Stik er kendt for at have en - ofte afgørende - indflydelse på produkters pålidelighed, og langt de fleste elektroniske apparater er udstyret med en eller flere typer stik.

Som designer af elektronikprodukter har man måske behov for at finde ud af, om stikkene er det svage punkt i designet, og om man har valgt de rette stik, der ikke reducerer produkternes pålidelighed og robusthed. Eller måske man har behov for at sikre, at den rette løsning er implementeret for at afhjælpe problemer med elektriske stik i praktisk brug. Ligesom indkøbere måske har behov for at undersøge, om det billigere stik virkelig opfylder kravene lige så godt som alternativet, så en kostbesparelse ikke koster pålidelighed.

I forbindelse med projektet ”Pålidelig produktudvikling baseret på Physics of Failure” har FORCE Technology sat sig for at finde en simpel metode til at svare på disse spørgsmål og samle praktiske erfaringer om betydningen af materialer, barrierelag, kontakttryk og konstruktionsmæssige mekaniske forhold.

Typiske fejlmekanismer relateret til stik er udløst af mekaniske, termiske eller termomekaniske påvirkninger. En anden gruppe fejlmekanismer (korrosion) udløses af fugt i kombination med aggressivt miljø. I dette projekt er der taget udgangspunkt i den første gruppe, da man her kan bygge videre på traditionel HALT (Highly Accelerated Life Testing). HALT er en effektiv metode til at accelerere fejlmekanismer relateret til temperatur og vibration. Derfor er der i forbindelse med projektet arbejdet med at målrette HALT til at finde svagheder i stik.

HALT’en gennemføres med som en klassisk termo-mekanisk HALT. Stikkene udsættes for afsøgning af temperaturgrænser, temperaturcykling med ultrahøje temperaturændringshastigheder op til 60°/min., afsøgning af vibrationsgrænser og kombination af vibration og temperaturcykling.

Under hele HALT’en er der fokus på stikkene og en særlig målings- og overvågningsmetode er taget i brug, således at ”jitter” (ultrakorte afbrydelser), der typisk er tegn på, at noget er ved at gå galt, kan detekteres.
  • For hver stiktype i produktet forbindes et passende antal stikforbindelser serielt ved at lodde en leder fra det ene stik til det næste. Det kan være nødvendigt at fjerne komponenter på printkortet for ikke at forstyrre testen. I hver ende af serieforbindelsen tilsluttes et kabel til målesystemet.
  • Målesystemet består af en signalgenerator, en kortslutningsdetektor og et logningudstyr.
  • Når den første korte afbrydelse (ned til 1 ns) detekteres, overvåges og logges den med reference til tidspunkt i HALT-testcyklussen.
  • Når den første forekomst af prel konstateres i en serieforbindelse, spores den præcise placering ved yderligere målinger i serieforbindelsen.
  • Når stiktypens svage punkt er fastlagt, kan fysikken bag fejlen i stikket analyseres i FORCE Technologys fejlanalyselaboratorium.
Da det mekaniske design har meget stor indvirkning på stikkets pålidelighed, er det vigtigt at teste stikket i den opsætning, hvor det skal bruges. Det er vigtigt, at alle printkort og komponenter er i produktet under testen. Printkort og komponenter behøver ikke være i funktion. Der kan eventuelt bruges dele, der er behæftet med produktionsfejl. Alle typer stik i et produkt testes samtidigt for at finde frem til den svageste forbindelse.

Metoden er undersøgt på forskellige stiktyper, som er stillet til rådighed af danske virksomheder. Billedet herunder viser et af stikkene med tydelige tegn på slidpulver efter HALT’en.
Et stik med tydelige tegn på slidpulver efter HALT.
Efterfølgende er der foretaget en fejlanalyse for undersøge nærmere, hvad der er sket med stikkene. Fejlanalysen bestod af optisk mikroskopi og SEM-EDS ((Scanning Electron Microscopy – Energy Dispersive Spectroscopy).

Konklusionen var, at hovedfejlmekanismen var fretting korrosion. Ud over dette havde utallige mating/unmating cykler resulteret i mekanisk slid. Fretting korrosion forekommer, når der er en relativ bevægelse mellem elektriske kontakter med overflader af uædle metaller. De små slidpartikler oxiderer, og oxidarealerne bliver større og tykkere på kontaktfladerne. Kontaktens basale funktion er at sikre elektrisk ledning, men de oxiderede partikler er generelt isolerende. Så oxidlag på kontaktfladerne fører til dårlig kontakt og fejl på produktet. Levetiden af kontakten bestemmes af antal relative bevægelser mellem kontaktfladerne og modstanden af oxidlaget.

I tilfældet med HALT kan både vibration og lokale forskelle i termisk udvidelse føre til relativ bevægelse mellem de elektriske kontaktflader. I casen blev stikkene udsat for både vibration, temperaturændringer og højtemperaturpåvirkninger hver for sig eller kombineret. Under praktisk brug, hvor stikkene ikke nødvendigvis er udsat for stress fra omgivelserne i form af temperaturændringer, er der stadig risiko for relative bevægelser mellem kontaktfladerne på grund af egenopvarmning og forskellige i termiske udvidelseskoefficienter af kontaktkomponenterne.

Billederne herunder viser mikroskopbilleder af to forskellige fingre. Den venstre uden elektrisk forbindelse og den højre med elektrisk forbindelse under HALT.
Mikroskopbilleder af to forskellige ’fingre’. Til venstre vises en ’finger’ uden elektrisk forbindelse og til højre vises en med elektrisk forbindelse under HALT test.
Billederne herover viser en såkaldt DOT-kortlægning (element mapping) af EDS-resultaterne. Billederne viser tin som grøn, kobber som turkis, nikkel som pink, oxygen som rød og zink som blå. Messingsubstratet havde 1 µm nikkelbarriere og 10 µm tin overfladeplettering.
Som det ses på billederne herover og den tilsvarende EDS DOT-kortlægning, er kobber og zink til stede, så vi konkluderer, at kontaktpunkterne er eroderet ned til messingsubstratet på grund af fretting korrosion.
Illustration af hvordan mikrobevægelser har fjernet korrosionsprodukter fra kontaktfladerne.
Oversigt over strukturen af stikkomponenterne fra testen.

Mere info

Vil du vide mere om produktpålidelighed, kontakt senior specialist Susanne Otto, tlf. 43 25 10 13.