Los componentes electrónicos tienen una amplia gama de modos de falla . Estos pueden clasificarse de varias maneras, 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 encapsulado del dispositivo pueden causar fallas debido a contaminación, estrés mecánico del dispositivo o circuitos abiertos o cortocircuitos.
Las fallas ocurren con mayor frecuencia cerca del comienzo y del final de la vida útil de las piezas, lo que da como resultado el gráfico de curva de bañera de 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 las fallas; pueden ser tanto una fuente como una protección contra las fallas.
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 los fallos puede servir de guía en los diseños para establecer un nivel determinado de fiabilidad. Por ejemplo, la capacidad de manejo de potencia de una resistencia puede verse muy reducida cuando se utiliza en aeronaves de gran altitud para obtener una vida útil adecuada.
Una falla repentina de apertura puede causar múltiples fallas secundarias si es rápida y el circuito contiene una inductancia ; esto causa grandes picos de voltaje , que pueden superar los 500 voltios. Una metalización rota en un chip puede causar daños secundarios por sobrevoltaje. [1] El descontrol térmico puede causar fallas repentinas, incluyendo fusión, incendio o explosiones.
La mayoría de los fallos de los componentes electrónicos están relacionados con el embalaje . [ cita requerida ] El embalaje, como barrera entre los componentes electrónicos 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 la corrosión de los materiales y cables del embalaje, rompiéndolos potencialmente y dañando las piezas internas, lo que provoca un fallo eléctrico. Exceder el rango de temperatura ambiental permitido puede provocar una tensión excesiva de las uniones de los cables, lo que afloja las conexiones, agrieta las matrices de semiconductores o provoca grietas en el embalaje. La humedad y el posterior calentamiento a alta temperatura también pueden provocar grietas, al igual que daños mecánicos o golpes.
Durante la encapsulación, los cables de unión pueden cortarse, provocar un cortocircuito o tocar la matriz del chip, generalmente en el borde. Las matrices pueden agrietarse debido a una sobrecarga mecánica o un choque térmico; los defectos introducidos durante el procesamiento, como el rayado, pueden convertirse en fracturas. Los marcos de los conductores pueden contener material excesivo o rebabas, lo que provoca cortocircuitos. Los contaminantes iónicos, como los metales alcalinos y los halógenos, pueden migrar desde los materiales de empaquetado a las matrices del semiconductor, lo que provoca corrosión o deterioro de los parámetros. Los sellos de vidrio y metal suelen fallar al formar grietas radiales que se originan en la interfaz entre el pasador y el vidrio y se filtran hacia afuera; otras causas incluyen una capa de óxido débil en la interfaz y una formación deficiente de un menisco de vidrio alrededor del pasador. [2]
En la cavidad del paquete pueden estar presentes diversos gases, ya sea como impurezas atrapadas durante la fabricación, desgasificación de los materiales utilizados o reacciones químicas, como ocurre cuando el material del paquete se sobrecalienta (los productos suelen ser iónicos y facilitan la corrosión con fallos retardados). Para detectar esto, el helio suele estar en la atmósfera inerte dentro del paquete 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 mediante polímeros y los epoxis curados con amina desgasifican amoníaco . La formación de grietas y el crecimiento intermetálico en las uniones de la matriz pueden provocar la formación de huecos y delaminación, lo que perjudica la transferencia de calor desde la matriz del chip al sustrato y al disipador de calor y provoca un fallo térmico. 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 las estructuras debajo de la matriz. [2]
El fósforo rojo , utilizado como retardante de llama promotor de carbonización , facilita la migración de plata cuando está presente en el empaque. Normalmente está recubierto con hidróxido de aluminio ; si el recubrimiento es incompleto, las partículas de fósforo se oxidan al altamente higroscópico pentóxido de fósforo , 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, cortocircuitando los pines del empaque adyacentes, los cables del marco de conductores , las barras de unión, las estructuras de montaje del chip y las almohadillas del chip. El puente de plata puede verse interrumpido por la expansión térmica del paquete; por lo 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 empaque, deformando y posiblemente cortocircuitando o agrietando los cables de unión. [1]
Los contactos eléctricos exhiben una resistencia de contacto ubicua , cuya magnitud está determinada 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 de óxido pasivantes y contactos pueden alterar la resistencia de contacto significativamente, lo que lleva al calentamiento de la resistencia y a la falla del circuito.
Las uniones soldadas pueden fallar de muchas maneras, como por electromigración y formación de capas intermetálicas frágiles . Algunas fallas se manifiestan solo a temperaturas extremas de unión, lo que dificulta la resolución de problemas. El desajuste de expansión térmica entre el material de la placa de circuito impreso y su envoltorio tensiona las uniones de la pieza a 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. El ciclo térmico puede provocar grietas por fatiga en las uniones soldadas, especialmente con soldaduras elásticas ; se utilizan varios enfoques para mitigar tales incidentes. Las partículas sueltas, como el alambre de unión y la rebaba de soldadura, pueden formarse en la cavidad del dispositivo y migrar dentro del envoltorio, lo que provoca cortocircuitos a menudo intermitentes y sensibles a los golpes. La corrosión puede provocar la acumulación de óxidos y otros productos no conductores en las superficies de contacto. Cuando se cierran, muestran una resistencia inaceptablemente alta; también pueden migrar y provocar cortocircuitos. [2] Se pueden formar filamentos de estaño en metales recubiertos de estaño, como el lado interno de los envoltorios; los filamentos sueltos pueden provocar cortocircuitos intermitentes dentro del envoltorio. Los cables , además de los métodos descritos anteriormente, pueden fallar por deshilachado y daños por incendio.
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 estar insuficientemente revestidas o rellenas con soldadura. Las pistas pueden agrietarse bajo cargas mecánicas, lo que a menudo da como resultado un funcionamiento poco confiable de la PCB. Los residuos de fundente de soldadura pueden facilitar la corrosión; los de otros materiales en las PCB pueden causar fugas eléctricas. Los compuestos covalentes polares pueden atraer humedad como agentes antiestáticos , formando una fina capa de humedad conductora entre las pistas; 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, causando pérdidas dieléctricas parásitas .
Por encima de la temperatura de transición vítrea de las 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 absorción 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, generalmente al enchapar las vías, y luego migra en presencia de iones, humedad y potencial eléctrico; el daño por perforación y la mala unión vidrio-resina promueven tales fallas. [6] La formación de CAF generalmente comienza por una mala unión vidrio-resina; una capa de humedad adsorbida proporciona un canal a través del cual migran los iones y los productos de corrosión. En presencia de iones de cloruro, el material precipitado es atacamita ; sus propiedades semiconductoras conducen a una mayor fuga de corriente, un deterioro de la resistencia dieléctrica 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 un cierto umbral, no ocurren. [5] Puede producirse delaminación que separe las capas de la placa, agrietando las vías y los conductores e introduciendo 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 un cierto desgaste de los contactos . Se produce un arco eléctrico entre los puntos de contacto (electrodos) tanto durante la transición de cerrado a abierto (interrupción) como de abierto a cerrado (cierre). El arco provocado durante la interrupción del contacto (arco de interrupción) es similar a la soldadura por arco , ya que el arco de interrupción suele ser más enérgico y más destructivo. [7]
El calor y la corriente del arco eléctrico a través de los contactos crean formaciones cónicas y cráteres específicos a partir de la migración del metal. Además del daño físico por contacto, también aparece una capa de carbono y otras materias. Esta degradación limita drásticamente la vida útil total de un relé o contactor a un rango de quizás 100.000 operaciones, un nivel que representa el 1% o menos de la expectativa de vida mecánica del mismo dispositivo. [8]
Muchos fallos dan lugar a la generación de electrones calientes , que se pueden observar con un microscopio óptico, ya que generan fotones de infrarrojo cercano detectables con una cámara CCD . De esta forma, se pueden observar los bloqueos . [9] Si es visible, la ubicación del fallo puede ofrecer pistas sobre la naturaleza de la sobrecarga. Los recubrimientos de cristal líquido se pueden utilizar para localizar fallos: los cristales líquidos colestéricos son termocrómicos y se utilizan para visualizar las ubicaciones de producción de calor en los chips, mientras que los cristales líquidos nemáticos responden al voltaje y se utilizan para visualizar fugas de corriente a través de defectos de óxido y de estados de carga en la superficie del chip (en particular, 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]
Algunos ejemplos de fallos de semiconductores relacionados 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 con el aumento de la temperatura, la degradación de la frecuencia operativa máxima del chip en el otro sentido es un indicador de tal falla. Las picaduras de ratón son regiones donde la metalización tiene un ancho reducido; tales 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 picaduras de ratón puede agravar los problemas de electromigración; se necesita un alto 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 compuerta del transistor posterior 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 una sola matriz. [9] El daño inducido por sobreesfuerzo, como las derivaciones óhmicas o una corriente de salida reducida del transistor, puede aumentar dichos retrasos, lo que lleva a un comportamiento errático. Como los retrasos de propagación dependen en gran medida del voltaje de suministro, las fluctuaciones limitadas por la tolerancia de este último pueden desencadenar dicho 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 de los transistores FET que los procesos de materiales; los materiales amorfos no tienen límites de grano, lo que dificulta la interdifusión y la corrosión. [13] Algunos ejemplos de tales fallas incluyen:
La mayoría de los fallos de semiconductores relacionados con el estrés son de naturaleza electrotérmica a nivel microscópico; las temperaturas localmente aumentadas 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 en las uniones que no provocan un fallo inmediato pueden manifestarse como características de corriente-voltaje alteradas de las uniones. Los fallos por sobreesfuerzo eléctrico pueden clasificarse como fallos inducidos térmicamente, relacionados con la electromigración y relacionados con el campo eléctrico; algunos ejemplos de dichos fallos son los siguientes:
La descarga electrostática (ESD) es una subclase de sobrecarga eléctrica y puede provocar fallas inmediatas del dispositivo, cambios permanentes de parámetros y daños latentes que causan un aumento en 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 causa una onda amortiguada con polaridad que alterna rápidamente, las uniones se estresan de la misma manera; tiene cuatro mecanismos básicos: [15]
Los modos de falla ESD catastróficos incluyen:
Una falla paramétrica solo modifica 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 ESD latentes ocurren de manera retardada e incluyen:
Las fallas catastróficas requieren los voltajes de descarga más altos, son las más fáciles de probar y ocurren con menos frecuencia. Las fallas paramétricas ocurren con voltajes de descarga intermedios y ocurren con mayor frecuencia, siendo las fallas latentes las más comunes. Por cada falla paramétrica, hay entre 4 y 10 fallas latentes. [16] Los circuitos VLSI modernos son más sensibles a las descargas electroestáticas, con características más pequeñas, menor capacitancia y mayor relación voltaje-carga. La deposición de silicio de las capas conductoras las hace más conductoras, lo que reduce la resistencia del balasto que tiene un papel protector.
El óxido de compuerta de algunos MOSFET puede resultar dañado por 50 voltios de potencial, ya que la compuerta está aislada de la unión y el potencial que se acumula en ella provoca una tensión extrema en la fina capa dieléctrica; el óxido estresado puede romperse y fallar inmediatamente. El óxido de compuerta en sí no falla inmediatamente, pero puede acelerarse por la corriente de fuga inducida por la 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 condensador a un voltaje más alto. Todas las capas delgadas de dieléctricos son vulnerables; por lo tanto, los chips fabricados mediante procesos que emplean capas de óxido más gruesas son menos vulnerables. [14]
Las fallas inducidas por corriente son más comunes en dispositivos de unión bipolar, donde predominan las uniones Schottky y PN. La alta potencia de la descarga, superior a 5 kilovatios durante menos de un microsegundo, puede fundir y vaporizar materiales. Las resistencias de película delgada pueden ver alterado su valor por una trayectoria de descarga que se forma a través de ellas, o por la vaporización de parte de la película delgada; esto puede ser 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 la ESD; el controlador de canal N generalmente sufre daño en la capa de óxido o en la unión de pozo n+/p. Esto es causado por el amontonamiento de corriente durante el retroceso del transistor NPN parásito. [18] En las estructuras tótem P/NMOS, el transistor NMOS es casi siempre el que se daña. [19] La estructura de la unión influye en su sensibilidad a la ESD; los vértices y los defectos pueden provocar amontonamiento de corriente, lo que reduce el umbral de daño. Las uniones polarizadas hacia adelante son menos sensibles que las 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 hacia atrás. [20]
Las resistencias pueden fallar en circuitos abiertos o en cortocircuito, además de que su valor cambia en función de las condiciones ambientales y fuera de los límites de rendimiento. Algunos ejemplos de fallas de resistencias incluyen:
Los potenciómetros y los trimmers son piezas electromecánicas de tres terminales que contienen una ruta resistiva con un contacto de contacto deslizante ajustable. Junto con los modos de falla de las resistencias normales, el desgaste mecánico del contacto deslizante y la capa resistiva, la corrosión, la contaminación de la superficie y las deformaciones mecánicas pueden provocar cambios intermitentes en la resistencia del contacto deslizante, que son un problema con los amplificadores de audio. Muchos tipos no están perfectamente sellados, por lo que los contaminantes y la humedad ingresan a la pieza; un contaminante especialmente común es el fundente de soldadura . Las deformaciones mecánicas (como un contacto de contacto deslizante deteriorado) pueden ocurrir por deformación de la carcasa durante la soldadura o estrés mecánico durante el montaje. El exceso de estrés en los cables puede causar grietas en el sustrato y falla abierta cuando la grieta penetra la ruta resistiva. [2]
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 el voltaje. Estructuralmente, los capacitores 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 por 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:
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 conectan directamente a través de un bus de energía, para protección contra picos de voltaje , un varistor con un voltaje de activación reducido puede deslizarse hacia una fuga térmica catastrófica y, a veces, hacia 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 conocer con precisión la medición de la calidad de la resistencia de la unión durante el diseño del producto y la fabricación posterior. El mejor punto de partida es el modo de fallo. Esto se basa en el supuesto de que existe un modo de fallo particular, o una serie de modos, que pueden ocurrir dentro de un producto. Por lo tanto, es razonable suponer que la prueba de unión debe reproducir el modo o los modos de interés. Sin embargo, no siempre es posible una réplica exacta. 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 misma, la muestra fallará antes que la unión. [25]