La confiabilidad de los dispositivos semiconductores se puede resumir de la siguiente manera:
- Los dispositivos semiconductores son muy sensibles a las impurezas y partículas. Por lo tanto, para fabricar estos dispositivos es necesario gestionar muchos procesos mientras se controla con precisión el nivel de impurezas y partículas. La calidad del producto terminado depende de la relación de muchas capas de cada sustancia que interactúa en el semiconductor, incluida la metalización , el material del chip ( lista de materiales semiconductores ) y el paquete.
- Los problemas de los microprocesos y las películas delgadas deben entenderse completamente en su aplicación a la metalización y la unión de cables . También es necesario analizar los fenómenos superficiales desde el aspecto de películas delgadas.
- Debido a los rápidos avances en la tecnología, muchos dispositivos nuevos se desarrollan utilizando nuevos materiales y procesos, y el tiempo del calendario de diseño es limitado debido a restricciones de ingeniería no recurrentes , además de las preocupaciones del tiempo de comercialización . En consecuencia, no es posible basar nuevos diseños en la confiabilidad de los dispositivos existentes.
- Para lograr una economía de escala , los productos semiconductores se fabrican en grandes volúmenes. Además, la reparación de productos semiconductores acabados no es práctica. Por lo tanto, la incorporación de confiabilidad en la etapa de diseño y la reducción de la variación en la etapa de producción se han vuelto esenciales.
- La confiabilidad de los dispositivos semiconductores puede depender de las condiciones de ensamblaje, uso, ambientales y de enfriamiento. Los factores de estrés que afectan la confiabilidad del dispositivo incluyen gas , polvo , contaminación, voltaje , densidad de corriente , temperatura , humedad , estrés mecánico , vibración , choque , radiación , presión e intensidad de campos eléctricos y magnéticos .
Los factores de diseño que afectan la confiabilidad de los semiconductores incluyen: reducción de voltaje , potencia y corriente ; metaestabilidad ; márgenes de tiempo lógicos ( simulación lógica ); análisis de tiempos ; reducción de la temperatura ; y control de procesos .
Métodos de mejora
La fiabilidad de los semiconductores se mantiene alta mediante varios métodos. Las salas blancas controlan las impurezas, el control de procesos controla el procesamiento y el quemado (operación a corto plazo en los extremos) y la sonda y la prueba reducen los escapes. La sonda (sonda de oblea ) prueba la matriz del semiconductor, antes del empaque, a través de micro-sondas conectadas al equipo de prueba. La prueba final prueba el dispositivo empaquetado, a menudo antes y después del quemado en busca de un conjunto de parámetros que aseguran el funcionamiento. Las debilidades de proceso y diseño se identifican mediante la aplicación de un conjunto de pruebas de estrés en la fase de calificación de los semiconductores antes de su introducción en el mercado. E. gramo. de acuerdo con las calificaciones de estrés AEC Q100 y Q101. [1] La prueba de promedio de piezas es un método estadístico para reconocer y poner en cuarentena las matrices de semiconductores que tienen una mayor probabilidad de fallas de confiabilidad. Esta técnica identifica características que están dentro de la especificación pero fuera de una distribución normal para esa población como valores atípicos en riesgo no adecuados para aplicaciones de alta confiabilidad. Las variedades de Pruebas de promedio de piezas basadas en probadores incluyen Pruebas de promedio de piezas paramétricas (P-PAT) y Pruebas de promedio de piezas geográficas (G-PAT), entre otras. La prueba de promedio de piezas en línea (I-PAT) utiliza datos de la inspección y la metrología del control del proceso de producción para realizar la función de reconocimiento de valores atípicos. [2] [3]
La medición de la resistencia de la unión se realiza en dos tipos básicos: prueba de tracción y prueba de corte. Ambos se pueden hacer de forma destructiva, que es más común, o de forma no destructiva. Las pruebas no destructivas se utilizan normalmente cuando se requiere una fiabilidad extrema, como en aplicaciones militares o aeroespaciales. [4]
Mecanismos de falla
Los mecanismos de falla de los dispositivos semiconductores electrónicos se clasifican en las siguientes categorías
- Mecanismos inducidos por interacción material.
- Mecanismos inducidos por el estrés.
- Mecanismos de falla inducidos mecánicamente.
- Mecanismos de falla inducidos por el medio ambiente.
Mecanismos inducidos por interacción material
- Puerta de transistor de efecto de campo -hundimiento de metal
- Degradación óhmica por contacto
- Degradación del canal
- Efectos de estado de superficie
- Contaminación del molde del paquete: las impurezas en los compuestos del empaque causan fallas eléctricas
Mecanismos de falla inducidos por estrés
- Electromigración : movimiento inducido eléctricamente de los materiales en el chip
- Burnout: sobrecarga localizada
- Atrapamiento de electrones calientes: debido a la sobremarcha en los circuitos de RF de potencia
- Estrés eléctrico: descarga electrostática , campos electromagnéticos altos ( HIRF ), sobretensión de enclavamiento , sobrecorriente
Mecanismos de falla inducidos mecánicamente
- Die fractura - debido a la falta de coincidencia de los coeficientes de expansión térmica
- Die-adjuntar huecos - defecto de fabricación-rastreable con barrido acústico microscopía.
- Falla de la junta de soldadura por fatiga por fluencia o grietas intermetálicas.
- Deslaminación del compuesto de moldeado / almohadilla debido a ciclos térmicos
Mecanismos de falla inducidos por el medio ambiente
- Efectos de la humedad: absorción de humedad por el paquete y el circuito.
- Efectos del hidrógeno: ruptura inducida por hidrógeno de partes del circuito (metal)
- Otros efectos de la temperatura: envejecimiento acelerado, aumento de la electro-migración con la temperatura, aumento del desgaste
Ver también
- Envejecimiento del transistor
- Analisis fallido
- Sala limpia
- Quemado
- Lista de recursos para pruebas de materiales
- Lista de métodos de análisis de materiales
Referencias
- ^ Documentos AEC
- ^ "AEC Q001" (PDF) .
- ^ "DW Price y RJ Rathert (KLA-Tencor Corp.)." Los mejores métodos conocidos para el control de defectos de confiabilidad latente en fábricas de semiconductores de 90nm - 14nm ". Decimonoveno Taller Anual de Confiabilidad en Electrónica Automotriz. Novi, Michigan. Abril de 2017" .
- ^ Sykes, Bob (junio de 2010). "¿Por qué probar los bonos?" . Revista Global SMT & Packaging.
Bibliografía
- Giulio Di Giacomo (1 de diciembre de 1996), Confiabilidad de paquetes electrónicos y dispositivos semiconductores , McGraw-Hill
- A. Christou & BA Unger (31 de diciembre de 1989), Confiabilidad de dispositivos semiconductores , Serie científica E de la OTAN
- Predicción de confiabilidad MIL-HDBK-217F de equipos electrónicos
- MIL-HDBK-251 Confiabilidad / Diseño Aplicaciones térmicas
- MIL-HDBK-H 108 Procedimientos de muestreo y tablas para pruebas de confiabilidad y vida útil (basado en distribución exponencial)
- Manual de diseño de confiabilidad electrónica MIL-HDBK-338
- MIL-HDBK-344 Detección de estrés ambiental de equipos electrónicos
- Planes y procedimientos de muestreo de tasa de falla MIL-STD-690C
- MIL-STD-721C Definición de términos para confiabilidad y mantenibilidad
- Modelado y predicción de confiabilidad MIL-STD-756B
- Métodos, planes y entornos de prueba de confiabilidad MIL-HDBK-781 para el desarrollo, la calificación y la producción de ingeniería
- Requisitos del programa de confiabilidad MIL-STD-1543B para sistemas espaciales y de misiles
- Procedimientos MIL-STD-1629A para realizar un análisis de modo de falla, efectos y criticidad
- MIL-STD-1686B Programa de control de descargas electrostáticas para la protección de piezas, ensamblajes y equipos eléctricos y electrónicos (excluidos los dispositivos explosivos iniciados eléctricamente)
- Clasificación de fallas MIL-STD-2074 para pruebas de confiabilidad
- Proceso de detección de estrés ambiental MIL-STD-2164 para equipos electrónicos
- Manual de confiabilidad de semiconductores (PDF) . Renesas Technology Corp. 31 de agosto de 2006. Archivado desde el original (PDF) el 1 de diciembre de 2006.
- Kayali, S. "Modos y mecanismos de falla básicos" (PDF) . Cite journal requiere
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( ayuda )[ se necesita cita completa ] - "Estándares y manuales de confiabilidad" . Archivado desde el original el 8 de noviembre de 2005.
- Akbari, Mohsen; Tavakoli Bina, Mohammad; Bahman, Amir Sajjad; Eskandari, Bahman; Pouresmaeil, Edris; Blaabjerg, Frede (2021). "Un modelo térmico multicapa extendido para módulos IGBT multichip considerando el envejecimiento térmico" . Acceso IEEE . 9 : 84217–84230. doi : 10.1109 / ACCESS.2021.3083063 . S2CID 235455172 .
- Akbari, M .; Bahman, AS; Reigosa, PD; Iannuzzo, F .; Bina, MT (septiembre de 2018). "Modelado térmico de módulos de potencia conectados por cable considerando interacciones no uniformes de temperatura y corriente eléctrica" . Fiabilidad de la microelectrónica . 88–90: 1135–1140. doi : 10.1016 / j.microrel.2018.07.150 .