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

Af Francesco Iannuzzo, Ionut Vernica og Per Thåstrup Jensen

Det 3-årige projekt ’Pålidelig produktudvikling baseret på Physics of failure’ har afdækket faktorer med indflydelse på elektroniks levetid og har afsøgt muligheden for at opstille en matematisk accelerationsmodel for fysiske fejlmekanismer.

En udfordring ved denne aktivitet er at fastlægge accelerationsmodellen og de matematiske koefficienter, der indgår i den. Aalborg Universitet (AAU) har taget nogle indledende skridt til modellering.

Stressorer og levetidsberegning

Elektronikkens levetid påvirkes af elektriske påvirkninger som store impulsstrømme i komponenter, og i værste fald medfører disse eksplosion eller afbrænding. Impulsstrømme som stressor udgør en del af den elektriske Mission Profile, som et produkt oplever i sin levetid.

AAU har i et Ph.d.-projekt arbejdet med modellering af en passiv komponent: metaloxid varistoren (en såkaldt MOV).

Karakterisering af de fysiske forhold

Når en varistor udsættes for en kortvarig overspænding (en transient), medfører det en opvarmning af 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 levetidsestimering for komponenten med kortvarige temperaturstigninger som stressor.

I praksis er modelleringen nødt til at tage højde for flere fysiske forhold. Den termiske kapacitet af fx zinkoxid er temperaturafhængig og øges med en faktor ca. 40 % over temperaturområdet 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 er nødt til at baseres på disse ulineære forhold, og at beregning af temperaturstigning må udføres ved hjælp af ulineære modeller, hvor algoritmen nedbryder beregningen i små time-steps, og hvert step kræver tabelopslag for koefficienter og opsummering af de enkelte beregningstrin.

Validering af model

Projektets videre arbejde kommer til at inkludere en validering af simuleringsmodellen, der i høj grad er baseret på empiriske data. En måde at illustrere modellen på er vist figur 1, hvor de enkelte delsteps i temperaturstigning kan vurderes med termografisk måling af overfladetemperatur og justering af modellens parametre, så der tages højde for den akkumulerede virkning af hele komponentens volumen.

Figur 1: Temperaturforløb bestående af kortvarige temperaturstigninger ved hver impuls og afkølingsproces derimellem. Bemærk at hver impuls akkumulerer energi i komponenten og fører til øget temperatur.