تعطل المكونات الإلكترونية

📅 آخر تحديث: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٩ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة

عطل في الدائرة المتكاملة في جهاز كمبيوتر محمول. تسبب توصيل الدائرة بشكل خاطئ في ارتفاع درجة حرارة الشريحة بشكل كبير واحتراق الغلاف البلاستيكي.

تتعرض المكونات الإلكترونية لأنواع متعددة من الأعطال ، ويمكن تصنيفها بطرق مختلفة، كالتوقيت أو السبب. قد تنجم الأعطال عن ارتفاع درجة الحرارة، أو زيادة التيار أو الجهد، أو الإشعاع المؤين ، أو الصدمات الميكانيكية، أو الإجهاد، أو الارتطام، وغيرها من الأسباب. في أشباه الموصلات، قد تتسبب مشاكل في غلاف الجهاز في حدوث أعطال نتيجة التلوث، أو الإجهاد الميكانيكي، أو الدوائر المفتوحة أو القصيرة.

تحدث الأعطال غالبًا في بداية ونهاية عمر المكونات، مما ينتج عنه منحنى حوض الاستحمام الذي يوضح معدلات الأعطال . تُستخدم إجراءات اختبار التحمل للكشف المبكر عن الأعطال. في أجهزة أشباه الموصلات، تصبح البنى الطفيلية ، غير ذات الصلة بالتشغيل العادي، مهمة في سياق الأعطال؛ إذ يمكن أن تكون مصدرًا للعطل وحماية منه في آنٍ واحد.

تستخدم تطبيقاتٌ مثل أنظمة الفضاء الجوي، وأنظمة دعم الحياة، والاتصالات، وإشارات السكك الحديدية، والحواسيب، أعدادًا هائلة من المكونات الإلكترونية الفردية. ويمكن لتحليل الخصائص الإحصائية للأعطال أن يُرشدنا في تصميم هذه المكونات لتحقيق مستوى مُحدد من الموثوقية. فعلى سبيل المثال، قد تنخفض قدرة تحمل الطاقة للمقاوم بشكل كبير عند استخدامه في الطائرات التي تحلق على ارتفاعات عالية لضمان عمر خدمة كافٍ.

قد يتسبب عطل مفاجئ في الدائرة الكهربائية، إذا كان سريعًا ويحتوي على ملف حث ، في حدوث أعطال ثانوية متعددة ؛ مما يؤدي إلى ارتفاعات حادة في الجهد الكهربائي ، قد تتجاوز 500 فولت. وبالتالي، قد يتسبب تلف الطبقة المعدنية على الشريحة في تلف ثانوي ناتج عن زيادة الجهد. [ 1 ] كما يمكن أن يتسبب الانهيار الحراري في أعطال مفاجئة، بما في ذلك الانصهار أو الحريق أو الانفجارات.

إخفاقات التغليف

معظم أعطال المكونات الإلكترونية مرتبطة بالتغليف . فالتغليف، باعتباره الحاجز بين المكونات الإلكترونية والبيئة، شديد التأثر بالعوامل البيئية. يُولّد التمدد الحراري إجهادات ميكانيكية قد تُسبب إجهادًا للمواد ، خاصةً عند اختلاف معاملات التمدد الحراري للمواد. كما أن الرطوبة والمواد الكيميائية القوية قد تُسبب تآكل مواد التغليف والأسلاك، مما قد يؤدي إلى كسرها وإتلاف المكونات الداخلية، وبالتالي حدوث عطل كهربائي. كذلك، فإن تجاوز نطاق درجة الحرارة البيئية المسموح به قد يُسبب إجهادًا زائدًا على وصلات الأسلاك، مما يؤدي إلى تمزقها، أو تشقق رقائق أشباه الموصلات، أو تشقق التغليف. وقد تُسبب الرطوبة أيضًا تشققات، وكذلك التلف الميكانيكي أو الصدمات.

أثناء عملية التغليف، قد تنقطع أسلاك التوصيل أو يحدث تماس كهربائي أو تلامس رقاقة المعالج، عادةً عند الحافة. ​​قد تتشقق الرقائق نتيجة الإجهاد الميكانيكي الزائد أو الصدمة الحرارية؛ كما أن العيوب التي تحدث أثناء التصنيع، مثل النقش، قد تتطور إلى كسور. قد تحتوي إطارات التوصيل على مواد زائدة أو نتوءات، مما يتسبب في حدوث تماس كهربائي. يمكن أن تنتقل الملوثات الأيونية، مثل المعادن القلوية والهالوجينات ، من مواد التغليف إلى رقائق أشباه الموصلات، مما يسبب التآكل أو تدهور الخصائص. عادةً ما تفشل موانع التسرب الزجاجية المعدنية بتكوين شقوق شعاعية تنشأ عند سطح التلامس بين الدبوس والزجاج وتنتشر للخارج؛ وتشمل الأسباب الأخرى ضعف طبقة الأكسيد على سطح التلامس وضعف تكوين غشاء زجاجي حول الدبوس. [ 2 ]

قد تتواجد غازات مختلفة في تجويف العبوة، إما كشوائب محتجزة أثناء التصنيع، أو نتيجة انبعاث الغازات من المواد المستخدمة، أو تفاعلات كيميائية، كما يحدث عند ارتفاع درجة حرارة مادة التغليف (غالبًا ما تكون النواتج أيونية وتُسهّل التآكل مع تأخر حدوث العطل). وللكشف عن ذلك، يُستخدم الهيليوم عادةً في الغلاف الجوي الخامل داخل العبوة كغاز مُتتبّع للكشف عن التسريبات أثناء الاختبار. قد يتكوّن ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين من المواد العضوية، بينما تنبعث الرطوبة من البوليمرات، وتنبعث الأمونيا من الإيبوكسيات المُعالجة بالأمينات . قد يؤدي تكوّن الشقوق ونمو المركبات بين الفلزية في وصلات الرقاقة إلى تكوّن فراغات وانفصال الطبقات، مما يُعيق انتقال الحرارة من رقاقة المعالج إلى الركيزة والمشتت الحراري، ويتسبب في عطل حراري. ولأن بعض أشباه الموصلات، مثل السيليكون وأرسينيد الغاليوم ، شفافة للأشعة تحت الحمراء، يُمكن استخدام المجهر بالأشعة تحت الحمراء للتحقق من سلامة وصلات الرقاقة والهياكل الداخلية. [ 2 ]

يُسهّل الفوسفور الأحمر ، المستخدم كمثبط للهب يُعزز تكوّن الفحم ، هجرة الفضة عند وجوده في مواد التغليف. عادةً ما يُغطى الفوسفور بهيدروكسيد الألومنيوم ؛ وإذا كان الطلاء غير مكتمل، تتأكسد جزيئات الفوسفور إلى خماسي أكسيد الفوسفور شديد الاسترطابية ، والذي يتفاعل مع الرطوبة لتكوين حمض الفوسفوريك . يُعدّ هذا الحمض إلكتروليتًا أكّالًا، وفي وجود المجالات الكهربائية، يُسهّل ذوبان الفضة وهجرتها، مما يُسبب قصرًا كهربائيًا في دبابيس التغليف المجاورة، وأطراف إطار التوصيل ، وقضبان الربط، وهياكل تثبيت الرقاقة، ووسادات الرقاقة. قد ينقطع جسر الفضة بسبب التمدد الحراري للغلاف؛ لذا، فإن اختفاء القصر عند تسخين الرقاقة وظهوره مجددًا بعد التبريد يُشير إلى هذه المشكلة. [ 3 ] قد يؤدي الانفصال والتمدد الحراري إلى تحريك رقاقة المعالج بالنسبة للغلاف، مما يُشوه أسلاك التوصيل، وربما يُسبب قصرًا كهربائيًا أو تشققًا فيها. [ 1 ]

أعطال الاتصال

تُظهر الموصلات الكهربائية مقاومة تلامس ، وتعتمد قيمتها على بنية السطح وتركيب طبقاته. [ 4 ] من الناحية المثالية، ينبغي أن تكون مقاومة التلامس منخفضة ومستقرة، إلا أن ضعف ضغط التلامس والاهتزاز الميكانيكي والتآكل قد تُغير مقاومة التلامس بشكل كبير، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة الحرارة نتيجة المقاومة الكهربائية وتعطل الدائرة.

قد تتعطل وصلات اللحام بعدة طرق، منها الهجرة الكهربائية وتكوّن طبقات بين فلزية هشة . بعض الأعطال لا تظهر إلا عند درجات حرارة عالية جدًا للوصلة، مما يعيق عملية التشخيص. يؤدي عدم تطابق التمدد الحراري بين مادة لوحة الدوائر المطبوعة وغلاف المكونات إلى إجهاد روابط المكونات باللوحة. قد تؤدي دورات التسخين والتبريد إلى تشقق وصلات اللحام نتيجة الإجهاد. يمكن أن تتشكل جزيئات سائبة، مثل بقايا اللحام وشعيرات القصدير ، في تجويف الجهاز وتنتقل داخل الغلاف، مما يتسبب في حدوث دوائر قصر متقطعة وحساسة للصدمات. قد يتسبب التآكل في تراكم الأكاسيد وغيرها من المنتجات غير الموصلة على أسطح التلامس. عند إغلاقها، تُظهر هذه الأسطح مقاومة عالية غير مقبولة؛ وقد تنتقل الأكاسيد أيضًا وتسبب دوائر قصر. [ 2 ]

أعطال لوحات الدوائر المطبوعة

تآكل شديد في لوحة الدوائر المطبوعة نتيجة تسرب بطارية نيكل-كادميوم مثبتة على لوحة الدوائر المطبوعة

تُعدّ لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) عرضةً للتأثيرات البيئية؛ فعلى سبيل المثال، تكون مسارات التوصيل عرضةً للتآكل، وقد لا تُحفر بشكل صحيح، مما يُؤدي إلى حدوث دوائر قصر جزئية، أو قد تتشقق تحت الأحمال الميكانيكية، بينما قد لا تُطلى الثقوب الموصلة بشكل كافٍ. كما أن بقايا مادة اللحام قد تُسهّل عملية التآكل؛ وقد تُسبب بقايا المواد الأخرى الموجودة على لوحات الدوائر المطبوعة تسربات كهربائية. ويمكن للمركبات التساهمية القطبية، مثل المواد المضادة للكهرباء الساكنة، أن تجذب الرطوبة، مُشكّلةً طبقة رقيقة من الرطوبة الموصلة بين مسارات التوصيل، أو قد تُبدد طاقة الترددات العالية، مما يُسبب خسائر عازلة طفيلية ؛ وتميل المركبات الأيونية، مثل الكلوريدات، إلى تسهيل عملية التآكل. وقد تنتقل أيونات المعادن القلوية عبر العبوات البلاستيكية، مما يُؤثر على أداء أشباه الموصلات. وقد تتحلل بقايا الهيدروكربونات المكلورة وتُطلق كلوريدات مُسببة للتآكل؛ وهذه مشاكل تظهر بعد سنوات.

عند تجاوز درجة حرارة التحول الزجاجي للوحات الدوائر المطبوعة، تصبح مصفوفة الراتنج أكثر ليونة وعرضة لانتشار الملوثات. على سبيل المثال، يمكن أن تتسرب بولي جليكولات من مادة اللحام إلى اللوحة وتزيد من امتصاصها للرطوبة، مما يؤدي إلى تدهور خصائصها العازلة ومقاومتها للتآكل. [ 5 ] وتعاني الركائز متعددة الطبقات التي تستخدم السيراميك من العديد من المشاكل نفسها.

قد تنمو خيوط الأنود الموصلة (CAFs) داخل لوحات الدوائر المطبوعة (PCBs) على طول ألياف المادة المركبة. يدخل المعدن إلى سطح هش، عادةً من خلال طلاء الثقوب الموصلة، ثم ينتقل في وجود الأيونات والرطوبة والجهد الكهربائي؛ ويؤدي تلف الحفر وضعف الترابط بين الزجاج والراتنج إلى تفاقم هذه الأعطال. [ 6 ] يبدأ تكوين خيوط الأنود الموصلة عادةً بضعف الترابط بين الزجاج والراتنج؛ ثم توفر طبقة من الرطوبة الممتصة قناةً تنتقل من خلالها الأيونات ونواتج التآكل. في وجود أيونات الكلوريد، تكون المادة المترسبة هي الأتاكاميت ؛ وتؤدي خصائصها شبه الموصلة إلى زيادة تسرب التيار، وتدهور قوة العزل الكهربائي، وحدوث دوائر قصر بين المسارات. وتزيد الجليكولات الممتصة من بقايا التدفق من تفاقم المشكلة. ويؤدي اختلاف التمدد الحراري للألياف والمصفوفة إلى إضعاف الرابطة عند لحام اللوحة؛ كما أن استخدام اللحام الخالي من الرصاص، الذي يتطلب درجات حرارة لحام أعلى، يزيد من حدوث خيوط الأنود الموصلة. إضافةً إلى ذلك، تعتمد ظاهرة التآكل الناتج عن التآكل على الرطوبة الممتصة؛ إذ لا تحدث دون عتبة معينة. [ 5 ] وقد يحدث انفصال الطبقات لفصل طبقات اللوحة، مما يؤدي إلى تشقق الثقوب الموصلة وتكوين مسارات للملوثات المسببة للتآكل وهجرة المواد الموصلة. [ 6 ]

أعطال المرحلات والمفاتيح

في كل مرة تُفتح أو تُغلق فيها نقاط تلامس المرحل أو المفتاح أو الموصل الكهروميكانيكي التقليدي ، يحدث قدرٌ معين من التآكل . وقد يتشكل قوس كهربائي بين نقاط التلامس أثناء الانتقال من حالة الإغلاق إلى الفتح (القطع) أو من الفتح إلى الإغلاق (التوصيل). يُشبه القوس الناتج عن قطع التلامس (قوس القطع) لحام القوس الكهربائي، حيث يكون عادةً أكثر طاقةً وأكثر تدميرًا. [ 7 ] تُؤدي حرارة وتيار القوس الكهربائي عبر نقاط التلامس إلى تكوينات مخروطية وفوهية محددة نتيجةً لهجرة المعدن. بالإضافة إلى التلف المادي للتلامس، تظهر أيضًا طبقة من الكربون ومواد أخرى. يُحدّ هذا التدهور من العمر التشغيلي الإجمالي للمرحل أو الموصل إلى حوالي 100,000 عملية، وهو مستوى يُمثل 1% أو أقل من العمر الميكانيكي المتوقع للجهاز نفسه دون حدوث قطع كهربائي. [ 8 ]

أعطال أشباه الموصلات

تُنتج العديد من الأعطال إلكترونات ساخنة . يمكن رصد هذه الإلكترونات باستخدام المجهر الضوئي، حيث تُولّد فوتونات قريبة من الأشعة تحت الحمراء يمكن رصدها بواسطة كاميرا CCD . ويمكن رصد حالات التداخل بهذه الطريقة. [ 9 ] إذا كان موقع العطل مرئيًا، فقد يُقدّم أدلة على طبيعة الإجهاد. يمكن استخدام طلاءات البلورات السائلة لتحديد مواقع الأعطال: فالبلورات السائلة الكوليسترية حساسة للحرارة وتُستخدم لتصوير مواقع توليد الحرارة على الرقائق. أما البلورات السائلة النيماتية فتستجيب للجهد وتُستخدم لتصوير تسربات التيار عبر عيوب الأكسيد وحالات الشحنة على سطح الرقاقة (وخاصة الحالات المنطقية). [ 2 ]

تشمل أمثلة أعطال أشباه الموصلات المتعلقة ببلورات أشباه الموصلات ما يلي:

أعطال المعلمات

تُعدّ الثقوب الموصلة مصدرًا شائعًا للمقاومة التسلسلية غير المرغوب فيها على الرقائق الإلكترونية؛ إذ تُظهر الثقوب الموصلة المعيبة مقاومة عالية غير مقبولة، مما يزيد من تأخيرات الانتشار. ونظرًا لانخفاض مقاومتها مع ارتفاع درجة الحرارة، فإن تدهور تردد التشغيل الأقصى للرقاقة عند برودتها يُعدّ مؤشرًا على وجود مثل هذا العطل. أما "عضات الفأر" فهي مناطق يقل فيها عرض التمعدن؛ وعادةً لا تظهر هذه العيوب أثناء الاختبارات الكهربائية، ولكنها تُشكّل خطرًا كبيرًا على الموثوقية. ويمكن أن يؤدي ازدياد كثافة التيار في "عضة الفأر" إلى تفاقم مشاكل الهجرة الكهربائية؛ ويلزم وجود درجة كبيرة من الفراغات لإحداث تأخير انتشار حساس لدرجة الحرارة. [ 9 ]

في بعض الأحيان، قد تجعل التفاوتات المسموح بها في الدوائر من الصعب تتبع السلوك غير المنتظم؛ فعلى سبيل المثال، قد يكون ترانزستور القيادة الضعيف، والمقاومة التسلسلية العالية، وسعة بوابة الترانزستور التالي ضمن الحدود المسموح بها، ولكن اجتماعها معًا قد يزيد بشكل ملحوظ من تأخير انتشار الإشارة . ولا تظهر هذه التأثيرات إلا في ظروف بيئية محددة، وسرعات ساعة عالية، وفولتية تغذية منخفضة، وأحيانًا في حالات إشارة دائرة محددة؛ وقد تحدث اختلافات كبيرة على شريحة واحدة. [ 9 ]

يمكن أن تعاني الدوائر المتكاملة أحادية الكتلة المصنوعة من زرنيخيد الغاليوم من الأعطال التالية: [ 11 ]

  • تدهور I DSS [ 12 ] بسبب غرق البوابة وتسمم الهيدروجين . هذا العطل هو الأكثر شيوعًا والأسهل اكتشافًا.
  • انخفاض في تيار التسرب عبر البوابة . يحدث هذا في اختبارات العمر المتسارع أو درجات الحرارة العالية، ويُشتبه في أنه ناتج عن تأثيرات حالة السطح.
  • انخفاض جهد الانقطاع . يُعدّ هذا نمطًا شائعًا للفشل في أجهزة زرنيخيد الغاليوم التي تعمل في درجات حرارة عالية، وينتج أساسًا عن تفاعلات أشباه الموصلات مع المعادن وتدهور هياكل معدن البوابة، بالإضافة إلى الهيدروجين كسبب آخر. ويمكن الحدّ من ذلك باستخدام معدن حاجز مناسب بين نقاط التلامس وزرنيخيد الغاليوم.
  • زيادة في مقاومة المصرف إلى المصدر. تُلاحظ هذه الظاهرة في الأجهزة ذات درجات الحرارة العالية، وهي ناتجة عن تفاعلات المعدن مع أشباه الموصلات، وغرق البوابة، وتدهور التوصيل الأومي.

فشل التمعدن

صورة مجهرية لترانزستور طاقة TO3 معطل بسبب قصر الدائرة

تُعدّ أعطال التمعدن من الأسباب الأكثر شيوعًا وخطورة لتدهور ترانزستورات FET مقارنةً بعمليات تصنيع المواد؛ إذ تفتقر المواد غير المتبلورة إلى حدود الحبيبات، مما يعيق الانتشار البيني والتآكل. [ 13 ] ومن أمثلة هذه الأعطال:

  • تُؤدي الهجرة الكهربائية إلى تحريك الذرات خارج المناطق النشطة، مُسببةً انخلاعات وعيوبًا نقطية تعمل كمراكز لإعادة التركيب غير الإشعاعي، مُنتجةً حرارة. قد يحدث هذا مع بوابات الألومنيوم في ترانزستورات MESFET ذات إشارات الترددات الراديوية ، مُسببًا تيار تصريف غير منتظم؛ تُسمى الهجرة الكهربائية في هذه الحالة بانخفاض البوابة . لا تحدث هذه المشكلة مع بوابات الذهب. [ 13 ] في الهياكل التي تحتوي على الألومنيوم فوق حاجز معدني مقاوم للحرارة، تُؤثر الهجرة الكهربائية بشكل أساسي على الألومنيوم وليس المعدن المقاوم للحرارة، مما يُؤدي إلى زيادة مقاومة الهيكل بشكل غير منتظم. قد يُسبب الألومنيوم المُزاح حدوث دوائر قصر مع الهياكل المجاورة؛ تُؤدي نسبة 0.5-4% من النحاس في الألومنيوم إلى زيادة مقاومة الهجرة الكهربائية، حيث يتراكم النحاس على حدود حبيبات السبيكة ويزيد من الطاقة اللازمة لإزاحة الذرات منها. [ 14 ] بالإضافة إلى ذلك، فإن أكسيد الإنديوم والقصدير والفضة عُرضة للهجرة الكهربائية، مما يُسبب تيار تسرب وإعادة تركيب غير إشعاعي (في مصابيح LED) على طول حواف الشريحة. في جميع الحالات، يمكن أن تتسبب الهجرة الكهربائية في حدوث تغييرات في أبعاد ومعايير بوابات الترانزستور ووصلات أشباه الموصلات.
  • تؤدي الضغوط الميكانيكية والتيارات العالية والبيئات المسببة للتآكل إلى تكوين شعيرات دقيقة، مما يتسبب في حدوث دوائر قصر. ويمكن أن تحدث هذه التأثيرات داخل العبوات وعلى لوحات الدوائر الإلكترونية .
  • تكوّن عُقيدات السيليكون. قد تُطعّم وصلات الألومنيوم بالسيليكون حتى التشبع أثناء الترسيب لمنع حدوث ارتفاعات مفاجئة في تركيز السبائك. أثناء دورات التسخين والتبريد، قد تهاجر ذرات السيليكون وتتكتل معًا، مُشكّلةً عُقيدات تعمل كفراغات، مما يزيد المقاومة الموضعية ويُقلّل من عمر الجهاز. [ 2 ]
  • تدهور التوصيل الأومي بين طبقات التمعدن وأشباه الموصلات. في حالة استخدام زرنيخيد الغاليوم، تُستخدم طبقة من سبيكة الذهب والجرمانيوم (وأحيانًا مع النيكل) لتحقيق مقاومة تلامس منخفضة؛ ويتشكل التوصيل الأومي نتيجة انتشار الجرمانيوم، مُكَوِّنًا منطقة رقيقة عالية التشويب من النوع السالب (n) أسفل المعدن، مما يُسهِّل الاتصال، تاركًا الذهب مُترسبًا فوقها. قد تهاجر ذرات الغاليوم عبر هذه الطبقة وتُمتص بواسطة الذهب الموجود أعلاها، مما يُؤدي إلى تكوين منطقة غنية بالعيوب وفقيرة بالغاليوم أسفل التوصيل؛ ثم يهاجر الذهب والأكسجين في اتجاهين متعاكسين، مما يُؤدي إلى زيادة مقاومة التوصيل الأومي وانخفاض مستوى التشويب الفعال. [ 13 ] كما يُساهم تكوين المركبات بين الفلزية في هذا النوع من الفشل.

الإجهاد الكهربائي الزائد

معظم حالات فشل أشباه الموصلات المرتبطة بالإجهاد هي حالات كهروحرارية على المستوى المجهري؛ إذ يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المرتفعة موضعيًا إلى فشل فوري عن طريق انصهار أو تبخير طبقات التمعدن، أو انصهار شبه الموصل نفسه، أو تغيير بنيته. وتميل عمليات الانتشار والهجرة الكهربائية إلى التسارع بفعل درجات الحرارة المرتفعة، مما يُقصر عمر الجهاز؛ وقد يظهر تلف الوصلات الذي لا يؤدي إلى فشل فوري على شكل تغير في خصائص التيار-الجهد لهذه الوصلات. ويمكن تصنيف حالات الفشل الناتجة عن الإجهاد الكهربائي الزائد إلى حالات فشل ناتجة عن الحرارة، وحالات فشل مرتبطة بالهجرة الكهربائية، وحالات فشل مرتبطة بالمجال الكهربائي؛ ومن أمثلة هذه الحالات:

  • يحدث الهروب الحراري عندما تتسبب التجمعات في الركيزة في فقدان موضعي للتوصيل الحراري ، مما يؤدي إلى تلف ينتج عنه المزيد من الحرارة؛ ومن أكثر الأسباب شيوعًا الفراغات الناتجة عن اللحام غير المكتمل ، وتأثيرات الهجرة الكهربائية، وفراغات كيركندال . يؤدي التوزيع المتكتل لكثافة التيار على الوصلة أو خيوط التيار إلى ازدحام التيار في النقاط الساخنة الموضعية، والتي قد تتطور إلى هروب حراري.
  • الانحياز العكسي . تعتمد بعض أشباه الموصلات على وصلات ثنائية وتُصنف كمقومات؛ إلا أن وضع الانهيار العكسي قد يحدث عند جهد منخفض جدًا، حيث يتسبب جهد انحياز عكسي متوسط ​​في تدهور فوري وتسارع كبير في العطل. 5  فولت هو أقصى جهد انحياز عكسي للثنائيات الباعثة للضوء (LED) النموذجية، مع وجود أنواع أخرى ذات قيم أقل.
  • تُسبب ثنائيات زينر المُحمّلة بشكل مفرط في حالة قصر الدائرة العكسي. يؤدي الجهد العالي الكافي إلى انهيار انهياري لوصلة زينر؛ هذا بالإضافة إلى مرور تيار كبير عبر الثنائي، مما يُسبب تسخينًا موضعيًا شديدًا، يُؤدي إلى انصهار الوصلة والطبقة المعدنية وتكوين سبيكة من السيليكون والألومنيوم تُسبب قصرًا في الأطراف. يُستخدم هذا أحيانًا عمدًا كطريقة لتوصيل الأسلاك مباشرةً عبر الصمامات. [ 14 ]
  • يحدث التثبيت (عندما يتعرض الجهاز لنبضة جهد زائد أو ناقص)؛ وقد يتسبب وجود بنية طفيلية تعمل كـ SCR مُفعّل في حدوث عطل ناتج عن زيادة التيار. في الدوائر المتكاملة، يُصنف التثبيت إلى داخلي (مثل انعكاسات خط النقل وارتدادات الأرض ) أو خارجي (مثل الإشارات المُدخلة عبر منافذ الإدخال/الإخراج والأشعة الكونية )؛ يمكن أن يحدث التثبيت الخارجي نتيجة تفريغ كهرساكن، بينما لا يحدث التثبيت الداخلي. يمكن أن يحدث التثبيت نتيجة حاملات الشحنة المحقونة في ركيزة الشريحة أو نتيجة تثبيت آخر؛ ويختبر معيار JEDEC78 قابلية حدوث التثبيت. [ 9 ]

التفريغ الكهروستاتيكي

يُعدّ التفريغ الكهروستاتيكي (ESD) نوعًا فرعيًا من الإجهاد الكهربائي الزائد، وقد يُسبب عطلًا فوريًا في الجهاز، وتغيرات دائمة في المعلمات، وتلفًا كامنًا، مما يؤدي إلى زيادة معدل التدهور. وترتبط آثاره بثلاثة عناصر: توليد حرارة موضعية، وكثافة تيار عالية، وتدرج عالٍ في المجال الكهربائي. يُسبب التفريغ الكهروستاتيكي في الدوائر الحقيقية موجةً مُخمّدة ذات قطبية متناوبة بسرعة، حيث تتعرض الوصلات للإجهاد بنفس الطريقة؛ وله أربع آليات أساسية: [ 15 ]

  • يحدث انهيار الأكسيد عند شدة المجال التي تزيد عن 6-10  ميجا فولت/سم.
  • يتجلى تلف الوصلة في صورة تسرب انحياز عكسي يزداد إلى حد حدوث قصر.
  • التمعدن واحتراق البولي سيليكون، حيث يقتصر الضرر على الوصلات المعدنية والبولي سيليكون ، والمقاومات ذات الأغشية الرقيقة والمقاومات المنتشرة.
  • حقن الشحنة، حيث يتم حقن الناقلات الساخنة المتولدة عن طريق الانهيار الانهياري في طبقة الأكسيد.

تشمل أنماط فشل الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي الكارثية ما يلي:

  • احتراق الوصلة، حيث يتشكل مسار موصل عبر الوصلة ويحدث قصرًا كهربائيًا فيها.
  • احتراق التمعدن، حيث يؤدي انصهار أو تبخر جزء من الموصل المعدني إلى انقطاعه
  • اختراق طبقة الأكسيد، وهو تشكّل مسار موصل عبر الطبقة العازلة بين موصلين أو أشباه موصلات؛ وتكون طبقات أكسيد البوابة هي الأرق وبالتالي الأكثر حساسية. يُظهر الترانزستور التالف وصلة منخفضة المقاومة بين طرفي البوابة والمصرف.

يؤدي الفشل البارامتري إلى تغيير معلمات الجهاز فقط، وقد ينتج عنه فشل في اختبار الإجهاد . أما أنماط فشل التفريغ الكهروستاتيكي الكامنة فتحدث بشكل متأخر، وتشمل ما يلي:

  • تلف العازل نتيجة ضعف بنيته.
  • تلف الوصلة عن طريق تقليل عمر حاملات الشحنة الأقلية، وزيادة مقاومة الانحياز الأمامي، وزيادة تسرب الانحياز العكسي.
  • تلف الطبقة المعدنية نتيجة ضعف الموصل.

تتطلب الأعطال الكارثية أعلى جهد تفريغ، وهي الأسهل اختبارًا والأندر حدوثًا. أما الأعطال البارامترية فتحدث عند جهد تفريغ متوسط. وتُعد الأعطال الكامنة أو مشاكل الموثوقية هي الأكثر شيوعًا، إذ تحدث بمعدل يتراوح بين 4 و10 أضعاف الأعطال البارامترية. [ 16 ] تتميز دوائر VLSI الحديثة بحساسية أكبر للتفريغ الكهروستاتيكي، مع مكونات أصغر حجمًا، وسعة أقل، ونسبة جهد إلى شحنة أعلى. كما أن ترسيب السيليكون على الطبقات الموصلة يزيد من موصليتها، مما يقلل من مقاومة الكبح التي تؤدي دورًا وقائيًا.

قد يتضرر أكسيد البوابة في بعض ترانزستورات MOSFET بفعل جهد كهربائي يصل إلى 50 فولت. تكون البوابة معزولة عن الوصلة، ويتراكم الجهد عليها، مما يُسبب إجهادًا شديدًا على طبقة العازل الرقيقة؛ وقد يتحطم الأكسيد المُجهد ويتعطل فورًا. إذا لم يتعطل أكسيد البوابة نفسه فورًا، فقد يتسارع العطل بفعل تيار التسرب الناتج عن الإجهاد ، مما يؤدي إلى تأخر العطل بعد ساعات تشغيل طويلة. المكثفات المدمجة على الرقاقة، والتي تستخدم عوازل أكسيدية أو نتريدية، معرضة للخطر أيضًا. تكون البنى الأصغر حجمًا أكثر عرضة للخطر نظرًا لانخفاض سعتها ، مما يعني أن نفس كمية حاملات الشحنة تشحن المكثف بجهد أعلى. جميع الطبقات الرقيقة من العوازل معرضة للخطر؛ لذا، فإن الرقاقات المصنعة بعمليات تستخدم طبقات أكسيد أكثر سمكًا تكون أقل عرضة للخطر. [ 14 ]

تُعدّ الأعطال الناجمة عن التيار الكهربائي أكثر شيوعًا في الأجهزة ذات الوصلات ثنائية القطب، حيث تسود وصلات شوتكي ووصلات PN. ويمكن للطاقة العالية للتفريغ، التي تتجاوز 5 كيلوواط لأقل من ميكروثانية، أن تُذيب المواد وتُبخرها. [ 17 ]

تُعدّ مخازن الإخراج CMOS الحديثة التي تستخدم مصارف سيليسيد مخففة التشويب أكثر حساسيةً للتفريغ الكهروستاتيكي؛ حيث يتعرض مشغل القناة N عادةً للتلف في طبقة الأكسيد أو وصلة البئر n+/p. ويعود ذلك إلى ازدحام التيار أثناء ارتداد ترانزستور NPN الطفيلي. [ 18 ] في هياكل P/NMOS ذات القطبين، يكون ترانزستور NMOS هو الأكثر عرضةً للتلف في أغلب الأحيان. [ 19 ] يؤثر تركيب الوصلة على حساسيتها للتفريغ الكهروستاتيكي؛ إذ يمكن أن تؤدي الزوايا والعيوب إلى ازدحام التيار، مما يقلل من عتبة التلف. وتكون الوصلات المنحازة أمامياً أقل حساسيةً من الوصلات المنحازة عكسياً لأن حرارة جول في الوصلات المنحازة أمامياً تُبدد عبر طبقة أكثر سمكاً من المادة، مقارنةً بمنطقة الاستنزاف الضيقة في الوصلة المنحازة عكسياً. [ 20 ]

أعطال العناصر السلبية

المقاومات

يظهر المقاوم الذي تم إزالته من دائرة أنبوب الجهد العالي تلفًا ناتجًا عن تقوس كهربائي على طبقة أكسيد المعدن المقاوم.

قد تتعطل المقاومات نتيجة فتح الدائرة أو قصرها، بالإضافة إلى تغير قيمتها تبعًا للظروف البيئية وتجاوزها لحدود الأداء. ومن أمثلة أعطال المقاومات ما يلي:

  • عيوب التصنيع التي تسبب مشاكل متقطعة. على سبيل المثال، قد تنفك الأغطية غير المثبتة بشكل صحيح على المقاومات الكربونية أو المعدنية وتفقد الاتصال، ويمكن أن تغير مقاومة المقاومة إلى الغطاء قيم المقاومة [ 2 ].
  • انفصال المقاومات المثبتة على السطح عند نقطة التقاء المواد المختلفة، كما هو الحال بين الركيزة الخزفية والطبقة المقاومة. [ 21 ]
  • تتعرض المقاومات الرقيقة المصنوعة من النيكروم في الدوائر المتكاملة للهجوم من قبل الفوسفور الموجود في زجاج التخميل، مما يؤدي إلى تآكلها وزيادة مقاومتها. [ 22 ]
  • المقاومات السطحية ذات التلامس المطلي بالفضة تعاني من فشل الدائرة المفتوحة في بيئة غنية بالكبريت ، بسبب تراكم كبريتيد الفضة . [ 6 ]
  • تنمو التفرعات النحاسية من أكسيد النحاس (II) الموجود في بعض المواد (مثل الطبقة التي تسهل التصاق التمعدن بالركيزة الخزفية) وتربط فتحة القطع. [ 3 ]
  • قد تتغير قيمة المقاومات ذات الأغشية الرقيقة نتيجة لتشكل مسار تفريغ كهربائي عبرها، وتبخر جزء من الغشاء الرقيق؛ وهذا قد يمثل مشكلة في التطبيقات الدقيقة حيث تكون هذه القيم بالغة الأهمية. [ 17 ]

مقاييس الجهد الكهربائي ومقاييس الضبط

المقاومات المتغيرة ( البوتنشيومترات ) هي أجزاء كهروميكانيكية ثلاثية الأطراف، تحتوي على مسار مقاومة مع ملامس قابل للتعديل. إلى جانب أسباب تعطل المقاومات العادية، قد يؤدي التآكل الميكانيكي للملامس والطبقة المقاومة، والتآكل الكيميائي، وتلوث السطح، والتشوهات الميكانيكية إلى تغيرات متقطعة في مقاومة المسار-الملامس، وهي مشكلة شائعة في مضخمات الصوت. العديد من هذه الأنواع ليست محكمة الإغلاق تمامًا، مما يسمح بدخول الملوثات والرطوبة؛ ومن الملوثات الشائعة بشكل خاص مادة اللحام . يمكن أن تحدث التشوهات الميكانيكية (مثل ضعف تلامس المسار-الملامس) نتيجة لانحناء الغلاف أثناء اللحام أو الإجهاد الميكانيكي أثناء التركيب. قد يؤدي الإجهاد الزائد على الأطراف إلى تشقق الركيزة وعطل الدائرة المفتوحة عندما يخترق الشق مسار المقاومة. [ 2 ]

المكثفات

تتميز المكثفات بسعتها ، ومقاومتها الطفيلية الموصولة على التوالي والتوازي، وجهد انهيارها، ومعامل فقد الطاقة ؛ وغالبًا ما تعتمد كلتا المعلمتين الطفيليتين على التردد والجهد. تتكون المكثفات هيكليًا من أقطاب كهربائية يفصل بينها عازل، وأسلاك توصيل، وغلاف؛ وقد يؤدي تدهور أي من هذه المكونات إلى تغيرات في المعلمات أو تعطل المكثفات. يُعدّ قصر الدائرة والتسريب الناتج عن زيادة المقاومة الطفيلية الموصولة على التوازي أكثر أنواع أعطال المكثفات شيوعًا، يليهما انقطاع الدائرة. ومن أمثلة أعطال المكثفات ما يلي:

  • يحدث الانهيار العازل نتيجةً لزيادة الجهد أو تقادم العازل، وذلك عندما ينخفض ​​جهد الانهيار عن جهد التشغيل. تتميز بعض أنواع المكثفات بقدرتها على "الإصلاح الذاتي"، حيث يؤدي التفريغ الكهربائي الداخلي إلى تبخير أجزاء من الأقطاب الكهربائية حول موضع العطل. بينما تُشكّل أنواع أخرى مسارًا موصلًا عبر العازل، مما يؤدي إلى حدوث قصر كهربائي أو فقدان جزئي لمقاومة العازل. [ 2 ]
  • [ 2 ] هجرة مواد الأقطاب الكهربائية عبر العازل، مما يشكل مسارات موصلة.
  • قد تنفصل أطراف المكثف عن الدائرة الكهربائية نتيجة سوء التعامل أثناء التخزين أو التجميع أو التشغيل، مما يؤدي إلى انقطاع الدائرة. يمكن أن يحدث هذا العطل بشكل غير مرئي داخل العبوة، ولكنه قابل للقياس. [ 2 ]
  • زيادة عامل التبديد بسبب تلوث مواد المكثف، وخاصة من بقايا التدفق والمذيبات. [ 2 ]

المكثفات الإلكتروليتية

بالإضافة إلى المشاكل المذكورة أعلاه، تعاني المكثفات الإلكتروليتية من هذه الأعطال:

  • تُعاني المكثفات المصنوعة من الألومنيوم من جفاف الإلكتروليت، مما يؤدي إلى تسرب تدريجي، ومقاومة متسلسلة مكافئة، وفقدان في السعة. كما يتسبب تبديد الطاقة الناتج عن تيارات التموج العالية والمقاومات الداخلية في ارتفاع درجة حرارة المكثف الداخلية إلى ما يتجاوز المواصفات، مما يُسرّع من معدل التلف؛ وعادةً ما تتعطل هذه المكثفات بسبب قصر الدائرة. [ 2 ]
  • يؤدي تلوث الإلكتروليت (مثل الرطوبة) إلى تآكل الأقطاب الكهربائية، مما يؤدي إلى فقدان السعة الكهربائية وحدوث دوائر قصر. [ 2 ]
  • تتصاعد غازات من الإلكتروليتات، مما يزيد الضغط داخل غلاف المكثف ويتسبب أحيانًا في حدوث انفجار؛ ومن الأمثلة على ذلك وباء المكثفات .
  • تتعرض نسخ التنتالوم لإجهاد كهربائي زائد، مما يؤدي إلى تدهور دائم في العازل الكهربائي، وقد يتسبب أحيانًا في حدوث عطل في الدائرة الكهربائية، سواء كان دائرة مفتوحة أو دائرة قصر. [ 2 ] عادةً ما تظهر المواقع التي تعطلت بهذه الطريقة على شكل عازل كهربائي متغير اللون أو مصعد منصهر موضعيًا. [ 6 ]

المقاومات المتغيرة لأكسيد المعادن

تتميز المقاومات المتغيرة لأكاسيد المعادن بمقاومة أقل عند ارتفاع درجة حرارتها؛ فإذا تم توصيلها مباشرةً عبر ناقل الطاقة، لحماية الدائرة من ارتفاعات الجهد المفاجئة ، فقد تنزلق المقاومة المتغيرة ذات جهد التشغيل المنخفض إلى حالة هروب حراري كارثي، وقد تؤدي أحيانًا إلى انفجار صغير أو حريق. [ 23 ] ولمنع ذلك، يتم عادةً تحديد تيار العطل بواسطة مصهر حراري أو قاطع دائرة أو أي جهاز آخر لتحديد التيار.

أعطال الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة

تعاني الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة من أنواع مختلفة من الأعطال:

  • يؤدي الاحتكاك إلى التصاق الأجزاء المتحركة؛ وقد يؤدي نبض خارجي أحيانًا إلى استعادة وظيفتها. تعمل الطلاءات غير اللاصقة، وتقليل مساحة التلامس، وزيادة الوعي على التخفيف من هذه المشكلة في الأنظمة الحديثة. [ 9 ]
  • تتحرك الجسيمات داخل النظام وتعيق حركتها. قد تتسبب الجسيمات الموصلة في حدوث قصر في الدوائر الكهربائية، مثل المحركات الكهروستاتيكية. يؤدي التآكل إلى تلف الأسطح وإطلاق حطام يمكن أن يكون مصدرًا لتلوث الجسيمات.
  • الكسور التي تؤدي إلى فقدان الأجزاء الميكانيكية.
  • يؤدي إجهاد المواد إلى حدوث تشققات في الهياكل المتحركة.
  • يؤدي الشحن العازل إلى تغيير في الوظائف، وفي مرحلة ما إلى أعطال في المعلمات. [ 24 ]

إعادة إنشاء أنماط الفشل

لتقليل حالات الفشل، يُعدّ الإلمام الدقيق بقياس جودة قوة الترابط أثناء تصميم المنتج وتصنيعه اللاحق أمرًا بالغ الأهمية. وأفضل نقطة بداية هي تحديد نمط الفشل. ويستند هذا إلى افتراض وجود نمط فشل محدد، أو مجموعة من الأنماط، التي قد تحدث في المنتج. لذا، من المنطقي افتراض أن اختبار الترابط يجب أن يُحاكي نمط الفشل، أو الأنماط المطلوبة. مع ذلك، لا يُمكن دائمًا تحقيق المحاكاة الدقيقة. يجب تطبيق حمل الاختبار على جزء من العينة ونقله عبرها إلى الترابط. إذا كان هذا الجزء من العينة هو الخيار الوحيد وكان أضعف من الترابط نفسه، فسوف تفشل العينة قبل الترابط. [ 25 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 STFA 2001: وقائع الندوة الدولية السابعة والعشرين للاختبار وتحليل الأعطال : 11-15 نوفمبر 2001، مركز مؤتمرات سانتا كلارا، سانتا كلارا، كاليفورنيا، ص 267 ISBN 0-87170-746-2
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 ميريل إل. مينجز (1989). دليل المواد الإلكترونية: التغليف . الجمعية الأمريكية للمعادن الدولية. ص 970. ISBN  978-0-87170-285-2.
  3. 1 2 3 ASM International (2008). الندوة الدولية الرابعة والثلاثون للاختبار وتحليل الأعطال . ASM International. ص 61. ISBN  978-1-61503-091-0.
  4. ↑ تشاي، سي.؛ وآخرون (2015). "مقاومة التلامس الكهربائي المعتمدة على الإجهاد عند الأسطح الخشنة الكسورية". مجلة الهندسة الميكانيكية . 143 (3): B4015001. doi : 10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0000967 . 
  5. 1 2 شانغوان، دونغكاي (5 ديسمبر 2005). موثوقية وصلات اللحام الخالية من الرصاص . الجمعية الأمريكية للمعادن الدولية. ISBN 978-0-87170-816-8.
  6. 1 2 3 4 توماس دبليو. لي (2002). تحليل أعطال الإلكترونيات الدقيقة: مرجع مكتبي : ملحق 2002. الجمعية الأمريكية للمعادن الدولية. ص 161. ISBN   978-0-87170-769-7.
  7. ↑ هولم، راجنار (1958). دليل التوصيلات الكهربائية ( الطبعة الثالثة). سبرينغر-فيرلاغ، برلين / غوتينغن / هايدلبرغ. الصفحات 331-342 .  
  8. ↑ "ملاحظة المختبر رقم 105: عمر التلامس - القوس الكهربائي غير المُثبَّط مقابل القوس الكهربائي المُثبَّط " . تقنيات كبح القوس الكهربائي. أغسطس 2011. تم الاطلاع عليه في 10 مارس 2012 .
  9. 1 2 3 4 5 تحليل أعطال الإلكترونيات الدقيقة: مرجع مكتبي، من إعداد جمعية تحليل أعطال الأجهزة الإلكترونية، لجنة المراجع المكتبية، الجمعية الأمريكية للمعادن الدولية، 2004، رقم ISBN 0-87170-804-3ص 79
  10. ↑ تآكل وموثوقية المواد والأجهزة الإلكترونية: وقائع الندوة الدولية الرابعة . الجمعية الكهروكيميائية. 1999. ص 251. ISBN  1-56677-252-4.
  11. ↑ الفصل 4. أنماط وآليات الفشل الأساسية ، بقلم س. كايالي
  12. ↑ ما هو IDSS لترانزستور FET؟
  13. 1 2 3 أ. كريستو؛ ب. أ. أونغر (1990). موثوقية أجهزة أشباه الموصلات . سبرينغر. ص 221. ISBN  0-7923-0536-1.
  14. 1 2 3黑斯廷斯 (2004). فن التخطيط التناظري . 清华大学出版社. ص. 120. ردمك  7-302-08226-X.
  15. ↑ أوليغ سيمينوف؛ حسين سربشائي؛ مانوج ساشديف (2008). تصميم أجهزة ودوائر الحماية من التفريغ الكهروستاتيكي لتقنيات CMOS المتقدمة . سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. ص 4. ISBN  978-1-4020-8301-3.
  16. ↑ آر دبليو ويلكر؛ رامامورثي ناجاراجان؛ كارل إي. نيوبيرج (2006). مكافحة التلوث والتفريغ الكهروستاتيكي في التصنيع عالي التقنية . جون وايلي وأولاده. ص 68. ISBN  0-471-41452-2.
  17. 1 2 جون إم. كولير؛ دونالد إي. واتسون (1996). التفريغ الكهروستاتيكي من الألف إلى الياء: التحكم في التفريغ الكهروستاتيكي للإلكترونيات . سبرينغر. ص 32. ISBN  0-412-08381-7.
  18. ↑ ج. ثيودور (1990). إدارة برنامج ESD: منهج واقعي للتحسين المستمر القابل للقياس في التحكم الثابت . سبرينغر. ص 67. ISBN  0-412-09781-8.
  19. ^ كارلوس هـ. دياز. سونغ مو (ستيف) كانغ؛ شارفاكا دوفوري (1994). نمذجة الإجهاد الكهربائي الزائد في الدوائر المتكاملة . سبرينغر العلوم والإعلام التجاري. ص. 3. رقم ISBN  978-0-7923-9505-8.
  20. ↑ ميلتون أورينغ (1998). موثوقية وفشل المواد والأجهزة الإلكترونية . دار النشر الأكاديمية. ص 349. ISBN  0-12-524985-3.
  21. ↑ خليفة العربي إسحاقول (1992). دليل دراسات الحالة في تحليل الفشل، المجلد 2. الجمعية الأمريكية للمعادن الدولية. ISBN 978-0-87170-495-5.
  22. ↑ جيمس ج. ليكاري؛ ليونارد ر. إنلو (2008). دليل تكنولوجيا الدوائر المتكاملة الهجينة، الطبعة الثانية: المواد، والعمليات، والتصميم، والاختبار، والإنتاج . دار نشر إلسيفير للعلوم. ص 506. ISBN  978-0-08-094659-7.
  23. ↑ براون، كينيث (مارس 2004). "تدهور المقاومات المتغيرة لأكسيد المعادن" . مجلة IAEI . مؤرشف من الأصل في 19 يوليو 2011. تم الاطلاع عليه في 30 مارس 2011 .
  24. ↑ Herfst, RW, Steeneken, PG, Schmitz, J., Time and voltage dependence of dielectric shipping in RF MEMS capacitive switches, (2007) Annual Proceedings – Reliability Physics (Symposium), art. no. 4227667, pp. 417–421.
  25. ↑ سايكس، بوب (يونيو 2010). "لماذا يتم اختبار الروابط؟" . مجلة SMT والتغليف العالمية. مؤرشف من الأصل في 3 يوليو 2018. تم الاطلاع عليه في 20 يونيو 2014 .

للمزيد من القراءة

  • Herfst, RW, Steeneken, PG, Schmitz, J., الاعتماد الزمني والجهد لشحن العازل في مفاتيح RF MEMS السعوية، (2007) وقائع سنوية - فيزياء الموثوقية (ندوة)، رقم المادة 4227667، الصفحات 417-421.