Viden om stikpålidelighed fører til pålidelige produkter

Langt de fleste elektroniske apparater er udstyret med en eller flere typer stik. Stik er kendt for at have en ofte afgørende indflydelse på produktets pålidelighed. Som designer af elektronikprodukter gør man derfor klogt i 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.

Af Susanne Otto, senior specialist, FORCE Technology

I forbindelse med projektet ”Pålidelig produktudvikling baseret på Physics of Failure” har FORCE Technology sat sig for at finde en simpel metode til at besvare spørgsmål om stikpålidelighed 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.

Sådan udføres testen

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.

Fejlanalyse gav forklaring

Metoden er undersøgt på forskellige stiktyper, som er stillet til rådighed af danske virksomheder. 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.

Mere info

Læs mere om projektets resultater her

Vil du vide mere om produktpålidelighed, kontakt Susanne Otto, senior specialist, FORCE Technology, suo@force.dk, tlf. 43 25 10 13.

Dette er et uddrag fra en artikel der oprindeligt er bragt i Elektronik og Data nr. 1, januar 2018.