Los componentes electrónicos tienen una amplia gama de modos de falla . Estos se pueden clasificar de varias formas, como por tiempo o por causa. Las fallas pueden ser causadas por exceso de temperatura, exceso de corriente o voltaje, radiación ionizante , choque mecánico, estrés o impacto y muchas otras causas. En los dispositivos semiconductores, los problemas en el paquete del dispositivo pueden causar fallas debido a la contaminación, tensión mecánica del dispositivo o circuitos abiertos o cortocircuitos.
Las fallas ocurren con mayor frecuencia cerca del comienzo y cerca del final de la vida útil de las piezas, lo que da como resultado el gráfico de la curva de la bañera de las tasas de falla . Los procedimientos de quemado se utilizan para detectar fallas tempranas. En los dispositivos semiconductores, las estructuras parásitas , irrelevantes para el funcionamiento normal, se vuelven importantes en el contexto de fallas; pueden ser tanto una fuente como una protección contra fallas.
Las aplicaciones como los sistemas aeroespaciales, los sistemas de soporte vital, las telecomunicaciones, las señales ferroviarias y las computadoras utilizan una gran cantidad de componentes electrónicos individuales. El análisis de las propiedades estadísticas de las fallas puede brindar orientación en los diseños para establecer un nivel dado de confiabilidad. Por ejemplo, la capacidad de manejo de potencia de una resistencia puede reducirse considerablemente cuando se aplica en aeronaves de gran altitud para obtener una vida útil adecuada. Una falla repentina de apertura por falla puede causar múltiples fallas secundarias si es rápida y el circuito contiene una inductancia ; esto provoca grandes picos de voltaje, que pueden superar los 500 voltios. Por tanto, una metalización rota en un chip puede provocar daños secundarios por sobretensión. [1] La fuga térmica puede causar fallas repentinas, como derretimiento, incendio o explosiones.
Fallos de empaque
La mayoría de los fallos de las piezas electrónicas están relacionados con el embalaje . [ cita requerida ] El embalaje, como barrera entre las partes electrónicas y el medio ambiente, es muy susceptible a los factores ambientales. La expansión térmica produce tensiones mecánicas que pueden causar fatiga del material , especialmente cuando los coeficientes de expansión térmica de los materiales son diferentes. La humedad y los productos químicos agresivos pueden provocar la corrosión de los materiales de embalaje y los cables, potencialmente rompiéndolos y dañando las partes internas, provocando fallas eléctricas. Exceder el rango de temperatura ambiental permitido puede causar un sobreesfuerzo de las uniones de los cables, rompiendo las conexiones, agrietando las matrices de semiconductores o causando grietas en el empaque. La humedad y el posterior calentamiento a alta temperatura también pueden causar grietas, al igual que daños mecánicos o golpes.
Durante la encapsulación, los cables de unión se pueden cortar, cortocircuitar o tocar el chip, generalmente en el borde. Los troqueles pueden agrietarse debido a sobrecarga mecánica o choque térmico; los defectos introducidos durante el procesamiento, como el trazado, pueden convertirse en fracturas. Los marcos de plomo pueden contener exceso de material o rebabas, lo que provoca cortocircuitos. Los contaminantes iónicos como los metales alcalinos y los halógenos pueden migrar de los materiales de embalaje a las matrices de semiconductores, provocando corrosión o deterioro de los parámetros. Los sellos de vidrio-metal comúnmente fallan al formar grietas radiales que se originan en la interfaz del alfiler-vidrio y penetran hacia afuera; otras causas incluyen una capa de óxido débil en la interfaz y una mala formación de un menisco de vidrio alrededor del pasador. [2]
Varios gases pueden estar presentes en la cavidad del paquete, ya sea como impurezas atrapadas durante la fabricación, desgasificación de los materiales utilizados o reacciones químicas, como cuando el material de empaque se sobrecalienta (los productos son a menudo iónicos y facilitan la corrosión con falla retardada). Para detectar esto, el helio se encuentra a menudo en la atmósfera inerte dentro del empaque como gas trazador para detectar fugas durante las pruebas. El dióxido de carbono y el hidrógeno pueden formarse a partir de materiales orgánicos, la humedad se desgasifica con los polímeros y los epóxicos curados con amina desgastan el amoníaco . La formación de grietas y el crecimiento intermetálico en las uniones del troquel puede provocar la formación de huecos y deslaminación, lo que perjudica la transferencia de calor del troquel de viruta al sustrato y el disipador de calor y provoca una falla térmica. Como algunos semiconductores como el silicio y el arseniuro de galio son transparentes al infrarrojo, la microscopía infrarroja puede comprobar la integridad de las estructuras de unión y debajo del molde. [2]
El fósforo rojo , utilizado como retardador de llama promotor de la carbonización , facilita la migración de la plata cuando está presente en el empaque. Normalmente se recubre con hidróxido de aluminio ; si el recubrimiento es incompleto, las partículas de fósforo se oxidan al pentóxido de fósforo altamente higroscópico , que reacciona con la humedad para formar ácido fosfórico . Este es un electrolito corrosivo que, en presencia de campos eléctricos, facilita la disolución y migración de plata, cortocircuito en los pasadores de empaque adyacentes, cables del marco de plomo , barras de unión, estructuras de montaje de chip y almohadillas de chip. El puente plateado puede verse interrumpido por la expansión térmica del paquete; por tanto, la desaparición del cortocircuito cuando se calienta el chip y su reaparición después del enfriamiento es una indicación de este problema. [3] La delaminación y la expansión térmica pueden mover la matriz de viruta en relación con el embalaje, deformando y posiblemente cortocircuitando o agrietando los cables de unión. [1]
Fallos de contacto
Los contactos eléctricos exhiben una resistencia de contacto ubicua , cuya magnitud se rige por la estructura de la superficie y la composición de las capas superficiales. [4] Idealmente, la resistencia de contacto debería ser baja y estable; sin embargo, la presión de contacto débil, la vibración mecánica , la corrosión y la formación de capas y contactos de óxido pasivador pueden alterar la resistencia de contacto de manera significativa, provocando calentamiento de la resistencia y falla del circuito.
Las uniones soldadas pueden fallar de muchas maneras, como la electromigración y la formación de capas intermetálicas quebradizas . Algunas fallas se muestran solo a temperaturas extremas de las juntas, lo que dificulta la resolución de problemas. El desajuste de la expansión térmica entre el material de la placa de circuito impreso y su embalaje tensiona las uniones entre la placa y la pieza; mientras que las piezas con plomo pueden absorber la tensión al doblarlas, las piezas sin plomo dependen de la soldadura para absorber las tensiones. Los ciclos térmicos pueden provocar el agrietamiento por fatiga de las juntas de soldadura, especialmente con soldaduras elásticas ; Se utilizan varios enfoques para mitigar estos incidentes. Las partículas sueltas, como el alambre de unión y el destello de soldadura, pueden formarse en la cavidad del dispositivo y migrar dentro del empaque, causando a menudo cortos intermitentes y sensibles a los golpes. La corrosión puede causar la acumulación de óxidos y otros productos no conductores en las superficies de contacto. Cuando están cerrados, estos muestran una resistencia inaceptablemente alta; también pueden migrar y causar cortocircuitos. [2] Los bigotes de estaño se pueden formar en metales revestidos de estaño como el lado interno de los embalajes; los bigotes sueltos pueden provocar cortocircuitos intermitentes dentro del embalaje. Los cables , además de los métodos descritos anteriormente, pueden fallar por deshilachado y daño por fuego.
Fallos de la placa de circuito impreso
Las placas de circuito impreso (PCB) son vulnerables a las influencias ambientales; por ejemplo, las trazas son propensas a la corrosión y pueden grabarse de forma inadecuada dejando cortos parciales, mientras que las vías pueden estar insuficientemente chapadas o llenas de soldadura. Las trazas pueden agrietarse bajo cargas mecánicas, lo que a menudo da como resultado una operación de PCB poco confiable. Los residuos de fundente de soldadura pueden facilitar la corrosión; los de otros materiales en los PCB pueden causar fugas eléctricas. Los compuestos covalentes polares pueden atraer la humedad como agentes antiestáticos , formando una capa delgada de humedad conductora entre las trazas; Los compuestos iónicos como los cloruros tienden a facilitar la corrosión. Los iones de metales alcalinos pueden migrar a través de los envases de plástico e influir en el funcionamiento de los semiconductores. Los residuos de hidrocarburos clorados pueden hidrolizarse y liberar cloruros corrosivos; estos son problemas que ocurren después de años. Las moléculas polares pueden disipar energía de alta frecuencia, provocando pérdidas dieléctricas parásitas .
Por encima de la temperatura de transición vítrea de los PCB, la matriz de resina se ablanda y se vuelve susceptible a la difusión de contaminantes. Por ejemplo, los poliglicoles del fundente de soldadura pueden entrar en la placa y aumentar su entrada de humedad, con el correspondiente deterioro de las propiedades dieléctricas y de corrosión. [5] Los sustratos multicapa que utilizan cerámica sufren muchos de los mismos problemas.
Los filamentos anódicos conductores (CAF) pueden crecer dentro de las placas a lo largo de las fibras del material compuesto. El metal se introduce en una superficie vulnerable típicamente por el recubrimiento de las vías, luego migra en presencia de iones, humedad y potencial eléctrico; el daño de perforación y la unión deficiente de resina de vidrio promueven tales fallas. [6] La formación de CAF generalmente comienza por una unión deficiente de resina de vidrio; una capa de humedad adsorbida proporciona un canal a través del cual migran los iones y los productos de corrosión. En presencia de iones cloruro, el material precipitado es atacamita ; sus propiedades semiconductoras conducen a una mayor fuga de corriente, una rigidez dieléctrica deteriorada y cortocircuitos entre trazas. Los glicoles absorbidos de los residuos de fundente agravan el problema. La diferencia en la expansión térmica de las fibras y la matriz debilita la unión cuando se suelda la placa; las soldaduras sin plomo que requieren temperaturas de soldadura más altas aumentan la aparición de CAF. Además de esto, los CAF dependen de la humedad absorbida; por debajo de cierto umbral, no ocurren. [5] Puede ocurrir deslaminación para separar las capas del tablero, agrietando las vías y los conductores para introducir vías para contaminantes corrosivos y migración de especies conductoras. [6]
Fallos de relé
Cada vez que se abren o cierran los contactos de un relé o contactor electromecánico , existe una cierta cantidad de desgaste de los contactos . Se produce un arco eléctrico entre los puntos de contacto (electrodos) tanto durante la transición de cerrado a abierto (rotura) como de abierto a cerrado (cierre). El arco que se produce durante la ruptura del contacto (arco de ruptura) es similar a la soldadura por arco , ya que el arco de ruptura suele ser más enérgico y más destructivo. [7]
El calor y la corriente del arco eléctrico a través de los contactos crea formaciones específicas de cono y cráter a partir de la migración de metales. Además del daño por contacto físico, también aparece una capa de carbono y otras materias. Esta degradación limita drásticamente la vida operativa general de un relé o contactor a un rango de quizás 100.000 operaciones, un nivel que representa el 1% o menos que la vida útil mecánica del mismo dispositivo. [8]
Fallos de semiconductores
Muchas fallas dan como resultado la generación de electrones calientes . Estos son observables bajo un microscopio óptico, ya que generan fotones en el infrarrojo cercano detectables por una cámara CCD . Los bloqueos se pueden observar de esta manera. [9] Si es visible, la ubicación de la falla puede presentar pistas sobre la naturaleza de la sobrecarga. Los recubrimientos de cristal líquido se pueden usar para la localización de fallas: los cristales líquidos colestéricos son termocrómicos y se usan para visualizar las ubicaciones de producción de calor en los chips, mientras que los cristales líquidos nemáticos responden al voltaje y se usan para visualizar fugas de corriente a través de defectos de óxido y de carga. estados en la superficie del chip (particularmente estados lógicos). [2] El marcado láser de paquetes encapsulados en plástico puede dañar el chip si las esferas de vidrio en el empaque se alinean y dirigen el láser hacia el chip. [3]
Ejemplos de fallas de semiconductores relacionados con cristales semiconductores incluyen:
- Nucleación y crecimiento de luxaciones . Esto requiere un defecto existente en el cristal, como lo hace la radiación, y se acelera con el calor, la alta densidad de corriente y la luz emitida. Con los LED, el arseniuro de galio y el arseniuro de galio y aluminio son más susceptibles a esto que el fosfuro de arseniuro de galio y el fosfuro de indio ; el nitruro de galio y el nitruro de galio indio son insensibles a este defecto.
- Acumulación de portadores de carga atrapados en la puerta de óxido de los MOSFET . Esto introduce una polarización permanente de la puerta , que influye en el voltaje umbral del transistor; puede ser causado por inyección de portador caliente , radiación ionizante o uso nominal. Con las células EEPROM , este es el factor principal que limita el número de ciclos de borrado-escritura.
- Migración de portadores de carga desde compuertas flotantes . Esto limita la vida útil de los datos almacenados en EEPROM y estructuras flash EPROM.
- Pasivación inadecuada. La corrosión es una fuente importante de fallas tardías; los semiconductores, las interconexiones metálicas y los vidrios de pasivación son todos susceptibles. La superficie de los semiconductores sometidos a humedad tiene una capa de óxido; el hidrógeno liberado reacciona con capas más profundas del material, produciendo hidruros volátiles . [10]
Fallos de parámetros
Las vías son una fuente común de resistencia serial no deseada en los chips; las vías defectuosas muestran una resistencia inaceptablemente alta y, por lo tanto, aumentan los retrasos de propagación. A medida que su resistividad cae con el aumento de temperatura, la degradación de la frecuencia máxima de operación del chip en el otro sentido es un indicador de tal falla. Las mordeduras de ratón son regiones donde la metalización tiene un ancho reducido; Estos defectos generalmente no se manifiestan durante las pruebas eléctricas, pero presentan un riesgo importante de confiabilidad. El aumento de la densidad de corriente en la mordedura del ratón puede agravar los problemas de electromigración; se necesita un gran grado de evacuación para crear un retardo de propagación sensible a la temperatura. [9]
A veces, las tolerancias de los circuitos pueden dificultar el seguimiento de un comportamiento errático; por ejemplo, un transistor controlador débil, una resistencia en serie más alta y la capacitancia de la puerta del transistor subsiguiente pueden estar dentro de la tolerancia, pero pueden aumentar significativamente el retardo de propagación de la señal . Estos pueden manifestarse solo en condiciones ambientales específicas, altas velocidades de reloj, bajos voltajes de suministro de energía y, a veces, estados de señal de circuito específicos; pueden ocurrir variaciones significativas en un solo dado. [9] El daño inducido por sobrecarga, como las derivaciones óhmicas o una corriente de salida de transistor reducida, puede aumentar dichos retrasos y provocar un comportamiento errático. Dado que los retardos de propagación dependen en gran medida de la tensión de alimentación, las fluctuaciones de esta última ligadas a la tolerancia pueden desencadenar dicho comportamiento.
Los circuitos integrados de microondas monolíticos de arseniuro de galio pueden tener estas fallas: [11]
- Degradación de I DSS [12] por hundimiento de la compuerta e intoxicación por hidrógeno . Esta falla es la más común y más fácil de detectar, y se ve afectada por la reducción del canal activo del transistor en el hundimiento de la compuerta y el agotamiento de la densidad del donante en el canal activo por envenenamiento por hidrógeno.
- Degradación en la corriente de fuga de la puerta . Esto ocurre en pruebas de vida acelerada o altas temperaturas y se sospecha que es causado por efectos del estado de la superficie.
- Degradación de la tensión de pellizco . Este es un modo de falla común para los dispositivos de arseniuro de galio que operan a alta temperatura, y se debe principalmente a las interacciones entre semiconductores y metales y la degradación de las estructuras metálicas de la puerta, siendo el hidrógeno otra razón. Puede verse obstaculizado por una barrera metálica adecuada entre los contactos y el arseniuro de galio.
- Aumento de la resistencia de drenaje a fuente. Se observa en dispositivos de alta temperatura y es causado por interacciones metal-semiconductor, hundimiento de la puerta y degradación óhmica del contacto.
Fallos de metalización
Las fallas de metalización son causas más comunes y graves de degradación del transistor FET que los procesos de materiales; Los materiales amorfos no tienen límites de grano, lo que dificulta la interdifusión y la corrosión. [13] Ejemplos de tales fallas incluyen:
- La electromigración mueve los átomos fuera de las regiones activas, provocando dislocaciones y defectos puntuales que actúan como centros de recombinación no radiativa que producen calor. Esto puede ocurrir con puertas de aluminio en MESFET con señales de RF , lo que provoca una corriente de drenaje errática; la electromigración en este caso se llama hundimiento de la puerta . Este problema no ocurre con las puertas de oro. [13] Con estructuras que tienen aluminio sobre una barrera de metal refractario, la electromigración afecta principalmente al aluminio pero no al metal refractario, lo que hace que la resistencia de la estructura aumente de manera errática. El aluminio desplazado puede provocar cortocircuitos en las estructuras vecinas; 0.5-4% de cobre en el aluminio aumenta la resistencia a la electromigración, el cobre se acumula en los límites de los granos de aleación y aumenta la energía necesaria para desalojar los átomos de ellos. [14] Aparte de eso, el óxido de indio y estaño y la plata están sujetos a electromigración, lo que provoca una fuga de corriente y (en los LED) una recombinación no radiativa a lo largo de los bordes del chip. En todos los casos, la electromigración puede provocar cambios en las dimensiones y los parámetros de las puertas de los transistores y las uniones de los semiconductores.
- Esfuerzos mecánicos, altas corrientes y ambientes corrosivos que forman bigotes y cortocircuitos. Estos efectos pueden ocurrir tanto dentro de los empaques como en las placas de circuitos .
- Formación de nódulos de silicio. Las interconexiones de aluminio se pueden dopar con silicio hasta la saturación durante la deposición para evitar picos de aleación. Durante el ciclo térmico, los átomos de silicio pueden migrar y agruparse formando nódulos que actúan como vacíos, aumentando la resistencia local y reduciendo la vida útil del dispositivo. [2]
- Degradación óhmica por contacto entre la metalización y las capas semiconductoras. Con arseniuro de galio, se usa una capa de aleación de oro-germanio (a veces con níquel) para lograr una baja resistencia al contacto; Se forma un contacto óhmico por difusión de germanio, formando una región fina y altamente dopada bajo el metal que facilita la conexión, dejando el oro depositado sobre él. Los átomos de galio pueden migrar a través de esta capa y ser barridos por el oro de arriba, creando una zona pobre en galio rica en defectos debajo del contacto; el oro y el oxígeno luego migran de manera opuesta, lo que da como resultado una mayor resistencia del contacto óhmico y el agotamiento del nivel de dopaje efectivo. [13] La formación de compuestos intermetálicos también juega un papel en este modo de falla.
Sobrecarga eléctrica
La mayoría de las fallas de semiconductores relacionadas con el estrés son microscópicamente de naturaleza electrotérmica; Las temperaturas localmente elevadas pueden provocar un fallo inmediato al fundir o vaporizar las capas de metalización, fundir el semiconductor o cambiar las estructuras. La difusión y la electromigración tienden a acelerarse con las altas temperaturas, lo que acorta la vida útil del dispositivo; Los daños a las uniones que no provoquen una falla inmediata pueden manifestarse como características de corriente-voltaje alteradas de las uniones. Las fallas por sobrecarga eléctrica se pueden clasificar como fallas inducidas térmicamente, relacionadas con la electromigración y relacionadas con el campo eléctrico; ejemplos de tales fallas incluyen:
- Desbordamiento térmico , donde los racimos en el sustrato causan pérdida localizada de conductividad térmica , lo que lleva a daños que producen más calor; las causas más comunes son huecos causados por soldadura incompleta , efectos de electromigración y vaciamiento de Kirkendall . La distribución agrupada de la densidad de la corriente sobre la unión o los filamentos de la corriente conducen a puntos calientes localizados de acumulación de corriente , que pueden evolucionar a una fuga térmica.
- Sesgo inverso . Algunos dispositivos semiconductores se basan en uniones de diodos y son nominalmente rectificadores; sin embargo, el modo de ruptura inversa puede ser a un voltaje muy bajo, con un voltaje de polarización inversa moderado que causa una degradación inmediata y una falla enormemente acelerada. 5 V es un voltaje de polarización inversa máximo para LED típicos, y algunos tipos tienen cifras más bajas.
- Diodos Zener severamente sobrecargados en cortocircuito de polarización inversa. Un voltaje suficientemente alto provoca una ruptura por avalancha de la unión Zener; eso y una gran corriente que pasa a través del diodo causa un calentamiento localizado extremo, derritiendo la unión y la metalización y formando una aleación de silicio-aluminio que cortocircuita los terminales. Esto a veces se usa intencionalmente como un método de cableado de conexiones mediante fusibles. [14]
- Latchups (cuando el dispositivo está sujeto a un pulso de sobretensión o subtensión); una estructura parásita que actúa como un SCR activado puede causar una falla basada en sobrecorriente. En los circuitos integrados, los latchups se clasifican en internos (como los reflejos de la línea de transmisión y los rebotes de tierra ) o externos (como las señales introducidas a través de pines de E / S y rayos cósmicos ); los pestillos externos pueden activarse mediante una descarga electrostática, mientras que los pestillos internos no. Los enganches pueden activarse mediante portadores de carga inyectados en el sustrato del chip u otro enclavamiento; el estándar JEDEC78 prueba la susceptibilidad a enganches. [9]
Descarga electrostática
La descarga electrostática (ESD) es una subclase de sobrecarga eléctrica y puede causar una falla inmediata del dispositivo, cambios permanentes en los parámetros y daños latentes que aumentan la tasa de degradación. Tiene al menos uno de tres componentes, generación de calor localizada, alta densidad de corriente y alto gradiente de campo eléctrico; La presencia prolongada de corrientes de varios amperios transfiere energía a la estructura del dispositivo para causar daños. La ESD en circuitos reales provoca una onda amortiguada con polaridad rápidamente alternante, las uniones tensionadas de la misma manera; tiene cuatro mecanismos básicos: [15]
- La degradación del óxido se produce a intensidades de campo superiores a 6–10 MV / cm.
- El daño de la unión que se manifiesta como una fuga de polarización inversa aumenta hasta el punto de provocar un cortocircuito.
- Metalización y quemado de polisilicio, donde el daño se limita a interconexiones de metal y polisilicio , resistencias de película delgada y resistencias difusas.
- Inyección de carga, donde los portadores calientes generados por la descomposición de la avalancha se inyectan en la capa de óxido.
Los modos de falla catastrófica de ESD incluyen:
- Quemadura de la unión, donde se forma una ruta conductora a través de la unión y la cortocircuita
- Quemado por metalización, donde la fusión o vaporización de una parte de la interconexión de metal la interrumpe.
- Perforación de óxido, formación de un camino conductor a través de la capa aislante entre dos conductores o semiconductores; los óxidos de la puerta son más delgados y, por lo tanto, más sensibles. El transistor dañado muestra una unión de baja resistencia entre la puerta y los terminales de drenaje.
Una falla paramétrica solo cambia los parámetros del dispositivo y puede manifestarse en pruebas de esfuerzo ; a veces, el grado de daño puede disminuir con el tiempo. Los modos de falla de ESD latentes ocurren de manera retardada e incluyen:
- Daño del aislante por debilitamiento de las estructuras del aislante.
- Daño en la unión al reducir la vida útil de las portadoras minoritarias, aumentar la resistencia de polarización directa y aumentar las fugas de polarización inversa.
- Daños por metalización por debilitamiento del conductor.
Las fallas catastróficas requieren los voltajes de descarga más altos, son las más fáciles de probar y son las más raras de ocurrir. Las fallas paramétricas ocurren a voltajes de descarga intermedios y ocurren con más frecuencia, siendo las fallas latentes las más comunes. Por cada falla paramétrica, hay 4 a 10 latentes. [16] Los circuitos VLSI modernos son más sensibles a las ESD, con características más pequeñas, menor capacitancia y mayor relación voltaje-carga. La deposición de silicio de las capas conductoras las hace más conductoras, reduciendo la resistencia del balasto que tiene un papel protector.
El óxido de la compuerta de algunos MOSFET puede dañarse con 50 voltios de potencial, la compuerta aislada de la unión y el potencial acumulándose en ella, causando una tensión extrema en la delgada capa dieléctrica; El óxido estresado puede romperse y fallar inmediatamente. El óxido de la puerta en sí no falla inmediatamente, pero puede acelerarse por la corriente de fuga inducida por la tensión , el daño del óxido conduce a una falla retardada después de horas de funcionamiento prolongadas; Los condensadores en chip que utilizan dieléctricos de óxido o nitruro también son vulnerables. Las estructuras más pequeñas son más vulnerables debido a su menor capacitancia , lo que significa que la misma cantidad de portadores de carga carga el capacitor a un voltaje más alto. Todas las capas delgadas de dieléctricos son vulnerables; por tanto, las virutas fabricadas mediante procesos que emplean capas de óxido más gruesas son menos vulnerables. [14]
Las fallas inducidas por corriente son más comunes en los dispositivos de unión bipolar, donde predominan las uniones Schottky y PN. La alta potencia de la descarga, por encima de 5 kilovatios por menos de un microsegundo, puede derretir y vaporizar materiales. Los resistores de película delgada pueden tener su valor alterado por una trayectoria de descarga que se forma a través de ellos, o que parte de la película delgada se vaporiza; esto puede ser problemático en aplicaciones de precisión donde tales valores son críticos. [17]
Los búferes de salida CMOS más nuevos que utilizan drenajes de siliciuro ligeramente dopados son más sensibles a las descargas electrostáticas (ESD); el controlador de canal N generalmente sufre daños en la capa de óxido o en la unión del pozo n + / p. Esto se debe a la acumulación de corriente durante el retroceso del transistor NPN parásito. [18] En las estructuras de tótem de P / NMOS, el transistor NMOS es casi siempre el que está dañado. [19] La estructura de la unión influye en su sensibilidad a las descargas electrostáticas (ESD); las esquinas y los defectos pueden provocar un hacinamiento actual, lo que reduce el umbral de daño. Las uniones polarizadas hacia adelante son menos sensibles que las uniones polarizadas hacia atrás porque el calor Joule de las uniones polarizadas hacia adelante se disipa a través de una capa más gruesa del material, en comparación con la región de agotamiento estrecha en la unión polarizada inversa. [20]
Fallos de elementos pasivos
Resistencias
Las resistencias pueden fallar al abrirse o cortocircuitarse, junto con su valor que cambia bajo condiciones ambientales y límites de rendimiento externos. Ejemplos de fallas de resistencias incluyen:
- Defectos de fabricación que provocan problemas intermitentes. Por ejemplo, las tapas engarzadas incorrectamente en resistencias de carbono o de metal pueden aflojarse y perder contacto, y la resistencia entre la resistencia y la tapa puede cambiar los valores de la resistencia [2]
- Resistencias de montaje en superficie que se deslaminan donde se unen materiales diferentes, como entre el sustrato cerámico y la capa resistiva. [21]
- Resistencias de nicromo de película fina en circuitos integrados atacadas por el fósforo del vidrio de pasivación, corroyéndolas y aumentando su resistencia. [22]
- Resistencias SMD con metalización de plata de contactos que sufren fallas de circuito abierto en un ambiente rico en azufre , debido a la acumulación de sulfuro de plata . [6]
- Dendritas de cobre que crecen a partir del óxido de cobre (II) presente en algunos materiales (como la capa que facilita la adhesión de la metalización a un sustrato cerámico) y que forman un puente en la ranura de corte de recorte. [3]
Potenciómetros y trimmers
Los potenciómetros y recortadores son piezas electromecánicas de tres terminales que contienen una trayectoria resistiva con un contacto de limpiaparabrisas ajustable. Junto con los modos de falla de las resistencias normales, el desgaste mecánico del limpiaparabrisas y la capa resistiva, la corrosión, la contaminación de la superficie y las deformaciones mecánicas pueden provocar cambios intermitentes en la resistencia del limpiaparabrisas, que son un problema con los amplificadores de audio. Muchos tipos no están perfectamente sellados, con contaminantes y humedad ingresando a la pieza; un contaminante especialmente común es el fundente de soldadura . Pueden producirse deformaciones mecánicas (como un contacto deteriorado de la trayectoria del limpiaparabrisas) por deformación de la carcasa durante la soldadura o tensión mecánica durante el montaje. El exceso de tensión en los conductores puede causar grietas en el sustrato y fallas abiertas cuando la grieta penetra en la ruta resistiva. [2]
Condensadores
Los capacitores se caracterizan por su capacitancia , resistencia parásita en serie y en paralelo, voltaje de ruptura y factor de disipación ; Ambos parámetros parásitos a menudo dependen de la frecuencia y del voltaje. Estructuralmente, los condensadores constan de electrodos separados por un dieléctrico, cables de conexión y carcasa; el deterioro de cualquiera de estos puede causar cambios de parámetros o fallas. Las fallas en cortocircuito y las fugas debido al aumento de la resistencia parásita en paralelo son los modos de falla más comunes de los capacitores, seguidos de las fallas abiertas. [ cita requerida ] Algunos ejemplos de fallas de capacitores incluyen:
- Fallo dieléctrico debido a sobretensión o envejecimiento del dieléctrico, que ocurre cuando el voltaje de ruptura cae por debajo del voltaje de funcionamiento. Algunos tipos de condensadores se "autocuran", ya que el arco interno vaporiza partes de los electrodos alrededor del punto defectuoso. Otros forman una vía conductora a través del dieléctrico, lo que provoca un cortocircuito o una pérdida parcial de la resistencia dieléctrica. [2]
- Los materiales de los electrodos migran a través del dieléctrico, formando trayectorias conductoras. [2]
- Cables separados del condensador por un manejo brusco durante el almacenamiento, ensamblaje u operación, lo que lleva a una falla abierta. La falla puede ocurrir de manera invisible dentro del empaque y es medible. [2]
- Aumento del factor de disipación debido a la contaminación de los materiales de los condensadores, particularmente por residuos de flux y solventes. [2]
Condensadores electrolíticos
Además de los problemas enumerados anteriormente, los condensadores electrolíticos sufren estas fallas:
- Versiones de aluminio que tienen su electrolito seco para una fuga gradual, resistencia en serie equivalente y pérdida de capacitancia. La disipación de potencia por altas corrientes de ondulación y resistencias internas provocan un aumento de la temperatura interna del condensador más allá de las especificaciones, acelerando la tasa de deterioro; estos condensadores suelen fallar. [2]
- La contaminación de electrolitos (como la humedad) corroe los electrodos, lo que provoca pérdida de capacitancia y cortocircuitos. [2]
- Los electrolitos liberan un gas, aumentan la presión dentro de la carcasa del condensador y, a veces, provocan una explosión; un ejemplo es la plaga de condensadores . [ cita requerida ]
- Las versiones de tantalio están sobrecargadas eléctricamente, degradando permanentemente el dieléctrico y, a veces, provocando fallas abiertas o breves. [2] Los sitios que han fallado de esta manera generalmente son visibles como un dieléctrico descolorido o como un ánodo derretido localmente. [6]
Varistores de óxido de metal
Los varistores de óxido metálico suelen tener menor resistencia a medida que se calientan; si se conecta directamente a través de un bus de energía, para protección contra transitorios eléctricos , un varistor con un voltaje de activación reducido puede deslizarse hacia un desbordamiento térmico catastrófico y, a veces, una pequeña explosión o incendio. [23] Para evitar esto, la corriente de falla generalmente está limitada por un fusible térmico, un disyuntor u otro dispositivo limitador de corriente.
Fallos de MEMS
Los sistemas microelectromecánicos sufren varios tipos de fallas:
- Stiction que hace que las partes móviles se peguen; un impulso externo a veces restaura la funcionalidad. Los revestimientos antiadherentes, la reducción del área de contacto y una mayor conciencia mitigan el problema en los sistemas contemporáneos. [9]
- Partículas que migran en el sistema y bloquean sus movimientos. Las partículas conductoras pueden cortocircuitar circuitos como actuadores electrostáticos. El desgaste daña las superficies y libera desechos que pueden ser una fuente de contaminación por partículas.
- Fracturas que provocan pérdida de piezas mecánicas.
- La fatiga del material induce grietas en estructuras en movimiento.
- Carga dieléctrica que provoca cambios en la funcionalidad y, en algún momento, fallas en los parámetros. [24]
Recreando modos de falla
Para reducir las fallas, es de vital importancia un conocimiento preciso de la medición de la calidad de la resistencia de la unión durante el diseño del producto y su posterior fabricación. El mejor lugar para comenzar es con el modo de falla. Esto se basa en la suposición de que existe un modo de falla particular, o un rango de modos, que puede ocurrir dentro de un producto. Por lo tanto, es razonable suponer que la prueba de enlace debería replicar el modo o modos de interés. Sin embargo, la replicación exacta no siempre es posible. La carga de prueba debe aplicarse a alguna parte de la muestra y transferirse a través de la muestra a la unión. Si esta parte de la muestra es la única opción y es más débil que la unión en sí, la muestra fallará antes que la unión. [25]
Ver también
- Fiabilidad (semiconductor)
[24]
Referencias
- ^ a b STFA 2001: actas del 27º Simposio Internacional de Análisis de Pruebas y Fallos : 11-15 de noviembre de 2001, Centro de Convenciones de Santa Clara, Santa Clara, California, p. 267 ISBN 0-87170-746-2
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