou modos de interesse. No entanto, a replicação exata nem sempre é possível. A carga de teste deve ser aplicada a alguma parte da amostra e transferida através da amostra para a ligação. Se esta parte da amostra for a única opção e for mais fraca do que a própria ligação, a amostra irá falhar antes da ligação.

Veja também

Referências