Principales contraintes environnementales à l’origine de défaillances de produits électroniques

Au cours du processus de travail des produits électroniques, outre les contraintes électriques telles que la tension et le courant des charges électriques, les contraintes environnementales comprennent également les températures élevées et les cycles de température, les vibrations et impacts mécaniques, l'humidité et le brouillard salin, les interférences de champ électromagnétique, etc. Sous l'influence du stress environnemental ci-dessus, les produits peuvent subir une dégradation de leurs performances, une dérive des paramètres, une corrosion des matériaux, etc., ou même échouer.

Une fois les produits électroniques fabriqués, depuis le contrôle, l'inventaire, le transport jusqu'à l'utilisation et la maintenance, ils sont tous affectés par le stress environnemental, entraînant une modification continue des propriétés physiques, chimiques, mécaniques et électriques du produit. Le processus de changement peut être lent ou lent. Transitoire, tout dépend du type de stress environnemental et de l’ampleur du stress.

1. Stress thermique

Les produits électroniques résisteront aux contraintes thermiques dans n’importe quel environnement. L'ampleur du stress thermique dépend du type d'environnement, de la structure du produit et de l'état de fonctionnement. Le stress thermique comprend le stress thermique en régime permanent et le stress thermique changeant.

La contrainte thermique en régime permanent fait référence à la température de réponse des produits électroniques lorsqu'ils sont utilisés ou stockés dans un certain environnement de température. Lorsque la température de réponse dépasse la limite à laquelle le produit peut résister, le composant ne sera pas en mesure de fonctionner dans la plage de paramètres électriques spécifiée, ce qui peut entraîner un ramollissement et une déformation du matériau du produit, une diminution des performances d'isolation, voire une surchauffe. et brûler. Le produit est alors soumis à des températures élevées. Une contrainte excessive et une contrainte excessive à haute température peuvent provoquer une défaillance du produit dans un court laps de temps ; lorsque la température de réponse ne dépasse pas la plage de température de fonctionnement spécifiée du produit, l'effet de la contrainte de température à l'état stable se manifeste dans l'effet à long terme, et les effets à long terme de la température entraîneront un vieillissement progressif des matériaux du produit et des problèmes électriques. les paramètres de performance dérivent ou dépassent les tolérances, conduisant finalement à une défaillance du produit. Pour le produit, le stress thermique qu’il subit à ce moment-là est un stress thermique à long terme. La contrainte thermique en régime permanent subie par les produits électroniques provient de la charge de température ambiante du produit et de la chaleur générée par sa propre consommation d'énergie. Par exemple, en raison d'une défaillance du système de refroidissement ou d'une fuite de chaleur à haute température provenant de l'équipement, la température du composant dépassera la limite supérieure de la température admissible et le composant résistera à des températures élevées. Surmenage ; lorsque la température de l'environnement de stockage est stable pendant une longue période, le produit est soumis à une contrainte thermique à long terme. La capacité limite de résistance à haute température des produits électroniques peut être déterminée par le test de cuisson à haute température, et la durée de vie des produits électroniques fonctionnant à des températures à long terme peut être évaluée par le test de durée de vie en régime permanent (accélération à haute température).

La contrainte thermique changeante fait référence à la contrainte thermique sur l'interface matérielle provoquée par les changements de température lorsqu'un produit électronique est dans un état de température changeant en raison de la différence de coefficient de dilatation thermique de chaque matériau fonctionnel du produit. Lorsque la température change radicalement, le produit peut éclater à l’interface du matériau et échouer. À ce moment, le produit est soumis à une contrainte excessive liée au changement de température ou à un choc thermique ; lorsque la température change relativement lentement, l'effet du changement de contrainte thermique se manifeste à long terme. L'interface matérielle continue de résister à la contrainte thermique générée par les changements de température, et des microfissures peuvent survenir dans les micro-zones locales. Ces dommages s'accumulent progressivement, conduisant finalement à des fissures ou à des dommages à l'interface matériau du produit. A cette époque, le produit est soumis à des changements de température à long terme. Stress ou stress dû au cycle de température. Les contraintes de température changeantes subies par les produits électroniques proviennent des changements de température de l'environnement dans lequel se trouve le produit et de son propre état de commutation. Par exemple, lors du passage d'un intérieur chaud à un extérieur froid, sous un fort rayonnement solaire, une pluie soudaine ou une immersion dans l'eau, des changements rapides de température de l'avion du sol à haute altitude, un travail intermittent dans des environnements de zone froide et l'exposition au soleil. et les changements d'arrière-soleil dans l'espace. Modifications, brasage par refusion et retouche des modules de microcircuits, etc., le produit est soumis à des chocs thermiques ; les changements périodiques de la température climatique naturelle, les conditions de travail intermittentes, les changements de température de fonctionnement du système d'équipement lui-même et les changements dans le volume d'appels des équipements de communication provoquent des équipements Lorsque la consommation d'énergie fluctue, le produit est soumis à un stress de cycle de température. Le test de choc thermique peut être utilisé pour évaluer la résistance des produits électroniques aux changements brusques de température, et le test de cycle de température peut être utilisé pour évaluer l'adaptabilité des produits électroniques à un fonctionnement à long terme dans des conditions alternées de températures élevées et basses.

2. Sollicitation mécanique

Les contraintes mécaniques subies par les produits électroniques comprennent les vibrations mécaniques, les chocs mécaniques et l'accélération constante (force centrifuge).

La contrainte de vibration mécanique fait référence à une contrainte mécanique générée par des produits électroniques effectuant un mouvement alternatif autour d'une certaine position d'équilibre sous l'action de forces environnementales externes. Les vibrations mécaniques sont classées selon la cause de leur génération en vibrations libres, vibrations forcées et vibrations auto-excitées ; selon les règles de mouvement des vibrations mécaniques, elles sont classées en vibrations sinusoïdales et vibrations aléatoires. Ces deux formes de vibrations ont des pouvoirs destructeurs différents sur les produits. Ce dernier est plus destructeur. Plus grand, la plupart des évaluations de tests de vibrations adoptent donc des tests de vibrations aléatoires. L'impact des vibrations mécaniques sur les produits électroniques comprend la déformation, la flexion, les fissures, les fractures, etc. causées par les vibrations. Les produits électroniques qui ont été soumis à des contraintes vibratoires pendant une longue période provoqueront des fissures dans les matériaux d'interface structurelle en raison de la fatigue et provoqueront une défaillance par fatigue mécanique ; si cela se produit, la résonance entraîne une rupture de fissuration sous contrainte excessive, provoquant des dommages structurels instantanés aux produits électroniques. La contrainte de vibration mécanique que supportent les produits électroniques provient des charges mécaniques de l'environnement de travail, telles que la rotation, la pulsation, l'oscillation et d'autres charges mécaniques environnementales des avions, des véhicules, des navires, des véhicules aériens et des structures mécaniques au sol, en particulier pendant le transport lorsque le produit n'est pas en état de marche. Et en tant que composants montés sur véhicule ou aéroportés, ils sont inévitablement soumis à des vibrations mécaniques pendant leur fonctionnement. L'adaptabilité des produits électroniques aux vibrations mécaniques répétitives lors de leur fonctionnement peut être évaluée par des essais de vibrations mécaniques (notamment des essais de vibrations aléatoires).

La contrainte d'impact mécanique fait référence à une contrainte mécanique provoquée par une seule interaction directe entre un produit électronique et un autre objet (ou composant) sous l'action de forces environnementales externes, entraînant un changement soudain de force, de déplacement, de vitesse ou d'accélération du produit dans un instant. Stresser. Sous l'action d'un impact mécanique, les produits peuvent libérer et transférer une énergie considérable en très peu de temps, causant de graves dommages au produit, tels qu'un dysfonctionnement des produits électroniques, une ouverture/un court-circuit instantané et une fissuration et une fracture du structure d’assemblage et d’emballage. attendez. Différent des dommages cumulatifs causés par les vibrations à long terme, les dommages causés aux produits par un impact mécanique sont une libération concentrée d'énergie. Par conséquent, l’ampleur de l’essai d’impact mécanique est importante et la durée de l’impulsion d’impact est courte. La valeur maximale des dommages au produit est la principale. La durée de l'impulsion n'est que de quelques millisecondes à des dizaines de millisecondes, et la vibration après l'impulsion principale décroît rapidement. L'ampleur de cette contrainte d'impact mécanique est déterminée par l'accélération maximale et la durée de l'impulsion d'impact. L'ampleur de l'accélération maximale reflète l'ampleur de la force d'impact appliquée au produit, tandis que l'impact de la durée de l'impulsion d'impact sur le produit est lié à la fréquence naturelle du produit. en rapport. Les contraintes d'impact mécanique subies par les produits électroniques proviennent de changements drastiques dans l'état mécanique des équipements et équipements électroniques, tels que le freinage d'urgence et l'impact de véhicules, les largages et les crashs d'avions, le lancement de tirs d'artillerie, les explosions d'énergie chimique et les explosions nucléaires, explosions de missiles, etc. Un fort impact mécanique, une force soudaine ou un mouvement soudain dû au chargement, au déchargement, au transport ou aux travaux sur site feront également que le produit résistera aux impacts mécaniques. Les tests d'impact mécanique peuvent être utilisés pour évaluer l'adaptabilité des produits électroniques (tels que les structures de circuits) aux impacts mécaniques non répétitifs pendant l'utilisation et le transport.

La contrainte d'accélération constante (force centrifuge) fait référence à une force centrifuge générée par le changement continu de la direction de mouvement du support lorsque des produits électroniques travaillent sur un support en mouvement. La force centrifuge est une force d'inertie virtuelle qui éloigne un objet en rotation du centre de rotation. La force centrifuge est de taille égale et de direction opposée à la force centripète. Une fois que la force centripète formée par la force externe nette et pointant vers le centre du cercle disparaît, l'objet en rotation ne tournera plus. Au lieu de cela, il vole dans la direction tangente de la trajectoire de rotation à ce moment-là, et le produit est endommagé à ce moment-là. La taille de la force centrifuge est liée à la masse, à la vitesse et à l'accélération (rayon de rotation) de l'objet en mouvement. Pour les composants électroniques qui ne sont pas solidement soudés, les composants s'envoleront en raison du détachement des joints de soudure sous l'action de la force centrifuge, provoquant l'envol des composants. Défaillance du produit. La force centrifuge subie par les produits électroniques provient du changement continu de l'état de fonctionnement des équipements électroniques et des équipements dans la direction du mouvement, tels que les changements de direction des véhicules en marche, des avions, des fusées et des missiles, etc., ce qui provoque des équipements électroniques et internes. composants pour résister aux forces centrifuges autres que la gravité. Son temps d'action varie de quelques secondes à quelques minutes, en prenant comme exemples les roquettes et les missiles. Une fois le changement de direction terminé, la force centrifuge disparaît et la force centrifuge agit à nouveau lorsque la direction est à nouveau modifiée, ce qui peut former une force centrifuge continue à long terme. La fermeté de la structure de soudage des produits électroniques, en particulier des composants montés en surface de grand volume, peut être évaluée par des tests d'accélération constante (tests centrifuges).

3. Stress hydrique

Le stress hydrique fait référence au stress hydrique que subissent les produits électroniques lorsqu'ils travaillent dans un environnement atmosphérique avec une certaine humidité. Les produits électroniques sont très sensibles à l'humidité. Une fois que l'humidité relative de l'environnement dépasse 30 % HR, les matériaux métalliques des produits peuvent être corrodés et les paramètres de performances électriques peuvent dériver ou dépasser les tolérances. Par exemple, dans des conditions d'humidité élevée à long terme, les performances d'isolation des matériaux isolants diminueront après avoir absorbé l'humidité, provoquant des courts-circuits ou des chocs électriques à haute tension ; pour les composants électroniques de contact, tels que les fiches, les prises, etc., lorsque l'humidité est fixée à la surface, la corrosion se produit facilement et un film d'oxyde se forme. , provoquant une augmentation de la résistance du dispositif de contact et, dans les cas graves, le circuit sera bloqué ; dans un environnement très humide, du brouillard ou de la vapeur d'eau provoqueront l'apparition d'étincelles lors du fonctionnement des contacts du relais, qui ne pourront plus fonctionner ; les puces semi-conductrices sont plus sensibles à la vapeur d'eau, et une fois que de la vapeur d'eau apparaît à la surface de la puce si elle dépasse la norme, la corrosion du câblage Al deviendra extrêmement rapide ; afin d'éviter la corrosion des composants électroniques par la vapeur d'eau, une technologie d'encapsulation ou d'emballage hermétique est utilisée pour isoler les composants de l'atmosphère extérieure et de la pollution. Le stress hydrique subi par les produits électroniques provient de la vapeur d'eau fixée à la surface des matériaux dans l'environnement de travail des équipements et équipements électroniques et de la vapeur d'eau qui pénètre dans les composants. L’ampleur du stress hydrique est liée au niveau d’humidité ambiante. Les zones côtières du sud-est de mon pays sont des zones très humides. Surtout au printemps et en été, l'humidité relative atteint un maximum de plus de 90 % HR. L'influence de l'humidité est un problème inévitable. L'adaptabilité des produits électroniques à l'utilisation ou au stockage dans des conditions d'humidité élevée peut être évaluée au moyen d'essais de chaleur humide en régime permanent et de tests de résistance à l'humidité.

4. Le stress du brouillard salin

Le stress du brouillard salin fait référence au stress du brouillard salin que subit la surface du matériau lorsque les produits électroniques fonctionnent dans un environnement de dispersion atmosphérique composé de minuscules gouttelettes contenant du sel. Les embruns salés proviennent généralement de l’environnement climatique marin et de l’environnement climatique des lacs salés intérieurs. Ses principaux composants sont le NaCl et la vapeur d'eau. La présence d'ions Na+ et Cl- est la cause fondamentale de la corrosion des matériaux métalliques. Lorsque le brouillard salin adhère à la surface d’un isolant, sa résistance de surface sera réduite. Une fois que l'isolant a absorbé la solution saline, sa résistance volumique sera réduite de 4 ordres de grandeur. Lorsque le brouillard salin adhère à la surface des pièces mécaniques en mouvement, la production de produits de corrosion augmente. Si le coefficient de frottement est trop important, les pièces mobiles peuvent même se coincer ; bien que la technologie d'encapsulation et d'emballage hermétique soit adoptée pour éviter la corrosion des puces semi-conductrices, les broches externes des appareils électroniques perdent inévitablement souvent leur fonction en raison de la corrosion par brouillard salin ; La corrosion sur le PCB peut court-circuiter le câblage adjacent. Le stress du brouillard salin que subissent les produits électroniques provient du brouillard contenant du sel dans l’environnement atmosphérique. Dans les zones côtières ou sur les navires et navires de guerre, l'atmosphère contient beaucoup de sel, ce qui a de graves conséquences sur l'emballage des composants électroniques. L'adaptabilité des boîtiers électroniques au brouillard salin peut être évaluée en accélérant la corrosion grâce à un test au brouillard salin.

5. Stress électromagnétique

Le stress électromagnétique fait référence au stress électromagnétique que subissent les produits électroniques dans le champ électromagnétique où le champ électrique et le champ magnétique changent de manière interactive. Le champ électromagnétique comprend deux aspects : le champ électrique et le champ magnétique, dont les caractéristiques sont représentées respectivement par l'intensité du champ électrique E (ou déplacement électrique D) et la densité de flux magnétique B (ou intensité du champ magnétique H). Dans le champ électromagnétique, le champ électrique et le champ magnétique sont étroitement liés. Un champ électrique variable dans le temps provoquera un champ magnétique, et un champ magnétique variable dans le temps provoquera un champ électrique. Le champ électrique et le champ magnétique s'excitent mutuellement, provoquant le mouvement du champ électromagnétique pour former des ondes électromagnétiques. Les ondes électromagnétiques peuvent s'auto-propager dans le vide ou dans la matière. Le champ électrique et le champ magnétique oscillent en phase et sont perpendiculaires l'un à l'autre. Ils se déplacent sous forme de vagues dans l’espace. Le champ électrique en mouvement, le champ magnétique et la direction de propagation sont perpendiculaires les uns aux autres. La vitesse de propagation des ondes électromagnétiques dans le vide est la vitesse de la lumière ( 3×10^8 m/s). Habituellement, les ondes électromagnétiques sur lesquelles se concentrent les interférences électromagnétiques sont les ondes radio et les micro-ondes. Plus la fréquence des ondes électromagnétiques est élevée, plus la capacité de rayonnement électromagnétique est grande. Pour les composants électroniques, les interférences électromagnétiques (EMI) du champ électromagnétique sont le principal facteur affectant la compatibilité électromagnétique (CEM) du composant. Cette source d'interférences électromagnétiques provient des interférences mutuelles entre les composants internes du composant électronique et les interférences des équipements électroniques externes. Peut avoir des effets graves sur les performances et la fonctionnalité des composants électroniques. Par exemple, si les composants magnétiques à l'intérieur du module d'alimentation DC/DC provoquent des interférences électromagnétiques avec les appareils électroniques, cela affectera directement les paramètres de tension d'ondulation de sortie ; l'impact du rayonnement radiofréquence sur les produits électroniques entrera directement dans le circuit interne à travers la coque du produit, ou sera converti en harcèlement conduit entre dans le produit. La capacité d'interférence anti-électromagnétique des composants électroniques peut être évaluée par des tests de compatibilité électromagnétique et des tests de balayage du champ électromagnétique en champ proche.