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Confiabilidad (semiconductor)

La confiabilidad de un dispositivo semiconductor es la capacidad del dispositivo para realizar su función prevista durante la vida útil del dispositivo en el campo.

Hay múltiples consideraciones que deben tenerse en cuenta al desarrollar dispositivos semiconductores confiables:

  1. Los dispositivos semiconductores son muy sensibles a las impurezas y partículas. Por lo tanto, para fabricar estos dispositivos es necesario gestionar muchos procesos y controlar con precisión el nivel de impurezas y partículas. La calidad del producto final depende de la relación de múltiples capas de cada sustancia que interactúa en el semiconductor, incluida la metalización , el material del chip ( lista de materiales semiconductores ) y el encapsulado.
  2. Es necesario comprender plenamente los problemas de los microprocesos y las películas delgadas en su aplicación a la metalización y la unión por cables . También es necesario analizar los fenómenos superficiales desde el punto de vista de las películas delgadas.
  3. Debido a los rápidos avances tecnológicos, se desarrollan muchos dispositivos nuevos utilizando nuevos materiales y procesos, y el tiempo de diseño es limitado debido a limitaciones de ingeniería no recurrentes , además de preocupaciones por el tiempo de comercialización . En consecuencia, no es posible basar nuevos diseños en la confiabilidad de los dispositivos existentes.
  4. Para lograr economías de escala , los productos semiconductores se fabrican en grandes cantidades. Además, la reparación de los productos semiconductores terminados no es práctica. Por lo tanto, la incorporación de la confiabilidad en la etapa de diseño y la reducción de la variación en la etapa de producción se han vuelto esenciales.
  5. 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 , impacto , radiación , presión e intensidad de campos magnéticos y eléctricos .

Los factores de diseño que afectan la confiabilidad de los semiconductores incluyen: reducción de voltaje , potencia y corriente ; metaestabilidad ; márgenes de tiempo lógico ( simulación lógica ); análisis de tiempo ; reducción de temperatura ; y control de procesos .

Métodos de mejora

La confiabilidad 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 extremos) y la sonda y la prueba reducen los escapes. La sonda ( sonda de obleas ) prueba el chip semiconductor, antes del empaquetado, a través de microsondas conectadas al equipo de prueba. La prueba final prueba el dispositivo empaquetado, a menudo antes y después del quemado para un conjunto de parámetros que aseguran el funcionamiento. Las debilidades del proceso y del diseño se identifican aplicando un conjunto de pruebas de estrés en la fase de calificación de los semiconductores antes de su introducción al mercado, por ejemplo, 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 el chip semiconductor que tiene 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. Las pruebas de promedio de piezas en línea (I-PAT) utilizan datos de la inspección de control del proceso de producción y la metrología para realizar la función de reconocimiento de valores atípicos. [2] [3]

La medición de la resistencia de la unión se realiza de dos formas básicas: pruebas de tracción y pruebas de corte. Ambas pueden realizarse de forma destructiva, que es la 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 fallo

Los mecanismos de fallo de los dispositivos semiconductores electrónicos se dividen en las siguientes categorías:

  1. Mecanismos inducidos por interacción material.
  2. Mecanismos inducidos por el estrés.
  3. Mecanismos de fallo inducidos mecánicamente.
  4. Mecanismos de falla inducidos por el medio ambiente.

Mecanismos inducidos por la interacción de materiales

  1. Puerta del transistor de efecto de campo con disipador de metal
  2. Degradación del contacto óhmico
  3. Degradación del canal
  4. Efectos del estado de superficie
  5. Contaminación en el moldeo del paquete: las impurezas en los compuestos del paquete provocan fallas eléctricas

Mecanismos de falla inducidos por estrés

  1. Electromigración : movimiento inducido eléctricamente de los materiales en el chip.
  2. Burnout – estrés excesivo localizado
  3. Atrapamiento de electrones calientes: debido a la sobrecarga en los circuitos de RF de alta potencia
  4. Estrés eléctrico: descarga electrostática , campos electromagnéticos elevados ( HIRF ), sobretensión de enclavamiento , sobrecorriente

Mecanismos de fallo inducidos mecánicamente

  1. Fractura de la matriz : debido a una falta de coincidencia de los coeficientes de expansión térmica
  2. Huecos en la unión de la matriz : defecto de fabricación, detectable con microscopía acústica de barrido.
  3. Falla de la unión soldada por fatiga por fluencia o grietas intermetálicas.
  4. Deslaminación del compuesto de moldeo/almohadilla de matriz debido al ciclo térmico

Mecanismos de falla inducidos por el medio ambiente

  1. Efectos de la humedad: absorción de humedad por el paquete y el circuito
  2. Efectos del hidrógeno: descomposición inducida por hidrógeno de partes del circuito (metal)
  3. Otros efectos de la temperatura: envejecimiento acelerado, mayor electromigración con la temperatura, mayor agotamiento

Véase también

Referencias

  1. ^ Documentos de la AEC
  2. ^ "AEC Q001" (PDF) .
  3. ^ "DW Price y RJ Rathert (KLA-Tencor Corp.). "Los 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".
  4. ^ Sykes, Bob (junio de 2010). "¿Por qué probar las uniones?". Revista Global SMT & Packaging.

Bibliografía