Los componentes electrónicos tienen una amplia gama de modos de falla . Estos se pueden clasificar de varias formas, como por tiempo o 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 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 tasas de falla de la curva de bañera . Los procedimientos de quemado se utilizan para detectar fallas tempranas. En los dispositivos semiconductores, las estructuras parásitas , irrelevantes para el funcionamiento normal, adquieren importancia en el contexto de fallos; pueden ser tanto una fuente como una protección contra el fracaso.
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 determinado de confiabilidad. Por ejemplo, la capacidad de manejo de potencia de una resistencia puede verse muy reducida cuando se aplica en aviones de gran altitud para obtener una vida útil adecuada. Una falla de apertura repentina puede causar múltiples fallas secundarias si es rápida y el circuito contiene una inductancia ; esto provoca grandes picos de voltaje, que pueden exceder 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 que incluyen derretimiento, incendio o explosiones.
La mayoría de los fallos de piezas electrónicas están relacionados con el embalaje . [ cita necesaria ] El embalaje, como barrera entre las piezas electrónicas y el medio ambiente, es muy susceptible a los factores ambientales. La expansión térmica produce tensiones mecánicas que pueden provocar fatiga del material , especialmente cuando los coeficientes de expansión térmica de los materiales son diferentes. La humedad y los productos químicos agresivos pueden provocar corrosión en los materiales del embalaje y en los cables, rompiéndolos potencialmente y dañando las piezas interiores, provocando fallos eléctricos. Exceder el rango de temperatura ambiental permitido puede provocar una tensión excesiva en las uniones de los cables, lo que provocará que se aflojen las conexiones, se agrieten las matrices del semiconductor o se produzcan grietas en el embalaje. La humedad y el posterior calentamiento a altas temperaturas también pueden causar grietas, al igual que daños mecánicos o golpes.
Durante el encapsulado, los cables de unión pueden cortarse, cortocircuitarse o tocar el chip, generalmente en el borde. Los troqueles pueden agrietarse debido a una tensión mecánica excesiva o a un 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, provocando cortocircuitos. Los contaminantes iónicos como los metales alcalinos y los halógenos pueden migrar de los materiales de embalaje a las matrices de los semiconductores, provocando corrosión o deterioro de los parámetros. Los sellos de vidrio y metal comúnmente fallan formando grietas radiales que se originan en la interfaz de vidrio y se permean 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]
Pueden estar presentes varios gases en la cavidad del paquete, ya sea como impurezas atrapadas durante la fabricación, desgasificación de los materiales utilizados o reacciones químicas, como ocurre cuando el material del embalaje se sobrecalienta (los productos suelen ser iónicos y facilitan la corrosión con falla retardada). Para detectar esto, el helio suele estar en la atmósfera inerte dentro del embalaje como gas trazador para detectar fugas durante las pruebas. Se pueden formar dióxido de carbono e hidrógeno a partir de materiales orgánicos, la humedad es desgasificada por polímeros y los epóxicos curados con aminas desgasifican el amoníaco . La formación de grietas y crecimiento intermetálico en las uniones de la matriz puede provocar la formación de huecos y delaminación, lo que perjudica la transferencia de calor desde la matriz de viruta al sustrato y al disipador de calor y provoca una falla térmica. Como algunos semiconductores como el silicio y el arseniuro de galio son transparentes a los infrarrojos, la microscopía infrarroja puede comprobar la integridad de la unión de la matriz y de las estructuras debajo de la matriz. [2]
El fósforo rojo , utilizado como retardante de llama promotor de la carbonización , facilita la migración de la plata cuando está presente en el embalaje. Normalmente está recubierto con hidróxido de aluminio ; si el recubrimiento está incompleto, las partículas de fósforo se oxidan formando pentóxido de fósforo altamente higroscópico , que reacciona con la humedad formando ácido fosfórico . Se trata de un electrolito corrosivo que, en presencia de campos eléctricos, facilita la disolución y migración de la plata, provocando un cortocircuito en las clavijas de embalaje adyacentes, los conductores del marco de cables , las barras de unión, las estructuras de montaje de chips y las almohadillas de chips. El puente de plata 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 del chip en relación con el embalaje, deformando y posiblemente provocando un cortocircuito o agrietamiento de los cables de unión. [1]
Los contactos eléctricos exhiben una resistencia de contacto ubicua , cuya magnitud está gobernada por la estructura de la superficie y la composición de las capas superficiales. [4] Lo ideal es que la resistencia de contacto sea baja y estable; sin embargo, una presión de contacto débil, la vibración mecánica , la corrosión y la formación de contactos y capas de óxido pasivantes pueden alterar significativamente la resistencia de contacto , provocando calentamiento de la resistencia y fallas del circuito.
Las uniones soldadas pueden fallar de muchas maneras, como electromigración y formación de capas intermetálicas frágiles . Algunas fallas se muestran solo a temperaturas extremas en las juntas, lo que dificulta la resolución de problemas. La falta de coincidencia de expansión térmica entre el material de la placa de circuito impreso y su embalaje tensa las uniones entre la pieza y la placa; Mientras que las piezas con plomo pueden absorber la tensión al doblarse, las piezas sin plomo dependen de la soldadura para absorber las tensiones. Los ciclos térmicos pueden provocar grietas por fatiga de las uniones de soldadura, especialmente con soldaduras elásticas ; Se utilizan varios enfoques para mitigar tales incidentes. Se pueden formar partículas sueltas, como alambre de unión y rebabas de soldadura, en la cavidad del dispositivo y migrar al interior del embalaje, provocando cortocircuitos a menudo intermitentes y sensibles a los golpes. La corrosión puede causar 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] Se pueden formar bigotes de estaño en metales recubiertos de estaño, como en el interior de los embalajes; Los bigotes sueltos pueden provocar cortocircuitos intermitentes dentro del embalaje. Los cables , además de los métodos descritos anteriormente, pueden fallar por deshilacharse y sufrir daños por fuego.
Las placas de circuito impreso (PCB) son vulnerables a las influencias ambientales; por ejemplo, las pistas son propensas a la corrosión y pueden estar grabadas incorrectamente dejando cortocircuitos parciales, mientras que las vías pueden no estar suficientemente chapadas o llenas de soldadura. Las pistas pueden agrietarse bajo cargas mecánicas, lo que a menudo resulta en un funcionamiento poco confiable de la PCB. Los residuos de fundente de soldadura pueden facilitar la corrosión; los de otros materiales en los PCB pueden provocar fugas eléctricas. Los compuestos covalentes polares pueden atraer la humedad como agentes antiestáticos , formando una fina capa 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 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 ingresar a 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, normalmente al recubrir las vías, luego migra en presencia de iones, humedad y potencial eléctrico; Los daños causados por la perforación y la mala unión entre el vidrio y la resina promueven tales fallas. [6] La formación de CAF generalmente comienza con una mala unión entre vidrio y resina; una capa de humedad adsorbida proporciona un canal a través del cual migran iones y productos de corrosión. En presencia de iones cloruro, el material precipitado es atacamita ; sus propiedades semiconductoras provocan una mayor fuga de corriente, un deterioro de la rigidez dieléctrica y cortocircuitos entre pistas. 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 el tablero; 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 delaminación para separar las capas de la placa, agrietando las vías y los conductores para introducir vías para contaminantes corrosivos y migración de especies conductoras. [6]
Cada vez que se abren o cierran los contactos de un relé o contactor electromecánico, se produce 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 (romper) como de abierto a cerrado (cerrado). El arco causado durante la rotura del contacto (arco de rotura) es similar a la soldadura por arco , ya que el arco de rotura suele ser más enérgico y más destructivo. [7]
El calor y la corriente del arco eléctrico a través de los contactos crean formaciones específicas de conos y cráteres a partir de la migración del metal. Además del daño por contacto físico, también aparece una capa de carbón 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 esperanza de vida mecánica del mismo dispositivo. [8]
Muchas fallas resultan en 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 latchups se pueden observar de esta manera. [9] Si es visible, la ubicación de la falla puede presentar pistas sobre la naturaleza del estrés excesivo. Los recubrimientos de cristal líquido se pueden usar para localizar 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 del paquete se alinean y dirigen el láser hacia el chip. [3]
Ejemplos de fallas de semiconductores relacionadas con cristales semiconductores incluyen:
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 disminuye al aumentar la temperatura, la degradación de la frecuencia máxima de funcionamiento del chip en sentido contrario es un indicador de dicho fallo. Las mordeduras de ratón son regiones donde la metalización tiene un ancho reducido; Estos defectos generalmente no se muestran 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 vaciado para crear un retraso de propagación sensible a la temperatura. [9]
A veces, las tolerancias del circuito pueden dificultar el seguimiento del comportamiento errático; por ejemplo, un transistor controlador débil, una resistencia en serie más alta y la capacitancia de la puerta del transistor posterior pueden estar dentro de la tolerancia, pero pueden aumentar significativamente el retardo de propagación de la señal . Estos pueden manifestarse sólo 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] Los daños inducidos por sobretensión, como derivaciones óhmicas o una corriente de salida de transistor reducida, pueden aumentar dichos retrasos, lo que lleva a un comportamiento errático. Como los retrasos en la propagación dependen en gran medida de la tensión de alimentación, las fluctuaciones de esta última, dentro de límites de tolerancia, pueden desencadenar este comportamiento.
Los circuitos integrados de microondas monolíticos de arseniuro de galio pueden tener estas fallas: [11]
Las fallas de metalización son causas más comunes y graves de degradación del transistor FET que los procesos materiales; Los materiales amorfos no tienen límites de grano, lo que dificulta la interdifusión y la corrosión. [13] Ejemplos de tales fallas incluyen:
La mayoría de las fallas de semiconductores relacionadas con el estrés son de naturaleza electrotérmica microscópicamente; Las temperaturas elevadas localmente 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 conducen a una falla inmediata pueden manifestarse como características alteradas de corriente-voltaje de las uniones. Las fallas eléctricas por sobreesfuerzo se pueden clasificar como fallas inducidas térmicamente, relacionadas con electromigración y relacionadas con campos eléctricos; ejemplos de tales fallas incluyen:
La descarga electrostática (ESD) es una subclase de sobretensión eléctrica y puede causar fallas inmediatas en el dispositivo, cambios permanentes en los parámetros y daños latentes que causan una mayor 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 que alterna rápidamente, las uniones tensadas de la misma manera; tiene cuatro mecanismos básicos: [15]
Los modos de falla catastróficos de ESD incluyen:
Una falla paramétrica sólo cambia los parámetros del dispositivo y puede manifestarse en pruebas de estrés ; A veces, el grado de daño puede disminuir con el tiempo. Los modos de falla latente de ESD ocurren de manera retardada e incluyen:
Las fallas catastróficas requieren los voltajes de descarga más altos, son las más fáciles de probar y las que ocurren con menos frecuencia. Las fallas paramétricas ocurren en voltajes de descarga intermedios y ocurren con mayor frecuencia, siendo las fallas latentes las más comunes. Por cada fallo paramétrico, hay entre 4 y 10 fallos latentes. [16] Los circuitos VLSI modernos son más sensibles a 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 una función protectora.
El óxido de la puerta de algunos MOSFET puede dañarse con 50 voltios de potencial; la puerta se aísla de la unión y el potencial se acumula en ella, lo que provoca una tensión extrema en la delgada capa dieléctrica; El óxido estresado puede romperse y fallar inmediatamente. El óxido de la compuerta en sí no falla inmediatamente, pero puede acelerarse mediante una corriente de fuga inducida por tensión , y el daño del óxido provoca 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 finas capas de dieléctricos son vulnerables; por lo 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 elevada potencia de la descarga, superior a 5 kilovatios durante menos de un microsegundo, puede fundir y vaporizar materiales. El valor de las resistencias de película delgada puede verse alterado por una trayectoria de descarga que se forma a través de ellas o por la vaporización de parte de la película delgada; Esto puede resultar problemático en aplicaciones de precisión donde dichos valores son críticos. [17]
Los buffers de salida CMOS más nuevos que utilizan drenajes de siliciuro ligeramente dopados son más sensibles a ESD; El controlador del canal N generalmente sufre daños en la capa de óxido o en la unión del pozo n+/p. Esto es causado por la aglomeración de corriente durante el retroceso del transistor NPN parásito. [18] En las estructuras de tótem P/NMOS, el transistor NMOS es casi siempre el que está dañado. [19] La estructura de la unión influye en su sensibilidad a la ESD; Las esquinas y los defectos pueden provocar aglomeración de corriente, reduciendo el umbral de daño. Las uniones con polarización directa son menos sensibles que las con polarización inversa porque el calor Joule de las uniones con polarización directa se disipa a través de una capa más gruesa del material, en comparación con la estrecha región de agotamiento en las uniones con polarización inversa. [20]
Las resistencias pueden fallar en apertura o cortocircuito, además de que su valor cambia en condiciones ambientales y fuera de los límites de rendimiento. Ejemplos de fallas de resistencia incluyen:
Los potenciómetros y trimmers son piezas electromecánicas de tres terminales que contienen una trayectoria resistiva con un contacto limpiador ajustable. Junto con los modos de falla de las resistencias normales, el desgaste mecánico del limpiador y la capa resistiva, la corrosión, la contaminación de la superficie y las deformaciones mecánicas pueden provocar cambios intermitentes en la resistencia del limpiador de trayectoria, que son un problema con los amplificadores de audio. Muchos tipos no están perfectamente sellados, por lo que entran contaminantes y humedad en la pieza; un contaminante especialmente común es el fundente de soldadura . Pueden producirse deformaciones mecánicas (como un contacto deteriorado con la trayectoria del limpiador) debido a la deformación de la carcasa durante la soldadura o a la tensión mecánica durante el montaje. El exceso de tensión en los cables puede causar grietas en el sustrato y fallas abiertas cuando la grieta penetra el camino resistivo. [2]
Los capacitores se caracterizan por su capacitancia , resistencia parásita en serie y paralelo, voltaje de ruptura y factor de disipación ; Ambos parámetros parásitos suelen depender de la frecuencia y el 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 necesaria ] Algunos ejemplos de fallas de capacitores incluyen:
Además de los problemas enumerados anteriormente, los condensadores electrolíticos sufren estos fallos:
Los varistores de óxido metálico suelen tener una resistencia menor a medida que se calientan; Si se conecta directamente a través de un bus de energía, para protección contra picos de voltaje , un varistor con un voltaje de disparo reducido puede sufrir una fuga térmica catastrófica 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.
Los sistemas microelectromecánicos sufren varios tipos de fallos:
Para reducir los fallos, 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 una variedad de modos, que pueden ocurrir dentro de un producto. Por lo tanto, es razonable suponer que la prueba del bono debería replicar el modo o modos de interés. Sin embargo, no siempre es posible una replicación exacta. La carga de prueba debe aplicarse a alguna parte de la muestra y transferirse a través de la muestra hasta el enlace. Si esta parte de la muestra es la única opción y es más débil que el vínculo mismo, la muestra fallará antes que el vínculo. [25]