Ny forskning har afdækket de faktorer, der påvirker elektronikkens levetid og opstillet en model for fysiske fejlmekanismer.

Af Francesco Iannuzzo, Ionut Vernica og Per Thåstrup Jensen

Det treårige projekt "Pålidelig produktudvikling baseret på Physics of failure" har afdækket de faktorer, der påvirker elektronikkens levetid, og undersøgt muligheden for at opstille en matematisk accelerationsmodel for fysiske fejlmekanismer.

En af udfordringerne i den forbindelse er at fastlægge accelerationsmodellen og de matematiske koefficienter, der indgår i den. Aalborg Universitet (AAU) har taget de første skridt mod denne model.

Stressorer og levetidsberegning

Elektronikkens levetid påvirkes af elektriske påvirkninger, f.eks. store impulsstrømme i komponenter. I værste fald kan disse føre til eksplosion eller afbrænding. Impulsstrømme som stressorer er en del af den elektriske Mission Profile, som et produkt oplever i løbet af sin levetid.

I et ph.d.-projekt har AAU arbejdet på at modellere en passiv komponent: metaloxid-varistoren (også kaldet ”MOV").

Karakterisering af fysiske forhold

Når en varistor udsættes for en kortvarig overspænding (en transient), opvarmes komponenten. Det er oplagt at opstille en matematisk model for energiafsættelsen i komponenten og dermed beregne den forventede temperaturstigning.

Temperaturstigningen kan derefter benyttes som input til en estimering af komponentens levetid med kortvarige temperaturstigninger som stressor.

I praksis skal der tages højde for flere fysiske forhold i modelleringen. Den termiske kapacitet for f.eks. zinkoxid er temperaturafhængig og stiger med en faktor på ca. 40 % for temperaturer op til 1500 K. Den termiske ledningsevne for zinkoxid varierer endnu mere og falder med næsten en faktor 10 over samme frekvensområde.

Det betyder, at en termisk model skal baseres på disse ikke-lineære forhold, og at beregning af temperaturstigninger skal udføres ved hjælp af ikke-lineære modeller, hvor algoritmen opdeler beregningen i små tidstrin. Hvert trin kræver tabelopslag for koefficienter samt opsummering af delberegninger.

Validering af modellen

Det fremtidige arbejde med projektet vil omfatte en validering af simuleringsmodellen, som primært er baseret på empiriske data. En måde at illustrere modellen på er vist i figur 1, hvor trinvise temperaturstigninger kan evalueres ved hjælp af termografisk måling af overfladetemperatur og justering af modellens parametre.

Dermed tages der højde for den akkumulerede virkning af hele komponentens volumen.

Illustration af model
Figur 1: Temperatur i forhold til tid, der viser en hurtig temperaturstigning ved hver impuls og en afkølingsproces mellem impulserne. Bemærk, at hver impuls akkumulerer energi i komponenten, hvilket medfører en trinvis temperaturstigning.