La confiabilidad de un dispositivo semiconductor es la capacidad del dispositivo para realizar la función prevista durante su vida útil en el campo.
Hay múltiples consideraciones que deben tenerse en cuenta al desarrollar dispositivos semiconductores fiables:
- Los dispositivos semiconductores son muy sensibles a las impurezas y partículas. Por tanto, para fabricar estos dispositivos es necesario gestionar muchos procesos controlando 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 comprenderse 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 de la tecnología, muchos dispositivos nuevos se desarrollan utilizando nuevos materiales y procesos, y el tiempo del calendario de diseño es limitado debido a limitaciones de ingeniería no recurrentes , además de preocupaciones sobre el tiempo de comercialización . En consecuencia, no es posible basar nuevos diseños en la fiabilidad de los dispositivos existentes.
- Para lograr economías 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 del ensamblaje, el uso, las condiciones 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 los campos magnéticos y eléctricos .
Los factores de diseño que afectan la confiabilidad de los semiconductores incluyen: voltaje , potencia y reducción de corriente ; metaestabilidad ; márgenes de sincronización lógica ( simulación lógica ); análisis de tiempos ; reducción de temperatura ; y control de procesos .
Métodos de mejora
La fiabilidad de los semiconductores se mantiene alta mediante varios métodos. Las salas limpias controlan las impurezas, el control de procesos controla el procesamiento y el quemado (operación a corto plazo en extremos) y las sondas y pruebas reducen los escapes. La sonda ( sonda de oblea ) prueba la matriz semiconductora, antes del embalaje, mediante microsondas conectadas al equipo de prueba. La prueba final prueba el dispositivo empaquetado, a menudo antes y después del funcionamiento, para determinar un conjunto de parámetros que garantizan el funcionamiento. Las debilidades de proceso y diseño se identifican mediante la aplicación de una serie de pruebas de estrés en la fase de calificación de los semiconductores antes de su introducción en el mercado. 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 las especificaciones 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 metrología e inspección de control de procesos de producción para realizar la función de reconocimiento de valores atípicos. [2] [3]
La medición de la fuerza de unión se realiza en dos tipos básicos: prueba de tracción y prueba de corte. Ambas cosas 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 confiabilidad 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 la interacción material.
- Mecanismos inducidos por el estrés.
- Mecanismos de falla inducidos mecánicamente.
- Mecanismos de falla inducidos ambientalmente.
Mecanismos inducidos por la interacción material.
- Puerta de transistor de efecto de campo -sumidero metálico
- Degradación del contacto óhmico
- Degradación del canal
- Efectos del estado superficial
- Contaminación del moldeo del paquete: las impurezas en los compuestos del embalaje causan fallas eléctricas
Mecanismos de falla inducidos por el estrés.
- Electromigración : movimiento inducido eléctricamente de los materiales en el chip.
- Burnout – estrés excesivo localizado
- Atrapamiento de electrones calientes: debido a la sobremarcha en los circuitos de RF de potencia
- Estrés eléctrico: descarga electrostática , campos electromagnéticos elevados ( HIRF ), sobretensión de bloqueo , sobrecorriente
Mecanismos de falla inducidos mecánicamente.
- Fractura del troquel : debido a una falta de coincidencia de los coeficientes de expansión térmica
- Huecos al colocar el troquel (defecto de fabricación) que se pueden detectar con microscopía acústica de barrido.
- Fallo de la unión soldada por fatiga por fluencia o grietas intermetálicas.
- Delaminación de la matriz/compuesto de moldeo debido al ciclo térmico
Mecanismos de falla inducidos ambientalmente.
- Efectos de la humedad: absorción de humedad por el paquete y el circuito.
- Efectos del hidrógeno: descomposición inducida por hidrógeno de partes del circuito (metal)
- Otros efectos de la temperatura: envejecimiento acelerado, mayor electromigración con la temperatura, mayor agotamiento
Ver también
Referencias
- ^ Documentos AEC
- ^ "AEC Q001" (PDF) .
- ^ "DW Price y RJ Rathert (KLA-Tencor Corp.). "Métodos más conocidos para el control de defectos de confiabilidad latente en fábricas de semiconductores de 90 nm a 14 nm". Decimonoveno taller anual sobre confiabilidad de la electrónica automotriz. Novi, Michigan. Abril de 2017".
- ^ Sykes, Bob (junio de 2010). "¿Por qué probar los bonos?". Revista global SMT y embalaje.
Bibliografía
- Giulio Di Giacomo (1 de diciembre de 1996), Fiabilidad de paquetes electrónicos y dispositivos semiconductores , McGraw-Hill
- A. Christou y BA Unger (31 de diciembre de 1989), Fiabilidad de dispositivos semiconductores , Serie científica E de la OTAN
- MIL-HDBK-217F Predicción de confiabilidad de equipos electrónicos
- MIL-HDBK-251 Confiabilidad/Diseño Aplicaciones térmicas
- MIL-HDBK-H 108 Procedimientos de muestreo y tablas para pruebas de vida útil y confiabilidad (basados 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 fallas MIL-STD-690C
- MIL-STD-721C Definición de términos de confiabilidad y mantenibilidad
- Modelado y predicción de confiabilidad MIL-STD-756B
- MIL-HDBK-781 Métodos, planes y entornos de prueba de confiabilidad para el desarrollo, calificación y 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 criticidad, efectos y modo de falla
- Programa de control de descarga electrostática MIL-STD-1686B para la protección de piezas, conjuntos y equipos eléctricos y electrónicos (excluidos dispositivos explosivos iniciados eléctricamente)
- Clasificación de fallas MIL-STD-2074 para pruebas de confiabilidad
- MIL-STD-2164 Proceso de detección de estrés ambiental 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) .[ se necesita cita completa ]
- "Manuales y estándares de confiabilidad". Archivado desde el original el 8 de noviembre de 2005.
- Akbari, Mohsen; Tavakoli Bina, Mohammad; Bahman, Amir Sajjad; Eskandari, Bahmán; Pouresmaeil, Edris; Blaabjerg, Frede (2021). "Un modelo térmico multicapa extendido para módulos IGBT multichip teniendo en cuenta el envejecimiento térmico". Acceso IEEE . 9 : 84217–84230. doi : 10.1109/ACCESS.2021.3083063 . S2CID 235455172.
- Akbari, M.; Bahmán, AS; Reigosa, PD; Iannuzzo, F.; Bina, MT (septiembre de 2018). "Modelado térmico de módulos de potencia conectados por cables considerando interacciones de corriente eléctrica y temperatura no uniforme". Fiabilidad de la microelectrónica . 88–90: 1135–1140. doi :10.1016/j.microrel.2018.07.150. S2CID 53529098.