Физическая надежность элементов ЭА

3.2 Физическая надежность элементов ЭА

Надежность резисторов. Статистические данные показывают, что обрыв токопроводящего слоя и нарушение контакта резистора – наиболее типичный вид отказа (свыше 50%). Значительный процент отказов (35-40%) относят за счет перегорания токопроводящего слоя. Около 5% отказов вызываются резким изменением величины сопротивления (в 10-100 раз и более). Количество отказов резисторов меняется с течением времени и зависит от условий применения, технологии производства, качества материалов.

Нагрев резистивного слоя за счет мощности, рассеиваемой на резисторе в рабочем режиме, и резкие изменения температуры окружающей среды вызывают необратимые накапливающиеся изменения в резисторе, приводящие к внезапному отказу. Снижение электрической нагрузки резистора, создание условий работы, исключающих резкие изменения температуры, повышают его надежность.

На надежность резисторов отрицательно влияет влага. Она ускоряет коррозию контактных выводов, что приводит к их обрыву, и способствует растрескиванию защитных эмалей. Проникающая через трещины влага разрушает резистивный слой или проволоку.

При длительных механических воздействиях происходят усталостные изменения в материалах, используемых в конструкции резисторов, что приводит к скачкообразному изменению свойств резисторов и их отказу. Надежность резисторов существенно зависит от качества проводящего слоя и его геометрических размеров. Чем меньше сечение проводящего слоя и чем больше его длина, тем ниже надежность.

Мгновенные отказы резисторов возможны из-за нарушения целостности контактного узла. Наиболее частые отказы этого вида наблюдаются у поверхностных резисторов из-за возникающих механических перенапряжений. У объемных резисторов таких отказов нет, так как у них контактный вывод работает на сжатие.

Большинство резисторов имеют в начальный период работы такую же надежность, как и в период нормальной работы. Характерной особенностью резисторов при их работе в схемах является то, что их отказы в более чем 50% случаев вызывают отказы других элементов, например, пробой конденсаторов, короткие замыкания в электропроводниках и полупроводниковых приборах.

Надежность конденсаторов. Наиболее частым видом отказов конденсаторов является пробой диэлектрика и перекрытие изоляции между обкладками (поверхностный разряд). Эти отказы составляют около 80% всех отказов и возникают из-за наличия слабых мест в диэлектрике и технологических дефектов, допущенных при производстве. Довольно часто конденсаторы выходят из строя из-за обрывов выводов. Около 15% отказов конденсаторов вызваны уменьшением их емкости ниже допустимой. Чаще это наблюдается у электрических конденсаторов. Из-за уменьшения сопротивления изоляции выходят из строя около 5% конденсаторов.

Количество отказов конденсаторов зависит и от их назначения в схеме. Наибольшая опасность отказов наблюдается у разделительных и блокированных конденсаторов, наименьшая – у контурных и накопительных.

На надежность конденсаторов существенное влияние оказывает температура, влажность и частота питающего напряжения. Конденсаторы с большой электрической и тепловой нагрузкой имеют повышенное число отказов. Увеличение рабочего напряжения на конденсаторе всегда снижает сопротивление изоляции, нередко вызывает появление внутренней короны и пробой диэлектрика.

Нагрев конденсатора снижает электрическую прочность диэлектрика и сопротивление изоляции, увеличивает тангенс угла диэлектрических потерь. Причем местное уменьшение сопротивления изоляции вызывает повышение температуры конденсатора и, как следствие, еще большее возрастание потерь и снижение сопротивления изоляции. Развитие этих процессов приводит к пробою конденсатора.

Влажность окружающей среды является причиной увеличения тангенса угла диэлектрических потерь, снижение электрической прочности и сопротивления изоляции, что ведет к снижению пробивного напряжения. Это особенно сильно заметно в негерметизированных конденсаторах. Надежное влагозащитное покрытие замедляет протекание нежелательных процессов под действием влаги.

В противоположность резисторам основное количество отказов у конденсаторов наблюдается в начальный период эксплуатации. Так, около 70% всех пробоев происходит до наступления нормального периода работы.

Надежность полупроводниковых элементов. Параметры полупроводниковых диодов и транзисторов сильно зависят от внешних воздействий и главным образом от влияния температуры. Высшая температура для полупроводникового прибора определяется переходом базы в область собственной проводимости. Для германия эта температура лежит в пределах 80-100С, для кремния 150-200С, для карбида кремния 300-400С. Полупроводниковые приборы очень чувствительны к перегрузкам по току и по напряжению и выходят из строя даже при кратковременных перегрузках.

Основной причиной внезапных отказов полупроводниковых приборов является перенапряжение между коллектором и базой, возникающее во время переходных процессов. Иногда отказы могут быть обусловлены обратными импульсными выбросами на участке база-эмиттер. Частым видом внезапных отказов является также обрыв электрической цепи, короткие замыкания и недопустимые отклонения параметров элемента от номинала.

Постепенные отказы полупроводниковых приборов возникают большей частью из-за изменения их параметров, причем наиболее интенсивное изменение параметров отмечается в начальный период эксплуатации, составляющий несколько сотен часов. В дальнейшем скорость изменения параметров уменьшается и с наступлением периода старения снова растет. Изменения параметров полупроводниковых приборов большей частью наблюдаются при повышенных напряжениях на коллекторе или из-за проникновения влаги в прибор при нарушении герметичности. Такое нарушение вызывается обычно различием коэффициентов линейного расширения металлов и проходных изоляторов.

Надежность печатных плат. Основными параметрами, определяющими надежность печатных плат, являются тангенс угла диэлектрических потерь, диэлектрическая проницаемость, удельное объемное и поверхностное сопротивления, сопротивление изоляции между печатными проводниками. К факторам, наиболее влияющим на величину этих параметров относят температуру окружающей среды и влажность. Продолжительное нахождение печатных плат в условиях повышенной температуры и влажности, а особенно при одновременном их сочетании приводит к возникновению в платах необратимых явлений, вызывающих резкое уменьшение сопротивления изоляции, а это зачастую ведет к их отказу. Влага служит причиной образования плесени и коррозии металлов, которые могут вызвать разрыв электрической цепи.

Одной из причин, вызывающих отказы печатных плат является перекрытие по поверхности платы. Это явления возникает в результате увеличения относительной влажности воздуха вблизи поверхности платы по следующим причинам: из-за неоднородности поверхностного сопротивления печатных плат и их покрытий, образования поверхностных трещин на плате и на покрытии, уменьшении давления окружающей атмосферы. При уменьшении атмосферного давления напряжение поверхностного перекрытия твердых диэлектриков уменьшается и становится минимальным при давлении 800-950 Па, а затем снова возрастает. Повышенная температура окружающей среды снижает напряжение поверхностного перекрытия печатных плат. Старение материала изоляционного основания печатной платы приводит к значительному увеличению тангенса угла диэлектрических потерь, в результате чего происходит резкое возрастание уровня потерь и нередко отказ печатной платы.

Надежность печатных плат зависит также от количества соединений (паек), нанесенных на нее. С увеличением количества соединений увеличивается вероятность отказа.

Надежность интегральных схем. Интенсивность отказов ИМС лежит в пределах 10^-6-10^-9 ч^-1, приближаясь к уровню высоконадежных элементов. Сравнение интенсивности отказов отдельных элементов ИМС и ИМС в целом показывает, что они практически равнозначны. Преимуществом является то, что степень функциональной сложности ИМС с малым и средним уровнем интеграции слабо отражается на их надежности.

Д

Рис.5 Процентное соотношение основных типов дефектов монолитных ИС.

ля ИМС прежде всего характерны внезапные отказы, обусловленные качеством изготовления (технологическими дефектами): разрывы соединений между контактной зоной на поверхности подложки (кристалла) и выводами корпуса, обрывы и короткие замыкания внутренних соединений. Процентное соотношение основных типов дефектов монолитных ИС указано на круговой диаграмме (рис.5). Внезапные отказы полупроводниковых ИМС составляют 80% от общего числа отказов. Свыше 50% отказов гибридных линейных ИМС связано с дефектами встроенных транзисторов и паяных соединений. Отказы контактов золотых проволочных выводов чаще всего происходят из-за обрыва проволочки около шарика ковары.

Наиболее слабым звеном полупроводниковых ИМС в пластмассовых корпусах являются внутренние проволочные соединения, дающие обрывы и короткие замыкания (более 90% отказов вызвано обрывами соединительных проводов). Основная причина таких отказов определяется различием температурных коэффициентов линейного расширения металла и обволакивающего материала, что приводит к возникновению термомеханических напряжений. Около 10% отказов полупроводниковых ИМС в пластмассовых корпусах происходит по причине электрической коррозии алюминиевой металлизации из-за недостаточной влагостойкости пластмасс и загрязнения поверхности окисла при герметизации. Типичны для таких ИМС и отказы из-за образования шунтирующих утечек и коротких замыканий, так как влага вызывает перенос ионов металла и загрязнений, а также образование проводящих мостиков между разнопотенциальными точками схемы.

Более надежными являются ИМС с керамическими корпусами.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1

Номинальные интенсивности отказов элементов ЭА

Наименование, тип элемента	Интенсивность отказа н10-6 ч-1
1	2
Интегральные микросхемы
Гибридные	0,07
Полупроводниковые	0,02
Микромодули	1,8
Транзисторы
Маломощные НЧ, СЧ, ВЧ германиевые	2
Маломощные НЧ, СЧ, ВЧ кремниевые	2,5
Средней мощности НЧ, СЧ, ВЧ германиевые	2,5
Средней мощности ВЧ кремниевые	3,5
Мощные НЧ германиевые	2,8
Мощные НЧ кремниевые	2,4
Мощные СЧ германиевые	3
Мощные СЧ кремниевые	2,4
Мощные ВЧ германиевые	5
Мощные ВЧ кремниевые	1,7
Кремниевые ключевые	0,7
Кремниевые микроволновые	9,7
Диоды
Выпрямительные сплавные	1,5
ВЧ точечные германиевые	2
ВЧ точечные кремниевые	3,9
Импульсные сплавные	0,6
Импульсные точечные	3
Стабилитроны	5
Варикапы	5
Туннельные	3
Световоды	8
Микромодульные	4,5
Конденсаторы
Металлобумажные	2
Слюдяные	1,2
Стеклянные	1,6
Керамические	1,4
Электролитические	2,4
Пленочные	2
Переменные с воздушным диэлектриком	18,6
Трансформаторы, моточные изделия
Питания	3
	Продолжение табл.1
1	2
Импульсные	0,6
Дроссели	1
Катушки индуктивности	0,5
Электровакуумные приборы
Диоды	0,6
Триоды	1
Пентоды и тетроды	1,6
Кенотроны	2,5
Стабилитроны	1
Генераторные лампы	15
Тиратроны	5
ЭЛТ	18
Клистроны	20
Лампы бегущей волны и магнетроны	200
Индикаторные лампы	0,5
Электрические машины
Двигатели постоянного тока	10
Машины переменного тока	6
Тахогенераторы	8
Шаговые двигатели	0,37
Радиоэлектронные элементы
Микрофоны динамические	20
Громкоговорители динамические	6,5
Телефоны головные	20
Датчики оптические	4,7
Датчики температуры	3,3
Антенны	0,36
Волноводы жесткие	1,1
Волноводы гибкие	2,6
Источники питания
Аккумуляторы	7,2
Батареи одноразрядные	30
Коммутационные элементы
Реле малогабаритные	0,25 (на одну контактную группу)
Переключатели миниатюрные	0,25 (на одну контактную группу)
Выключатели, микровыключатели, тумблеры	3
Клеммы, гнезда	0,1
Разъемы	0,06
Предохранители	1
Переходные колодки	5,2
Ламповые панели	0,75
	Продолжение табл.1
1	2
Монтажные элементы
Провода соединительные	0,02
Пайка печатного монтажа	0,01
Пайка навесного монтажа	0,03
Основание печатных плат из гетинакса	0,1
Основание печатных плат из текстолита	0,01
Соединительные провода ПП, выполненные фотохимическим способом	0,3 (на один проводник)
	Номинальная мощность
	0,25	0,6	1,0	2,0	5,0	10
Резисторы непроволочные
МЛТ	0,4	0,5	1,0	1,6	-	-
ТВО	0,4	0,45	0,8	1,4	2,2	3,0
МОУ	0,5	0,55	1,1	1,5	2,3	3,1
МУН	0,6	0,6	1,2	2,0	-	-
УНУ	0,6	0,7	1,2	1,7	2,3	3,0
КЭВ	0,6	0,75	1,3	1,75	2,4	3,1
ВС	0,7	0,8	1,35	1,8	2,5	3,3
УЛИ	0,6	0,65	1,3	-	-	-
БЛЦ	0,7	0,75	1,4	-	-	-
СПО	0,6	0,7	1,15	1,8	-	-
СП	0,7	0,8	1,3	2,0	-	-
Резисторы проволочные
ПТН	-	1,1	1,4	1,8	-	-
ПКВ	-	1,2	1,5	2,0	2,5	-
ПЭВ	-	1,6	1,5	2,0	2,5	-
ПТП	-	-	2,2	2,6	3,0	-
РП	-	-	-	3,0	-	-
Резисторы металлопленочные	0,4	-	-	-	-	-

Таблица 2

Поправочные коэффициенты в зависимости от

механических воздействий

Условия эксплуатации ЭА
	При вибрации	При ударных нагрузках	При суммарном воздействии
Лабораторные	1,00	1,00	1,00
Стационарные	1,04	1,03	1,07
Автофургонные	1,35	1,08	1,46
Железнодорожные	1,40	1,10	1,54
Корабельные	1,30	1,05	1,37
Самолетные	1,46	1,13	1,65

Таблица 3

Поправочные коэффициенты в зависимости от

влажности и температуры

Влажность, %	Температура, С
60-70	20-40	1,0
90-98	20-25	2,0
90-98	30-40	2,5

Таблица 4

Поправочные коэффициенты в зависимости от

атмосферного давления (высоты)

Высота, км		Высота, км
0-1	1,00	8-10	1,25
1-2	1,05	10-15	1,30
2-3	1,10	15-20	1,35
3-5	1,14	20-25	1,38
5-6	1,16	25-30	1,40
6-8	1,20	30-40	1,45

Таблица 5

Поправочные коэффициенты  для интенсивностей отказов элементов ЭА

в зависимости от коэффициента нагрузки и температуры

Наименование, тип элемента		Коэффициент нагрузки
		0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
Полупроводниковые ИМС	20	-	-	-	-	-	-	-	-	1,0
	60	-	-	-	-	-	-	-	-	1,0
	80	-	-	-	-	-	-	-	-	2,5
Транзисторы кремниевые	20	0,16	0,18	0,20	0,35	0,43	0,52	0,63	-	-
	40	0,17	0,20	0,23	0,40	0,51	0,59	0,72	-	-
	60	0,19	0,22	0,26	0,50	0,61	0,71	0,85	-	-
Транзисторы германиевые	20	0,23	0,26	0,35	0,42	0,50	0,70	0,74	-	-
	40	0,32	0,40	0,55	0,66	0,81	1,04	1,22	-	-
	60	0,52	0,63	0,86	1,10	1,38	1,65	1,90	-	-
	80	0.69	0,91	1,25	1,57	1,92	2,24	2,59	-	-
Диоды кремниевые	20	0,77	0,78	0,79	0,81	0,83	0,85	0,88	-	-
	40	0,92	0,92	0,94	0,97	1,00	1,04	1,08	-	-
	60	1,04	1,08	1,11	1,16	1,22	1,30	1,39	-	-
Диоды германиевые	20	0,15	0,22	0,30	0,39	0,50	0,62	0,74	-	-
	40	0,23	0,32	0,41	0,51	0,63	0,76	0,91	-	-
	60	0,53	0,66	0,86	1,13	1,40	1,75	2,13	-	-
Конденсаторы керамические, слюдяные негерметичные	20	-	-	0,08	0,10	0,18	0,23	-	-	-
	40	-	-	0,09	0,13	0,28	0,35	-	-	-
	60	-	-	0,12	0,20	0,45	0,62	-	-	-
	80	-	-	0,22	0,43	0,92	1,46	-	-	-
Продолжение табл.5
Конденсаторы слюдяные герметичные	20	-	-	0,36	0,49	0,18	0,23	-	-	-
	40	-	-	0,42	0,54	0,28	0,35	-	-	-
	60	-	-	0,61	0,75	0,45	0,61	-	-	-
	80	-	-	0,97	1,40	0,92	1,46	-	-	-
Конденсаторы стеклянные, пленочные, металлобумажные	20	-	-	0,36	0,49	0,64	0,80	-	-	-
	40	-	-	0,42	0,54	0,80	1,10	-	-	-
	60	-	-	0,61	0,75	1,19	2,00	-	-	-
	80	-	-	0,97	1,40	2,10	2,80	-	-	-
Конденсаторы электролитические с алюминиевым анодом	20	-	-	0,48	0,40	0,48	0,65	-	-	-
	40	-	-	0,90	0,64	0,90	1,24	-	-	-
	60	-	-	2,10	1,80	2,10	2,30	-	-	-
	80	-	-	5,60	4,40	5,60	7,00	-	-	-
Конденсаторы электролитические с танталовым анодом	20	-	-	0,20	0,20	0,20	0,39	-	-	-
	40	-	-	0,30	0,30	0,30	0,47	-	-	-
	60	-	-	0,50	0,50	0,50	0,70	-	-	-
	80	-	-	0,80	0,80	0,80	1,05	-	-	-
Резисторы непроволочные	20	0,20	0,26	0,35	0,42	0,50	0,60	0,72	0,84	1,00
	40	0,33	0,42	0,51	0,60	0,76	0,94	1,11	1,38	1,71
	60	0,47	0,56	0,67	0,82	1,08	1,43	1,70	2,17	2,81
	80	0,61	0,71	0,84	1,07	1,46	2,05	2,48	3,31	4,40
Резисторы проволочные	20	0,02	0,02	0,05	0,10	0,20	0,34	0,61	0,73	1,00
	40	0,06	0,06	0,11	0,19	0,32	0,53	0,69	0,92	1,29
	60	0,10	0,10	0,17	0,30	0,47	0,73	0,96	1,29	1,95
	80	0,15	0,16	0,23	0,40	0,67	0,99	1,37	2,03	3,28
Моточные изделия, трансформаторы	20	-	0,1	0,1	0,1	0,2	0,3	0,6	0,8	1,0
	40	-	0,1	0,2	0,2	0,5	1,2	1,8	2,4	3,0
	60	-	0,2	0,3	0,4	1,2	2,5	4,1	6,4	8,6
	70	-	0,3	0,4	0,6	2,0	4,2	7,2	10,7	14,0
Электровакуумные диоды и триоды	20	0,63	0,66	0,70	0,75	0,80	0,85	0,90	0,95	1,00
	40	0,63	0,66	0,70	0,76	0,82	0,87	0,93	0,01	1,10
	60	0,68	0,73	0,76	0,83	0,91	1,00	1,07	0,20	1,35
	80	0,78	0,83	0,88	0,98	1,07	1,18	1,30	0,50	1,71
Электровакуумные тетроды и пентоды	20	-	-	0,70	0,73	0,76	0,83	0,87	0,92	1,00
	40	-	-	0,82	0,87	0,90	0,96	1,02	1,10	1,25
	60	-	-	0,96	1,02	1,10	1,18	1,27	1,45	1,65
	80	-	-	1,09	1,20	1,30	1,41	1,55	1,80	1.97
ЭЛТ	20	-	-	-	-	-	-	-	-	1,00
	40	-	-	-	-	-	-	-	-	1,28
	60	-	-	-	-	-	-	-	-	1,50
	80	-	-	-	-	-	-	-	-	1.70

Список использованной литературы

Алексеенко А.Г. Основы микросхемотехники. Элементы морфологии микроэлектронной аппаратуры. Изд. 2-е перераб. и доп. – М.: Советское радио, 1977.– 408 с.

Вершинин О.Е., Мироненко И.Г. Монтаж радиоэлектронной аппаратуры и приборов: Учеб. для ПТУ. – М.: Высшая школа, 1991.–208 с.

Вишняков В.А. Надежность электронной аппаратуры: учебное пособие. – Ярославль: ЯПИ, 1988,–64 с.

Содержание

1 Структура предприятия УППО 1

2 Технология изготовления печатных плат 3

Организационные и технологические предпосылки автомати-

зации монтажных работ 3

2.2 Методы конструирования РЭА на печатных платах 4

2.3 Классификация печатных плат 4

2.4 Технологические процессы изготовления печатных плат 4

2.5 Методы изготовления многослойных печатных плат 8

2.6 Основы безопасности производства печатных плат 10

3 Элементы теории надежности 11

3.1 Основные понятия и определения 11

3.2 Физическая надежность элементов ЭА 15

Приложение 19

Список использованной литературы