Độ tin cậy hệ thống Phân tích vật lý

Chia sẻ: Sas Sas | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:29

Thêm vào BST

Báo xấu

92
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phân tích vật lý là phân tích chẩn đoán hay phân tích hỏng hóc, đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật độ tin cậy. Dạng phân tích này trả lời hầu hết các câu hỏi: tại sao, ở đâu, khi nào và ra sao (why, where, when, và how) về tuổi thọ của linh kiện.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Độ tin cậy hệ thống Phân tích vật lý

PHÂN TÍCH V T LÝ 1. M ñu Phân tích v t lý là phân tích ch n ñoán hay phân tích h ng hóc, ñóng vai trò quan tr ng trong k thu t ñ tin c y. D ng phân tích này tr l i h u h t các câu h i: t i sao, ñâu, khi nào và ra sao (why, where, when, và how) v tu i th c a linh ki n. Phân tích ch ng minh ñi m ch y u trong hi u bi t, xác ñ nh, và ng d ng thích h p tác ñ ng hi u ch nh cho nguyên nhân c t lõi c a h ng hóc. Hi u ñư c nguyên nhân c t lõi c a h ng hóc là ñi u r t quan tr ng trong môi tru ng c nh tranh ñ s n xu t ñư c s n ph m ch t lư ng cao. Chương này th o lu n các phương pháp cơ b n ñ phân tích v nguyên nhân c t lõi và gi i thi u t ng quan v k thu t phân tích dùng trong phương pháp này. 2. Y u t v t lý c a h ng hóc Xác ñ nh ñư c y u t v t lý c a h ng hóc sau m t th nghi m có ñi u khi n hay h ng hóc t i hi n trư ng là c n thi t ñ hi u bi t v s n ph m cùng gi i h n c a chúng. Tìm ñư c nguyên nhân c i ngu n là l i ñi m ñ gi m thi u các h ng hóc tương t và thi t l p ñu c ñ c tính gi i h n c a s n ph m. S th a mãn c a khách hàng thư ng ph thu c vào cách gi i quy t v n ñ và hành ñ ng phòng ng a nh m gi m thi u các khuy t t t s p t i. Khu ch tán, ăn mòn, v t phát tri n dendrit (dendritic growth), nhi m b n, nh hư ng c a y u t co-dãn, và y u t x t nh ñi n (ESD: electrostatic discharge) là các th a s ch y u khi xác ñ nh ngu n g c c a h ng hóc. Các ph n ti p sau s th o lu n các v n ñ này liên quan ñ n tình tr ng tu i th . 2.1 Khu ch tán (diffusion) Khu ch tán ñư c ñ nh nghĩa là y u t d ch chuy n (migration) c a nguyên t hay c a kh i lư ng. Nguyên t trong ch t khí và ch t l ng thư ng có tính cơ ñ ng cao. Thí d , khi m m t l nư c hoa thì hương t a ra phòng r t nhanh, h u như là t c th i. ð ng th i, các nguyên t trong ch t r n cũng cơ ñ ng, và th c s d ch chuy n t vùng này sang vùng khác. Hi n tư ng này thư ng ñư c dùng trong s n xu t thép m và quarters. Trư ng h p quarters thì l p sandwich kim lo i ñư c t o nên t h p kim ñ ng/nicken xung quanh m t lõi ñ ng. ð ng khu ch tán theo các hư ng và t o nên k t n i kim lo i. M t khía c nh x u c a khu ch tán là ch t th i Kirkendall (voiding), khi m t nguyên t trong liên k t kim lo i – kim lo i khu ch tán nhanh ñ n n i các kho ng tr ng (vacancies:(holes in the lattice) tích t và m t sau c a ñư ng khu ch tán và làm kim lo i b y u ñi. Có hai d ng khu ch tán trong kim lo i: interstitial và substitutional, hay l tr ng (vacancy). Khu ch tán qua khe (interstitial diffusion) v cơ b n là khu ch tán t các ph n t nh như hydrogen (H), carbon (C), và nitrogen (N). ðây là d ng khu ch tán nhanh nh t do các nguyên t d ch chuy n nhanh vào các khe trong m t lư i (lattices) do các nơi này thư ng r ng. M t khe (interstitial site) là không gian trong lattice v i các lattice cơ b n. Khu ch tán thay th (substitutional diffusion, hay vacancy diffusion) thư ng ch m hơn do các nguyên t di chuy n t vacancy ñ n vacancy, và quá trình khu ch tán ph i ñ i cho ñ n khi m t vacancy ñư c m trong lattice. Vacancy là ñi m khuy t hay thi u nguyên t trong lattice. S vacancies trong v t li u tăng theo nhi t ñ do giao ñ ng trong
nguyên t tăng và càng nhi u khuy t t t ñư c t o nên, nhi t ñ càng tăng thì khu ch tán càng m nh. ði u này ñư c bi u th thành phương trình sau: D = D0 e − Q / RT (1) trong ñó D = là ñ kh ch tán hay h s khu ch tán D0 = h ng s v t li u Q = năng lư ng kích ho t R = h ng s ch t khí, và T = nhi t ñ Kelvin. Khu ch tán cũng ph thu c th i gian, cho b i phương trình: Cs − C x x = erf   (2)   C s − C0  2 Dt  Trong ñó: t = th i gian Cs = di n tích b m t t p trung (concentration) Cx = ñ cô ñ ng (concentration) t i kho ng cách x, và Co= ñ cô ñ ng nguyên th y (original concentration). Hơn n a, khu ch tán còn ph thu c vào gradient, tương t như gradien khi nhi t ñi t nóng sang l nh ñ ñ t cân b ng. N u nhi t ñ torng phòng là 20°C và nhi t ñ bên ngoài là 0°C, thì nhi t t bên trong s t a ra ngoài. Khu ch tán trong ch t r n cũng tương t , và có phương trình sau: dc J = −D (3) dx trong ñó J = dòng ch y D= ñ khu ch tán , và ñ o hàm c a concentration gradient.
Hi u ng Kirkendall là s c c a khu ch tán khi kim lo i A và kim lo i B ñư c ñ t g n nhau, và kim lo i A khu ch tán vào B nhanh hơn so v i m c khu ch tán c a B vào A. Sau m t lúc thì giao di n gi a hai kim lo i s di chuy n vào trong kim lo i A. N u khu ch tán c a nguyên t c a A vào kim lo i B nhanh hơn so v i các nguyên t c a A l p ñ y các kho ng tr ng (vacancy) c a mình, hi n tư ng bài ti t (voiding) xu t hi n trong kim lo i A hay trong l p giao di n (Kirkendall voiding): J A > J B ⇒ J VA < J VB (4) JA, JB = dòng ch y c a nguyên t JV = dòng ch y các vacancies 2.2 Bi u ñ pha Gi n ñ pha là m t công c r t quan tr ng c a khoa h c v t li u khi kh o sát h th ng nhi u ph n t . ð th minh h a các pha hi n di n trong thành ph n c u t o khác nhau theo nhi t ñ v i áp su t c ñ nh (thư ng là 1 atmosphere). Các ñ th này cũng cho th y tính hòa tan và xác ñ nh m t cách ñ nh lư ng bao nhiêu pha hi n h u (Lu t Lever). Gi n ñ sau ñây cho th y m t h th ng t o nên dung d ch r n (A hòa tan trong B), và h th ng có ñi m nhi t ñ eutectic. Có hai d ng dung d ch r n: substitutional và interstitial. Thí d v dung d ch r n thay th (substitutional) là nickel (Ni) hòa tan vào ñ ng (Cu). Khi Ni t o h p kim v i Cu, thì nguyên t Ni thay th nguyên t Cu trong c u trúc lattice cơ b ns (FCC). M t dung d ch r n interstitial có các nguyên t h p ch t trong các khe (interstices). V cơ b n ñây là các nguyên t bé nh t do kích thư c
các l tr ng trong khe. Eutectic t ti ng Hy L p có nghĩa là “hòa tan t t (melts well).” Trên gi n ñ pha, khi làm l nh, ch t l ng ñư c chuy n sang hai ch t r n. T i ñi m eutectic, h p ch t có ñi m nhi t ñ ch y th p nh t. Các h p ch t cho phép h p ch t kim lo i trong kim lo i có ñi m nhi t ñ ch y th p hơn so v i hai d ng kim lo i riêng l . M t eutectic thì cũng là c u trúc phi n m ng (lamellar), trong ñó các l p k nhau t o nên các pha. Thí d , thi t b ñu c hàn v i bo m ch dùng ch t hàn noneutectic. Bo m ch này l i ñư c hàn ti p vào bo m ch khác trư c khi ñóng võ. Ch t hàn ñư c dùng cho l n hàn cu i là eutectic. ði u này cho phép ñ nóng và ñi m ch y c a ch t hàn ñ yên v linh ki n mà không c n rút chì ra kh i bo m ch ñ u tiên. T bi u ñ pha, xác ñ nh ñư c các nhi t ñ này. 2.3 Intermetallic Intermetallics là pha kim lo i-kim lo i như AuS vàAuAl. V t li u này ñư c bi t nhi u do có s hi n di n c a vàng (gold embrittlement và purple plague). ði u c n chú ý là intermetallics không ph i luôn là x u. Trong trư ng h p h Au/Al thì có ñ n có ñ n năm d ng intermetallics c a AuAl ñư c t o nên, t t c ñ u có tính ch t d n ñi n t t và ñ c ng cơ h c. ði u này ñư c minh h a trong gi n ñ pha hình 6. V n ñ này xu t hi n do t c ñ khu ch tán không cân b ng và làm xu t hi n hi u ng Kirkendall. Hi n tư ng th hai v tinh ch (refining) xu t hi n khi ch t b n azone ñư c ñ y vào ñư ng khu ch tán. Sau cùng, ñ cô ñ ng c a ch t b n gia tăng và b g y k t n i hay làm cho k t n i ñi n khó khăn hơn. S c nhi t và nhi t ñ làm gia tăng ñi u ki n c a purple plague (như ñã nói trên do y u t khu ch tác thì ph thu c nhi t ñ ). Vàng tr nên giòn, t o ra AuSn4 chính là y u t intermetallic b giòn ñi t o ra h Au/Sn t 4 wt % Au thành 43 wt % Au. AuSn4 ñươc phân b thành l p m và l p lá kim (needles) bên trong ma tr n. C u t o này thư ng xu t hi n t i các ñi m hàn n i dùng chì có m t ñ Sn cao và l p Au mõng. Trong công nghi p vi ñi n t , l p m Au bên trên thư ng ñư c dùng ñ ch ng oxid hóa hay y u t ăn mòn c a l p adhesive/diffusion barrier layer underneath (many times Ni). Vi c m Au vào trong nơi hàn ch y nhanh và n u ñ m t ñ ph n trăm thì t o ra AuSn4. N u l p m mõng hơn 40 microinches ñư c dùng ñ gi a cho ph n trăm tr ng lư ng Au th p hơn 4% (còn th p hơn n u ch dùng
m t lư ng chì hàn ít hơn). Hình.8 minh h a m t v t g y tiêu bi u do Au bi giòn trên m i hàn chì. T l Au trong chì s gây nh hư ng m nh lên lên các tính ch t cơ h c. Như trong hình 9 thì khi Au n m gi a 5% và 6% s làm gi m tính ch t cơ h c kho ng 80%. Hình 10 m t c t c a n i hàn chì có Au b giòn. Ăn mòn (Corrosion) Ăn mòn là quá trình làm gi m ch t lư ng hay pháp h ng v t li u do ph n ng v i môi trư ng. H ng năm nư c M t n kho ng 50 t ñô la ñ ch ng ăn mòn, t c u, sư n xe hơi cho ñ n các b t o nư c nóng trong gia ñình. Ăn mòn c n có b n ñi u ki n cơ b n, thi u m t trong nh ng y u t này thì không còn ăn mòn, ñó là: 1.Anode – Ch t oxid hóa h c Fe → Fe 2+ + 2e (7.5) + M → M + ne (7.6) 2.Cathode – Chemical reduction O2 + 2 H 2 O + 4e → 4OH (7.7) 3.Electrolyte – ch t l ng và các iôn t do 4. ðư ng d n ñi n Các th a s nh hư ng lên t c ñ ăn mòn là ñ c tính c a v t li u, như kích thư c c a h t (grain size), t p ch t và l c ñi n ñ ng. ði u ki n môi trư ng như m ñ , nhi t ñ và ñ nhi m iôn cũng nh hư ng l n ñ n t c ñ ăn mòn. Có tám d ng ăn mòn: Uniform – general attack Galvanic– two-metal or battery type Crevice corrosion– localized corrosion within a crevice Pitting– extremely localized attack leaving pits in the material Intergranular– localized attack at và near grain boundaries Ăn mòn ch n l c– g m d n m t ph n t ra kh i dung d ch r n Mài mòn (erosion)– gia t c ăn mòn b ng cách mài hay ñánh gi y nhám
Stress corrosion– failure due to corrosion và a tensile stress Ph n này ch kh o sát v uniform attack, galvanic corrosion, selective leaching, và stress corrosion mà thôi. Uniform attack là d ng thư ng g p nh t c a ăn mòn, trong ñó ph n ng hóa h c xu t hi n trên su t b m t di n tích phơi bày, làm kim l ai b mõng d n trư c khi h ng. Phương th c t t nh t ñ gi m thi u uniform attack là sơn hay m ñ b m t không b m ư t. Ăn mòn galvanic xu t hi n khi hai kim lo i khác nhau t o hi u ñi n th cho dòng electron di chuy n. Hi u ñi n th này càng cao thì dòng electron càng l n và t c ñ ăn mòn càng nhanh. Các vi t bào (galvanic cells) t o ra m t ma tr n kim lo i (metal’s matrix) gi a ph n k t t a t i biên c a h t và h t. N u k t t a này là anode và h t là cathode, thì v t li u t i biên c a h t s ñi vào dung d ch khi g m mòn và t o nên các v t n t bên trong và cu i cùng là t o h ng hóc.. ði n th gi a hai kim lo i ño b ng l c ñi n ñ ng cho trong b n ph n tài li u tham kh o (xem hình 11). T c ñ ăn mòn galvanic ñư c khu ch ñ i hay gia tăng do nh hư ng c a di n tích. T c ñ ăn mòn s tăng khi ghép m t an t nh v i m t cat t l n. Thí d như trư ng h p ghép ñ nh tán (rivet). Tác ñ ng ăn mòn này s xu t hi n nhanh hơn r t nhi u l n so v i
trư ng h p tán ñinh băng ñ ng lên thép t m. Có th dùng pin ganvanic (galvanic cells) ñ b o v v t li u. Phương pháp b o v cath t là phương pháp ghép thêm m t an t hay kim lo i ăn mòn (corrosive metal) vào v t li u c n b o v . Trư ng h p này thì an t s hy sinh b ng cách mòn d n và b o v v t li u c n ñư c b o v . H th ng này dùng trong thép m k m khi ñó k m ñư c có tính ăn mòn cao hơn ch t li u thép. Phương pháp an t t h y (hy sinh) còn ñư c dùng trong b n ch a d u chôn dư i m t ñ t và võ tàu. Selective leaching, hay ăn mòn parting, xu t hi n khi không có ph n h n h p nào ñư c tách kh i dung d ch r n. Thí d ñ ng thau và ñư c g i là tách k m (dezincification). K m thoát ra kh i t bào ñơn v và ñi vào dung d ch. Còn l i ñ ng thì r t giòn và x p do còn l i các l tr ng do thi u ch t k m. Stress corrosion xu t hi n khi có s k t h p gi a y u t ăn mòn và l c căng cơ h c nh m t o h ng hóc. Y u t ăn mòn này làm gi m l c căng cơ h c c a vât li u. N t do stress corrosion h p thành n t v t li u do ăn mòn và stress. Trư ng h p này thì stress còn ñư c t o nên t sai bi t v h s nhi t m r ng (thermal expansion) gi a các v t li u. H s nhi t m r ng s ñư c th o lu t trong ph n Stress-Strain. Thí d v stress corrosion y u t làm nh y c m (sensitization) khi hàn thép không r . Vùng b nh hư ng nhi t (heat-affected zone: HAZ) c a m i hàn (weld) t o k t t a carbua M23C6 hay ñúng hơn là carbua Cr23C6. Thép không r có tính kháng ăn mòn khi có trên 11% chrom (Cr) trong ma tr n. Cr t o nên l p oxid b o v b m t ch ng ñư c ăn mòn. Khi Cr23C6 ñư c hình thành, thì di n tích k c n (adjacent) v i carbua tr thành nghèo Cr. Vùng khi m Cr- (
S phát tri n theo hình cây (dendritic growth) là sư d ch chuy n c a v t li u theo hư ng tương t như ăn mòn cơ b n c ng v i ñi n trư ng DC. D ch chuy n (migration) c a b c (Ag) là m t trong nh ng quá trình phát tri n dendritic thư ng g p trong ñi n t . ði u này t o nên ng n m ch ng u nhi n, nhưng quan tr ng hơn, là d ch chuy n này ch th y ñư c t i ñúng ch (in- situ). Các th nghi m th m tra ñ tin c y c n ñư c th c hi n t i hi n trư ng ñ xem xét s phát tri n c a quá trình d ch chuy n l p Ag. Y u t chuy n d ch (migration) cùa b c ñòi h i: • hơi m , • ñi n trư ng DC xuyên qua hư ng d ch chuy n,
• Ag epoxy t i hư ng an t so v i ph n cat t, và • nhi m b n (contamination). Cũng c n chú ý là vi c d ch chuy n c a Ag ñư c quan sát khi không có ñi n trư ng m c cao c a F– và Cl–, măc dù ñi u này ph thu c nhi t ñ Stress-strain Quan h kéo-căng (stress-strain) là k t qu tr c ti p c a ñ c tính cơ h c v t li u. Các ñ c tính này là ñ r n (hardness), tính d o dai (toughness), và tính d u n (ductility) hay tính d v (brittleness) c a v t li u. H ng hóc cơ h c ph thu c r t nhi u vào ñ c tính v t lý. L c tác ñ ng vào v t li u cũng xác ñ nh ñư c là h ng hóc có liên quan ñ n l c căng thu n (pure tensile), ñ bi n d ng, ñ mõi, hay ñ dão (creep). M t s ñ nh nghĩa v stress-strain là: • Modun ñàn h i (elasticity: psi hay MPa) – stress-strain trong vùng ñàn h i (ñ d c c a ñư ng cong stress-strain) • Tensile strength or UTS (psi or MPa) – ph n stress l n nh t trên ñư ng cong stress- strain. • L c ñàn h i (yield strength (psi or MPa) –0.2% l c stress hay ñ co plastic. • ð mõi (fatigue) hay gi i h n ch u stress c n thi t t o h ng hóc cho v t li u dư i m t s chu kỳ t i và không t i (loading và unloading). • Nhão (creep): bi n d ng theo th i gian c a plastic dư i l c stress không ñ i • Tính do dai (toughness) k t h p gi a tính r n (hardness) và tính d u n (ductility) (ph n di n tích n m dư i ñư ng cong stress- strain) Các ñ c tính thông thư ng c a v t li u có th tham kh o t nhi u tài li u. Chú ý là ñ c tính như modun ñàn h i, UTS, và d li u v ñ dão (creep data) thay ñ i theo nhi t ñ , t c ñ căng (strain rate), t i, và biên ñ các chu kỳ (amplitude of cycles). D li u t m t ngu n c n ñư c so sánh m t cách c n th n d li u t ngu n th hai. H s m r ng nhi t ñ là th a s quan tr ng khi ghép hai h th ng v t li u v i nhau trong môi trư ng th nghi m có thay ñ i nhi t ñ . V t li u s dãn hay co l i khi nhi t ñ thay ñ i. Trong trư ng h p này, l c stress ñư c t o nên do sai bi t trong CTE:
σ = E (∂ 1 − ∂ 2 )∆T (7.11) Trong ñó: σ = l c stress; ∂1 = h s m r ng nhi t c a v t li u 1, ∂2 = h s m r ng nhi t c a v t li u 2, và E= biên ñ (modulus) ñàn h i (elasticity).
ð mõi nhi t (thermal fatigue) là nhi u chu kỳ nhi t ñư c ñưa vào gây nh hư ng x u lên v t li u và gây h ng hóc. S c nhi t (thermal shock) là m t chu kỳ nhi t gây nên h ng hóc. D li u CTE có th tìm t s tay c a ASM. N t popcorn (b p rang ) là hi n tư ng h n h p y u t h p th m (moisture absorption) và y u t m r ng nhi t ñ nh m t o ra l c căng bi n d ng t i b m t võ IC plastic IC. m th p ñi t plastic vào b m t c a chân ra vi m ch. Trong quá trình hàn, thì xu t hi n b c hơi nư c, t o nên áp su t bên trong (internal pressure) và t o phân l p (delamination). Các v t khuy t xu t hi n, t o r n n t trong l p plastic vùng t p trung l c stress. M t nh hư ng khác xu t hi n là pulled bond wires và cracked die. X tĩnh ñi n (ESD: Electrostatic Discharge) ESD là quá trình truy n nhanh electron t m t ñi n th này sang m t ñi n th khác. ði u này t o h ng hóc n ng và h ng hóc do khuy t t t ti m tàng c a s n ph m. Khuy t t t ti m tàng không th y ñư c trong th nghi m cu i cùng c a s n ph m nhưng t o ra tình tr ng rã r i (aweakened state). S n ph m khi s d ng, b h ng trong ñi u ki n v n hành chưa ñ t i hay tu i th kém so v i thi t k . ESD ñã ñư c xem là nguyên nhân c a nhi u h ng hóc t i h u h t các công ty vi ñi n t . Ch ñ h ng hóc sau khi b ESD bao g m bi n d ng c a ñi n môi (dielectrics) như c ng (gate oxides), cách ñi n, và các nút n i ñi n môi (nodes bridging dielectrics). Các m i n i thư ng g p metal spiking.. Hi n ñã có b mô ph ng ESD giúp xác ñ nh ngư ng ch u ñ ng c a linh ki n và là công c b sung cho phân tích h ng hóc. Hi n tư ng quá ñi n (EOS: electrical overstress ) là hi n tư ng linh ki n ph i ch u y u t quá dòng, nh m t o h ng hóc. Các s ki n làm c ng m t tác ñ ng ñi u khi n, sai s khi th nghi m, và system spikes. EOS có tính phá h ng cao hơn ESD và thư ng d phát hi n và ñánh giá. 3. Lưu ñ phân tích Ph n này tuân th theo lưu ñ cho th t c phân tích. 1.Xác ñ nh bài toán 2.Thu th p d li u
3. ð nh nghĩa các phân tích (Define Analysis) 4. Th c hi n k ho ch 5. Nh n d ng nguyên nhân ch y u (c t lõi) 6.Th c hi n tác ñ ng ngăn ng a 7. D n ch ng dùng cơ s d li u 8. Ban hành 3.1 Xác ñ nh bài toán – ð t câu h i ñúng ð phân tích t t thì c n ph i ñ t ra ñư c câu h i ñúng: 1. T i sao ph n t hay linh ki n không ho t ñ ng ñư c? 2. Trong môi trư ng nào thì ph n t hay linh ki n ng ng ho t ñ ng? 3. Tìm hi u v quá trình ho t ñ ng c a ph n t hay linh ki n? Các ñ m c này có ñư c th nghi m stress v i ñ y ñ các môi trư ng trư c khi xu t hi n h ng hóc chưa? Có ph i là trong môi trư ng sau cùng thì xu t hi n h ng hóc? 4. Có bao nhiêu thi t b hay ph n t không còn ho t ñ ng ñư c n a? 5. Các v t n t /h ng hóc là nguyên nhân c a h ng hóc hay là k t qu c a h ng hóc? 6. Có bao nhiêu thi t b / hay ph n t trong cùng ñi u ki n y h t nhau l i có cùng h ng hóc như nhau? 7. Các thi t b /ph n t ñư c ch t o t v t li u nào? V t li u này ñã ñúng chưa? 8. T o sao l i c n có phân tích? Các câu h i ñúng c n có nhi u ñáp án thích h p. Câu h i thích h p nh t c n ñư c h i nh m ñưa ñ n phân tích thành công.Thư ng thì, c ch ñ h ng hóc và cơ ch h ng hóc (thí d ; nguyên nhân h ng hóc) ñ u c n ñư c nh n d ng. Sau ñây là m t s thí d v khác bi t này: 1a. Các ph n t /thi t b không ho t ñ ng ñúng do có chân n i b ng n m ch. 1b. Nguyên nhân gây nên h ng hóc là s d ch chuy n c a iôn kim lo i gi a chân n i do nhi m b n (contamination), t o ng n m ch gi a các chân. 2a. Các ph n t /thi t b không ho t ñ ng ñúng do có blown trace. 2b. Nguyên nhân h ng hóc là y u t x tĩnh ñi n (electrostatic discharge ESD) khi l p ghép, tao nên trace to blow. 3a. Các ph n t /thi t b không ho t ñ ng ñúng do có v t n t trong m i hàn gi a các chân và bo m ch. 3b. Nguyên nhân h ng hóc là do pha k t lá kim (brittle) gi a thi c và vàng tin/gold (Sn/Au) t o ra khi hàn n i, không m nh b ng Sn trư c khi hàn, t o ra v t n t trên m i hàn. Phát tri n yêu c u c a bài toán: R t d b l ch ñư ng khi phát tri n phân tích h ng hóc. Nhi u câu h i ñư c ñ t ra thích ñáng hay chưa thích ñáng v i v n ñ ñang kh o sát. C n nhi u th i gian hơn, nhi u câu h i hơn ph i ñư c ñ ra trong quá trình phân tích hơn là l i ñáp c a các th t c. ðó là lý do t i sao vi c xác ñ nh bài toán c n ñư c phát tri n trư c th c hi n b t kỳ k ho ch phân tích hay tác ñ ng nào. Vi c xác ñ nh bài toán làm cho nhà phân tích bám theo sát v n ñ . Sau m i tác ñ ng, nhà phân tích c n xem l i cách xác ñ nh bài toán và xem ñáp án ñã ñi ñúng hay chưa ñúng ñư ng. T ñó, tinh ch nh l i phân tích ñ ñ nh hư ng ñúng. Quá
trình xác ñ nh bài toán c n ñư c chu n b k lư ng ñ hư ng ñ n k t qu th c t ch không chung chung. Trong tình hu ng t t nh t thì t t c các bên liên quan ñ u cùng tham gia phát tri n vi c xác ñ nh bài toán cho thi t b / ph n t . ði u này giúp ích nhi u cho ngư i phân tích nh m lo i b công vi c dư th a hay không thi t y u và ti t ki m ñư c r t nhi u th i gian quí báu. 3.2 Thu th p d li u – quá trình l ch s c a s n ph m Sau khi ñã phát tri n xong ph n xác ñ nh bài toán, bư c k ti p là tìm t t c thông tin c n thi t v thi t b / ph n t trư c khi h ng hóc. • Ph n t ñư c ch t o ñâu? • Quá trình s n xu t ñư c ti n hành trong môi trư ng nào? Trong phòng s ch, trong khu v c nh y v i tĩnh ñi n, trong khu v c có ñi u hòa nhi t ñ và m ñ không? • Các ph n t này có ñư c tr c ti p nh n t nơi s n xu t hay ñư c x lý l i trong m t nơi khác? • Các ph n t này ñư c nh n trong ñi u ki n nào? ñư c ñóng gói ra sao? có nh y c m v i tĩnh ñi n không? • Th nghi m ñ ki m ra h ng hóc khi nh n ñư c th c hi n ñâu? Có thu th p thông tin v ho t ñ ng c a ph n t sau khi xu t xư ng không? • ði u ki n môi trư ng t i khi x y ra h ng hóc ra sao (nhi t ñ , m ñ , th i gia n m trong nhi t ñ c c tr )? • Có y u t stress n i t i hay ngo i lai nào lên ph n t trong quá trình v n hành không? • Th nghi m stress ho t ñ ng t i vùng ñ c tính nào c a s n ph m? • Các th nghi m th m tra ñư c th c hi n ñâu trư c khi g i ñi? • Ch ñ h ng hóc là gì? T i sao linh ki n l i b h ng? • H ng hóc x y ra ñâu? • Bư c l p ghép cu i cùng trư c khi phát hi n h ng hóc là gì? • Có ñi u gì không ñúng chu n ho t ñ ng xu t hi n g n th i gian h ng hóc không? • Có linh ki n nào ñư c dùng trong ng d ng m i hay ñi u ki n thay th không? • H ng hóc có riêng biêt cho t ng khách hàng hay t ng ng d ng không? H ng hóc ñư c cô l p ra sao? • Trư c ñây có xu t hi n h ng hóc này không? • H ng hóc này có d ng r i l i ti p t c không? • Vi c thay th linh ki n có s a ch a ñư c h ng hóc không? • ði u ki n t i th i ñi m x y ra h ng hóc c a khách hàng, nhà cung c p, nơi s d ng ra sao? 1. Các stress v ñi n trong ñi u ki n v n hành ñư c m ch ñưa vào linh ki n 2 Các stress ñ t vào linh ki n (burn-in) 3. Stress t môi trư ng (nhi t ñ , m ñ , v trí, v.v,..) • Linh ki n ñư c b o qu n như th nào trư c khi phân tích? 1. nh hư ng c a vi c tháo linh ki n ra kh i nơi ho t ñ ng 2. ðóng gói 3. Các nh hư ng t môi trư ng • D li u có liên quan ñ n linh ki n: s hi u, mã th i gian, thông tin v lô hàng , sơ ñ m ch (linh ki n và m ch ñi n) • Có t n t i FMEA trong linh ki n hay quá trình không?
Danh m c này r t dài và càng có nhi u l i gi i thì phân tích càng chính xác. Còn m t ngu n tư li u là ñ tin c y t phòng thí nghi m c a nhà s n xu t linh ki n. Trong m t s trư ng h p, ñ tin c y t phòng thí nghi m s có cơ s d li u t phân tích quá kh v d ng h ng hóc này. 3.3 Xác ñ nh phân tích - thi t l p k ho ch phân tích h ng hóc Sau khi tr l i xong các câu h i quan tr ng, th c hi n k ho ch phân tích h ng hóc dùng th nghi m thích h p. Tùy d ng h ng hóc, có th dùng nhi u công c phân tích khác nhau. Th nghi m ng n m ch và h m ch thì c n dùng thi t b v ñ th . tr m các ñ u dò, hay SEM (Scanning Electron Microscope). H ng hóc kim lo i, như quá trình phân l p (delaminations), d ch chuy n kim lo i (metal migration), hay nhi m b n (contamination), thì c n thêm phân tích hóa h c như EDS (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy), SAM (Scanning Auger Microanalysis), hay FTIR (Fourier Transform Infrared). Ph n ti p sau th o lu n v vi c l a ch n thi t b thích h p. C n s p x p th nghi m theo c p ñ nghiêm tr ng. Th nghi m không h ng hóc c n ñư c th c hi n trư c ñ thu th p minh ch ng chưa b phá h ng. C n l p k ho ch th nghi m sao cho t ng th nghi m không t o nhi u lên th nghi m ti p theo (thí d , th c hi n th nghi m v rò rĩ trư c khi m võ ra). 3.4 Th c hi n k ho ch phân tích h ng hóc C n th c hi n hư ng d n m t cách xúc tích, phân tích h ng hóc m t cách có h th ng theo các bư c sau: • Trong k ho ch c n xác ñ nh th t c phân tích. C u trúc c a k ho ch th nghi m c n ñư c th c hi n t ng bư c ñ không phá h ng minh ch ng (thí d , phân tích SIMS lo i b v t li u trên b m t). • Ghi nh n d li u v ñi u ki n c a linh ki n trư c và sau khi th . B t bu c ph i lưu d li u cho các ph n b bi n ñ i sau khi th . C n xem tư li u g c là b ng ch ng th c và y u t nào ñư c t o ra t phân tích • Ghi nh n tư li u v t ng k t qu th nghi m, các k t qu nh t thi t ph i ñư c ghi nh n b ng b n v , ngay c khi không có k t qu . Không k t qu cũng là m t thông tin như là k t qu c n có. • Xem l i d li u thu th p ñư c t i m i bư c trong k ho ch phân tích. K ho ch phân tích ñư c thay ñ i ñ tính vào k t qu . N u d li u cho th y là k ho ch không bám theo ñư c, d ng l i và xem l i toàn k ho ch. Trong m t s trư ng h p, vi c g p g v i các nhóm có liên quan s h u ích ñ xác ñ nh bư c ti p theo. Th c hi n th nghi m có ki m soát. Trong m t s trư ng h p, d li u thu th p ñư c t phân tích không cung c p ch d n rõ ràng v nguyên nhân h ng hóc. Các th nghi m có ki m soát cung c p thêm thông tin v nguyên nhân h ng hóc. C n gi t i thi u s bi n nh m làm cho th nghi m là h u d ng. 3.5 Xác ñ nh cơ ch h ng hóc Nguyên nhân c a cơ ch h ng hóc tìm ñư c t k t qu phân tích và nghi n c u có liên quan. Tìm nguyên nhân t d li u ch không dùng nh n th c c a mình có l là cách
t t ñ tìm ñư c nguyên nhân hay s a ch a h ng hóc. M t s ñ i tác có th không s n sàng ch p nh n k t lu n là chính s n ph m hay quá trình c a h là nguyên nhân gây h ng hóc, nhưng ngư i phân tích h ng hóc thì c n trung th c khi báo cáo k t qu tìm ñư c c a mình. 3.6 Xác ñ nh tác ñ ng hi u ch nh Xác ñ nh và thi t l p hành ñ ng s a sai ñ y ñ nh m ngăn h ng hóc tái xu t hi n. ði u này ñôi khi c n có s h p tác t nhi u phía, t khâu s n xu t ñ n bán hàng. Các hành ñ ng s a ch a thư ng là: • Vi t ra hay xem xét l i th t c và tài li u nh m c i thi n quá trình và s n ph m. • Thay ñ i thi t k hay v t li u. • Lưu d li u và hu n luy n. 3.7 Tư li u/cơ s d li u Dùng tài li u và cơ s d li u t m i thông tin có ñư c trong quá trình phân tích. Như ñã nói, ñôi khi k t qu không ch a ñ ng ñư c thông tin như d li u. Phân tích h ng hóc thư ng bao g m các bư c sau: • Xác ñ nh bài toán, • T ng ph n hay quá kh c a các thành ph n , • Th t c phân tích h ng hóc, • Tìm ki m m i th nghi m và ki m tra , • K t lu n v nh n d ng ra nguyên nhân h ng hóc, và • Ghi ra tác ñ ng s a ch a ñ tránh l p l i h ng hóc Báo cáo này c n ghi ra n i dung t lúc b t ñ u cho ñ n khi k t thúc, bao g m m i v n ñ , m i d li u. Các báo cáo này c n ñư c ñưa vào cơ s d li u hay t o file cho phép truy c p nhanh khi có h ng hóc tương t xuát hi n. 4. Thí d v phân tích h ng hóc Bài toán: M t b phân áp (attenuator) b n do phân l p (delaminated) trong qua trình hàn (solder- reflow process). Thông tin này ñư c k sư xác ñ nh là do v t li u và nhi t ñ dùng trong vi c hàn reflow. Xác ñ nh bài toán: Nguyên nhân nào làm cho phân áp b n , và phương th c ngăn ng a trong tương lai? Phân tích:
Bư c ñ u phân tích là sao ch p các tài li u liên quan ñ n h ng hóc do phân l p (delaminated). Nên dùng thi t b SEM (Scanning Electron Microscopy) và EDS (Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy). Thư m c và bi u ñ pha hình 28 và 29, cho th y khi có kho ng 4% Au trong thi t/chì (Sn/Pb), thì m i hàn b các k t n i (embrittled joint) ñư c g i là goldem brittlement. K t qu t EDS cho th y có vàng (Au) trong m i n i (hình 30). Bư c k ti p trong phân tích h ng hóc là tìm m t c t c a ph n v t li u g c (còn nguyên v n), chưa có nhi t ñ reflow, dùng k thu t kim lo i h c chu n ñ xác ñ nh xem t i sao xu t hi n vàng trong m i n i. Hình 31 là m t vi ñ th SEM dùng k thu t Backscattered Electron Imaging, cho th y có AuSn4 intermetallics trong m i hàn. ð th dùng tia-X s EDS cho th y có phân b c a các ph n t qua m i n i. Ta cũng th y có s hi n di n c a Au trên toàn m i n i. ði u này cung c p ñ b ng ch ng v Au embrittlement và gi i thích ñư c nguyên nhân xu t hi n c a h n g hóc. Bư c k ti p là tìm gi i pháp phòng ng a trong tương lai. C n tham kh o k sư nơi s n xu t ñ b o ñãm ñư c tính hi n th c. Trư ng h p này cho th t ñây là v n ñ v luy n kim, v i gi i pháp duy nh t là lo i Au ra kh i m i n i. Như th , nh t thi t ph i ph i dùng Au mõng hơn ñ t l không quá 4% t i m i n i tráng thi c, và lo i Au ra kh i ph n t trong quá trình hàn. Tư li u và cơ s d li u: T t c thông tin trư c và d li u v a có ñư c c n ñươc sao ch p và chuy n thành file làm cơ s d li u cho ph n tham kh o tương l i, nh m tránh làm trùng l p thí nghi m. 5. K thu t phân tích
Danh m c mô t các k thu t phân tích thư ng dùng. 5.1 Quan sát bên ngoài b ng m t Quan sát b ng m t thư ng là nghi n c u không phá h y các ph n hay ph n t v i m t thư ng hay kính hi n vi quang h c (OM: optical light microscopy). Ngoài kh năng cung c p tư li u hình nh dùng cho các bư c phân tích, OM còn dùng ñ tìm: • Các ô nhi m b m t có kh năng t o rò ñi n. • Các v t n t, g y c a nơi hàn kín dùng ñi n môi (dielectrics) hay th y tinh • V t n t, g y trong các ñư ng hàn • N i chì b g y • Thay ñ i màu s c do cháy hay quá nhi t • Tìm ra ñúng s hi u (part numbers). 5.2 Chi u tia X Nguyên lý ho t ñ ng
Phương pháp tia X dùng phát x ñi n t có bư c sóng ng n, ñ thâm nh p cao, không pháp h y, t o ra hình nh chi ti t mà kính hi n vi quang h c không quan sát ñư c do có ph n b che khu t. Vùng ñư c chi u x nhi u (các ph n t nh , các ño n mõng). Có hai k thu t thư ng ñư c dùng là: • Phương pháp truy n th ng dùng cách phát tia ñ hi n nh lên phim, ñây là k thu t ñư c dùng nhi u và ch y u là trong y khoa. • Phương pháp dùng tia X trong th i gian th c, bao g m vi c phóng hình chi u nh c a ph n c n chi u x , gi m thi u th i gian ph i ch r a phim. K thu t này có tính m m d o, có th xoay và làm nghi n ñư c nh trên máy tính. ng d ng • Tìm m i n i b g y; • M i n i b bong • M i n i sai ch • Các ño n dây hay ng n m ch lên n n, chân n i. • Ch t th i dính v i khuôn,võ (epoxy, ch t hàn, v.v...); và • L p ñ t không ñúng linh ki n bên trong. 5.3 Máy quét dùng siêu âm ch ñ C ( C-mode scanning acoutic microscopy) C-SAM là thi t b phân tích dùng âm ph n x ñ phát hi n l h ng, v t n t, g y n i và bóc l p c a m t s lư ng l n các m u. ðây là d ng th nghi m không phá h ng bao lâu mà v t th còn n m chìm trong ph n nư c kh ion. Nguyên lý ho t ñ ng C-SAM t o trư ng quét cơ h c m t chuy n ñ i áp ñi n (piezoelectric transducer) trên m u nh m t o ra hình nh. Chùm siêu âm h i t nh các th u kính âm h c, ñư c ñưa ñ n m u th thông qua môi trư ng ghép (nư c kh ion). Xung âm ñi qua m u và t o ti ng v ng ngư c l i trên giao di n trên m u c n th . Th i gian ñi v c a xung xác ñ nh nên hình nh. ng d ng • Nh n d ng v t khuy t, n t, và ng t m ch • Nh n d ng tróc l p trong khuôn và l p bán d n; • Nh n d ng ra h ng hóc ph mà tia X chưa phát hi n ra, b sung d li u t phương pháp tia X và;
• Cho phép có ñư c hình nh t l p kim lo i dày mà tia X không xuyên quan ñư c. Ki m tra ch t lư ng – So sánh các m u t t và x u, m c ph n trăm bao ph liên k t (bonding coverage) và s toàn v n c a liên k t (bonding integrity). 5.4 Quét hi n vi ñi n t (SEM: Scanning Electron Microscopy) SEM là k thu t dùng t o hình c t l p (image topographic) hay ñ c tính vi c u trúc c a b m t thô hay ñánh bóng v i ñ phân gi i c c cao (ñ n 10 Angstroms). SEM thư ng dùng trong k thu t không phá h y (tuy có m t s m u b h ng do chùm tia ñi n t ) do không có l p ph d n ñi n. Nguyên lý ho t ñ ng Dòng ñi n qua tim ñèn t o chùm tia ñi n t sơ c p và ñi vào trong m u th . Hình nh ñư c t o nên t cách quét chùm tia sơ c p này qua ph n di n tích và hi n th ñ ng b lên trên ng tia cat t t o khu ch ñ i th c p t i ngõ ra (the spatially magnified secondary or backscattered). K t qu này cho hình nh v i vùng sáng và t i tương ng v i vùng có nhi u hay ít electron ra. Các electron th c p (SEI: secondary electrons) thoát kh i b m t c a m u x p x 300 Angstroms. Chùm tia sơ c p thâm nh p vào m u có kích thư c 1–3 µm, t o ra hình nh có ñ phân gi i cao ca topography. Hi n nay có nhi u d ng SEMs: d ng truy n th ng, phát theo trư ng (field- emission FE), và theo d ng môi tru ng. SEM truy n th ng dùm các tim b ng tungsten hay lanthanum hexaboride (LaB6), ng tia 10–7 Torr. Tùy theo tương tác c a m u th và chùm tia, gi i h n ñ phân gi i vào kho ng 50 Angstroms (10× ñ n 100,000×). ði n áp gia t c h u d ng trong t m t 2 kV ñ n 40 kV, và ñ phân gi i gi m khi ñi n áp gi m. Ưu ñi m khi dùng tim LaB6 cho hình nh rõ nét hơn và tu i th t t hơn. SEM truy n th ng c n m u th có tính d n ñi n, t nhi n hay ph i l p ph m . SEM d ng FE dùng tim tungsten có kích thư c ñư ng kín nh hơn so v i d ng SEM truy n th ng dùng ng tia có chân không cao ñ n 10–10Torr. Kh năng phân gi i thư ng r t l n hơn so v i SEM truy n th ng là vào kho ng 10 Angstroms (10×to 800,000×) ngay c v i ñi n áp gia t c th p. T m ñi n áp là t 0.1 kV ñ n 30 kV, v i ñ phân gi i t i
ưu phù h p v i ñi n áp th p. Khi dùng ñi n áp th p thì cho phép hi n hình m u th không có tính d n ñi n. SEM môi trư ng dùng c t áp su t thay ñ i nh m t o ra áp su t th p trong phòng l y m u nh m thích h p v i m u th có tính m và không d n ñi n. SEMs môi trư ng có th dùng tim ñèn là tungsten hay LaB6. Các giai ño n nóng và l nh còn ñư c dùng ñ xem xét thay ñ i v c u trúc c a v t li u. Các ch ñ hình nh SEM Ch ñ hình nh ñi n t th c p (SEI Secondary Electron Imaging) • Các ñi n t năng lư ng th p ñư c thu trên b m t nh cao áp phân c c xung quanh b dò SEI. • Có ñư c các ñi n t cao t o ñ sáng c a hình v i nhi u th p. • Thu ñư c các ñi n t t xung quanh các góc • Không cung c p nhi u thông tin v tôpô do y u t thâm nh p c a chùm tia. • Có kho ng rõ t t (good depth of field). • ð phân gi i cao. Ch ñ hình nh (BEI: Backscattered Electron Imaging) • Năng lư ng electron backscattered cao t m u, thư ng là t tương tác c a chùm tia chính. • Không c n nhi u electron ñ t o chùm tia có cư ng ñ cao ñ có nh v i nhi u t h p. • Thu ñư c electron tr c ti p t m u ñ n b dò (không c n collector). • Không thu electron xung quanh góc; tuy có thông tin v tôpô t t. • ð phân gi i th p hơn so v i SEI do electron tán x và chùm tia th c p r ng Electron Beam-Induced Current (EBIC) • Xem ñư c vi c t o l p các m i n i/c p l trong bán d n. • Dùng chùm electron làm ngu n kích thích (không c n ngu n phân c c bên ngoài). • B khu ch ñ i ñ l i l n ñươc n i v i hai linh ki n d n và ñ ng b v i tia quét CRT. • Không xu t hi n tia quét c a b d n ñi n. • Có th xem tu n t ñư c các linh ki n th ñ ng. Voltage Contrast (VC) • ði n áp phân c c ñư c c p cho linh ki n qua k t n i phòng SEM. • Thay ñ i m c ñi n áp c a linh ki n làm thay ñ i phát x ñi n t th c p, t o sai bi t v ñ tương ph n. ng d ng • Ư c lư ng v t li u và xác ñ nh ñ c tính – xác ñ nh hình thái h c b m t và ki m tra b ng m t; • Phân tích v t n t b m t (fractography); • Xác ñ nh ñ c tính vi c u trúc c a kim lo i, ceramics, và m u ñ a ch t;