Il ciclismo termico è un fenomeno comune in molti sistemi elettronici e meccanici e può avere un impatto significativo sull'affidabilità e sulla durata della vita dei componenti. Come fornitore di analisi del fallimento dei componenti, ho visto in prima persona come il ciclo termico può portare a varie forme di guasto del componente. In questo blog, mi immergerò nei meccanismi dietro questi fallimenti e condividerò alcune intuizioni su come rilevarli e prevenirli.
Cos'è il ciclismo termico?
Il ciclo termico si riferisce al riscaldamento e al raffreddamento ripetuti di un componente o di un sistema. Ciò può verificarsi a causa del normale funzionamento, dei cambiamenti ambientali o dell'energia ciclica. Ad esempio, in un sistema di illuminazione a LED, i LED si riscaldano quando vengono attivati e rinfrescanti quando vengono spenti. Nel tempo, queste fluttuazioni della temperatura possono causare stress sui componenti, portando a potenziali guasti.
Come il ciclo termico provoca guasto del componente
Espansione e contrazione materiale
Uno dei modi principali in cui il ciclo termico porta a fallimento dei componenti è attraverso l'espansione e la contrazione del materiale. Materiali diversi hanno coefficienti diversi di espansione termica (CTE). Quando un componente viene riscaldato, i materiali si espandono e quando si raffredda, si contraggono. Se i CTE di materiali diversi in un componente sono non corrispondenti, ciò può creare sollecitazioni interne sulle interfacce tra i materiali.
Ad esempio, in un circuito stampato (PCB), le tracce di rame e il substrato epossidico hanno CTE diverse. Durante il ciclo termico, le tracce di rame si espandono e si contraggono più del substrato epossidico. Ciò può far delegare le tracce dal substrato nel tempo, portando a circuiti aperti o connessioni intermittenti.
Cracking stanchezza
Il ciclo termico può anche causare crack di fatica nei componenti. Il cracking della fatica si verifica quando un materiale è sottoposto a cicli di sollecitazione ripetuta. Ogni ciclo di riscaldamento e raffreddamento aggiunge una piccola quantità di danni al materiale. Nel tempo, questi piccoli danni si accumulano e le crepe iniziano a formarsi.
Nei dispositivi a semiconduttore, come IGBT (transistor bipolari a gate isolati), il ciclo termico può causare crack di fatica nei giunti di saldatura che collegano il dispositivo al PCB. Queste fessure possono crescere nel tempo, portando infine a fallimenti elettrici. Puoi saperne di più suTest IGBT e semiconduttorisul nostro sito Web per rilevare tali problemi.
Formazione di composti intermetallici
Un altro meccanismo attraverso il quale il ciclo termico può portare a un guasto al componente è attraverso la formazione di composti intermetallici (IMC). Gli IMC si formano quando due o più metalli reagiscono tra loro all'interfaccia. Durante il ciclo termico, l'aumento della temperatura può accelerare la formazione di IMC.
Nei giunti di saldatura, ad esempio, la saldatura e le cuscinetti di metallo sul PCB possono reagire per formare IMC. Questi IMC sono spesso fragili e possono ridurre la resistenza meccanica del giunto di saldatura. Man mano che lo strato IMC diventa più spesso con un ciclo termico ripetuto, l'articolazione della saldatura diventa più inclini al fallimento.
Assorbimento e desorbimento dell'umidità
Il ciclo termico può anche causare assorbimento di umidità e desorbimento nei componenti. Quando un componente viene riscaldato, l'umidità al suo interno evapora e quando è raffreddata, l'umidità può condensare. Questo ripetuto ciclo di assorbimento di umidità e desorbimento può causare gonfiore e restringimento dei materiali componenti.
Nei dispositivi a semiconduttore incapsulato in plastica, l'umidità può penetrare in incapsulante di plastica e raggiungere la matrice. Durante il ciclo termico, l'umidità può causare il delaminante della plastica dalla matrice, portando a guasti elettrici.
Rilevare guasti dei componenti causati dal ciclo termico
Come fornitore di analisi del fallimento dei componenti, utilizziamo una varietà di tecniche per rilevare guasti causati dal ciclo termico. Una delle tecniche più comuni èTest NDT a raggi X.. Il test a raggi X ci consente di vedere all'interno del componente senza distruggerlo. Possiamo rilevare crepe, delaminazioni e altri difetti interni che possono essere causati dal ciclo termico.
Un'altra tecnica che utilizziamo è la microscopia. La microscopia ottica e la microscopia elettronica a scansione (SEM) possono essere utilizzate per esaminare la superficie del componente e identificare i segni di cracking della fatica, formazione di IMC e altri danni.
Eseguiamo anche test elettrici per misurare le proprietà elettriche del componente. Questo può aiutarci a rilevare circuiti aperti, cortocircuiti e altri guasti elettrici che possono essere causati dal ciclo termico.
Prevenire guasti al componente causati dal ciclo termico
Esistono diversi modi per prevenire i guasti dei componenti causati dal ciclo termico. Un approccio è selezionare materiali con CTE simili. Utilizzando materiali con CTE simili, possiamo ridurre le sollecitazioni interne create durante il ciclo termico.
Un altro approccio è quello di utilizzare le tecniche di gestione termica per ridurre le fluttuazioni della temperatura nel componente. Ciò può includere l'uso di dissipatori di calore, ventole o altri dispositivi di raffreddamento per dissipare il calore in modo più efficace.
Inoltre, i processi adeguati di progettazione e produzione possono anche aiutare a prevenire i guasti dei componenti causati dal ciclo termico. Ad esempio, l'uso di tecniche di saldatura adeguate può garantire giunti di saldatura forti e affidabili che siano meno inclini a cracking a fatica.
Conclusione
Il ciclo termico è una causa comune di guasto dei componenti in molti sistemi elettronici e meccanici. Come fornitore di analisi del fallimento dei componenti, comprendiamo i meccanismi alla base di questi guasti e abbiamo le competenze e gli strumenti per rilevarli e prevenirli. Sia che tu abbia a che fare conAnalisi del fallimento a LEDo test IGBT e semiconduttori, possiamo aiutarti a identificare la causa principale del fallimento e fornire soluzioni per impedire che accada di nuovo.
Se stai riscontrando errori di componente e sospetti che il ciclismo termico possa essere la causa, non esitare a contattarci. Siamo qui per aiutarti con le esigenze di analisi dei guasti ai componenti e garantire l'affidabilità e le prestazioni dei tuoi prodotti.
Riferimenti
- "Analisi del fallimento dei componenti elettronici" di John A. Bentley
- "Gestione termica nei sistemi elettronici" di Avram Bar-Cohen e Ali Bororhaki
- "Manuale di packaging di microelettronica" di Rao R. Tummala