Электронные компоненты имеют широкий спектр режимов отказа . Их можно классифицировать различными способами, например, по времени или причине. Отказы могут быть вызваны избыточной температурой, избыточным током или напряжением, ионизирующим излучением , механическим ударом, напряжением или воздействием и многими другими причинами. В полупроводниковых приборах проблемы в корпусе устройства могут вызывать отказы из-за загрязнения, механического напряжения устройства или обрывов или коротких замыканий.
Отказы чаще всего происходят в начале и конце срока службы деталей, что приводит к графику интенсивности отказов в виде ванны . Процедуры выжигания используются для обнаружения ранних отказов. В полупроводниковых приборах паразитные структуры , не имеющие отношения к нормальной работе, становятся важными в контексте отказов; они могут быть как источником, так и защитой от отказа.
Такие приложения, как аэрокосмические системы, системы жизнеобеспечения, телекоммуникации, железнодорожные сигналы и компьютеры, используют большое количество отдельных электронных компонентов. Анализ статистических свойств отказов может дать указания в проектах по установлению заданного уровня надежности. Например, способность резистора к нагрузке может быть значительно снижена при использовании в высотных самолетах для получения адекватного срока службы.
Внезапный отказ при открытии может вызвать множественные вторичные отказы, если он быстрый и цепь содержит индуктивность ; это вызывает большие скачки напряжения , которые могут превышать 500 вольт. Таким образом, поврежденная металлизация на чипе может вызвать повреждение вторичного перенапряжения. [1] Тепловой разгон может вызвать внезапные отказы, включая плавление, возгорание или взрывы.
Большинство отказов электронных деталей связаны с упаковкой . [ требуется ссылка ] Упаковка, как барьер между электронными деталями и окружающей средой, очень восприимчива к факторам окружающей среды. Тепловое расширение создает механические напряжения, которые могут вызвать усталость материала , особенно когда коэффициенты теплового расширения материалов различны. Влажность и агрессивные химикаты могут вызвать коррозию упаковочных материалов и проводов, потенциально разрушая их и повреждая внутренние детали, что приводит к электрическому отказу. Превышение допустимого диапазона температур окружающей среды может вызвать перенапряжение проводных соединений, что приведет к разрыву соединений, растрескиванию полупроводниковых кристаллов или появлению трещин на упаковке. Влажность также может вызвать растрескивание, как и механическое повреждение или удар.
Во время инкапсуляции соединительные провода могут быть разорваны, замкнуты или касаться кристалла чипа, обычно на краю. Кристаллы могут треснуть из-за механического перенапряжения или теплового удара; дефекты, возникающие во время обработки, такие как скрайбирование, могут перерасти в трещины. Выводные рамки могут содержать избыточный материал или заусенцы, вызывающие короткие замыкания. Ионные загрязняющие вещества, такие как щелочные металлы и галогены, могут мигрировать из упаковочных материалов в кристаллы полупроводников, вызывая коррозию или ухудшение параметров. Стекло-металлические уплотнения обычно выходят из строя, образуя радиальные трещины, которые возникают на границе контакта штифта со стеклом и проникают наружу; другие причины включают слабый оксидный слой на границе и плохое формирование стеклянного мениска вокруг штифта. [2]
В полости корпуса могут присутствовать различные газы, либо в виде примесей, захваченных во время производства, либо в виде газовыделения используемых материалов, либо в результате химических реакций, как это происходит, когда упаковочный материал перегревается (продукты часто являются ионными и способствуют коррозии с отсроченным отказом). Чтобы обнаружить это, гелий часто находится в инертной атмосфере внутри упаковки в качестве индикаторного газа для обнаружения утечек во время тестирования. Углекислый газ и водород могут образовываться из органических материалов, влага выделяется полимерами, а эпоксидные смолы, отвержденные амином, выделяют аммиак . Образование трещин и интерметаллический рост в соединениях кристаллов может привести к образованию пустот и расслоению, что ухудшает передачу тепла от кристалла чипа к подложке и радиатору и вызывает тепловой отказ. Поскольку некоторые полупроводники, такие как кремний и арсенид галлия , прозрачны для инфракрасного излучения, инфракрасная микроскопия может проверить целостность соединения кристалла и структур под кристаллом. [2]
Красный фосфор , используемый в качестве обугливания-ополаскивателя , облегчает миграцию серебра , если присутствует в упаковке. Обычно он покрыт гидроксидом алюминия ; если покрытие неполное, частицы фосфора окисляются до высокогигроскопичного пентоксида фосфора , который реагирует с влагой, образуя фосфорную кислоту . Это едкий электролит, который в присутствии электрических полей облегчает растворение и миграцию серебра, замыкая соседние штырьки упаковки, выводы рамки выводов , соединительные планки, структуры крепления чипа и контактные площадки чипа. Серебряный мост может быть прерван тепловым расширением корпуса; таким образом, исчезновение короткого замыкания при нагревании чипа и его повторное появление после охлаждения является признаком этой проблемы. [3] Расслоение и тепловое расширение могут сместить кристалл чипа относительно упаковки, деформируя и, возможно, замыкая или растрескивая соединительные провода. [1]
Электрические контакты демонстрируют повсеместное контактное сопротивление , величина которого определяется структурой поверхности и составом поверхностных слоев. [4] В идеале контактное сопротивление должно быть низким и стабильным, однако слабое контактное давление, механическая вибрация , коррозия и образование пассивирующих оксидных слоев и контактов могут значительно изменить контактное сопротивление , что приведет к нагреванию сопротивления и отказу цепи.
Паяные соединения могут выходить из строя многими способами, такими как электромиграция и образование хрупких интерметаллических слоев. Некоторые неисправности проявляются только при экстремальных температурах соединения, что затрудняет устранение неполадок. Несоответствие теплового расширения между материалом печатной платы и ее корпусом напрягает соединения детали с платой; в то время как свинцовые детали могут поглощать напряжение путем изгиба, бессвинцовые детали полагаются на припой для поглощения напряжений. Тепловые циклы могут привести к усталостному растрескиванию паяных соединений, особенно с эластичными припоями; для смягчения таких инцидентов используются различные подходы. Свободные частицы, такие как соединительная проволока и сварной грат, могут образовываться в полости устройства и мигрировать внутрь корпуса, вызывая часто прерывистые и чувствительные к ударам короткие замыкания. Коррозия может вызывать накопление оксидов и других непроводящих продуктов на контактных поверхностях. При закрытии они затем показывают неприемлемо высокое сопротивление; они также могут мигрировать и вызывать короткие замыкания. [2] Оловянные усы могут образовываться на покрытых оловом металлах, таких как внутренняя сторона корпусов; Ослабленные усы могут затем вызвать прерывистые короткие замыкания внутри упаковки. Кабели , в дополнение к методам, описанным выше, могут выйти из строя из-за истирания и повреждения от пожара.
Печатные платы (ПП) уязвимы к воздействию окружающей среды; например, дорожки подвержены коррозии и могут быть неправильно протравлены, оставляя частичные замыкания, в то время как переходные отверстия могут быть недостаточно металлизированы или заполнены припоем. Дорожки могут трескаться под механическими нагрузками, что часто приводит к ненадежной работе ПП. Остатки припойного флюса могут способствовать коррозии; остатки других материалов на ПП могут вызывать утечки тока. Полярные ковалентные соединения могут притягивать влагу, как антистатики , образуя тонкий слой проводящей влаги между дорожками; ионные соединения, такие как хлориды, имеют тенденцию способствовать коррозии. Ионы щелочных металлов могут мигрировать через пластиковую упаковку и влиять на работу полупроводников. Остатки хлорированных углеводородов могут гидролизоваться и выделять едкие хлориды; эти проблемы возникают спустя годы. Полярные молекулы могут рассеивать высокочастотную энергию, вызывая паразитные диэлектрические потери .
Выше температуры стеклования печатных плат смоляная матрица размягчается и становится восприимчивой к диффузии загрязняющих веществ. Например, полигликоли из припойного флюса могут проникать в плату и увеличивать ее влагопоглощение, что приводит к соответствующему ухудшению диэлектрических и коррозионных свойств. [5] Многослойные подложки с использованием керамики страдают от многих из тех же проблем.
Проводящие анодные нити (CAF) могут расти внутри плат вдоль волокон композитного материала. Металл обычно попадает на уязвимую поверхность из-за покрытия переходных отверстий, а затем мигрирует в присутствии ионов, влаги и электрического потенциала; повреждения от сверления и плохое сцепление стекла со смолой способствуют таким отказам. [6] Образование CAF обычно начинается с плохого сцепления стекла со смолой; затем слой адсорбированной влаги обеспечивает канал, по которому мигрируют ионы и продукты коррозии. В присутствии ионов хлорида осажденный материал представляет собой атакамит ; его полупроводниковые свойства приводят к увеличению утечки тока, ухудшению диэлектрической прочности и коротким замыканиям между дорожками. Абсорбированные гликоли из остатков флюса усугубляют проблему. Разница в тепловом расширении волокон и матрицы ослабляет связь при пайке платы; бессвинцовые припои, требующие более высоких температур пайки, увеличивают возникновение CAF. Кроме того, CAF зависят от поглощенной влажности; ниже определенного порога они не происходят. [5] Может произойти расслоение, разделяющее слои платы, растрескивающее переходные отверстия и проводники, что создает пути для коррозионных загрязнений и миграции проводящих частиц. [6]
Каждый раз, когда контакты электромеханического реле или контактора размыкаются или замыкаются, происходит определенный износ контактов . Электрическая дуга возникает между контактными точками (электродами) как при переходе из закрытого в открытое (разрыв), так и при переходе из открытого в закрытое (замыкание). Дуга, возникающая при разрыве контакта (дуга разрыва), похожа на дуговую сварку , поскольку дуга разрыва обычно более энергична и разрушительна. [7]
Тепло и ток электрической дуги через контакты создают специфические конусные и кратерные образования из-за миграции металла. В дополнение к физическому повреждению контакта, также появляется покрытие из углерода и других веществ. Эта деградация резко ограничивает общий срок службы реле или контактора до диапазона, возможно, 100 000 операций, что составляет 1% или меньше от ожидаемого срока службы того же устройства. [8]
Многие сбои приводят к генерации горячих электронов . Их можно наблюдать под оптическим микроскопом, поскольку они генерируют ближние инфракрасные фотоны, обнаруживаемые ПЗС-камерой . Защелки можно наблюдать таким образом. [9] Если они видны, место сбоя может дать ключ к природе перенапряжения. Жидкокристаллические покрытия могут использоваться для локализации неисправностей: холестерические жидкие кристаллы являются термохромными и используются для визуализации мест выработки тепла на чипах, в то время как нематические жидкие кристаллы реагируют на напряжение и используются для визуализации утечек тока через дефекты оксида и состояний заряда на поверхности чипа (особенно логических состояний). [2] Лазерная маркировка корпусов, заключенных в пластик, может повредить чип, если стеклянные сферы в корпусе выстроятся в линию и направят лазер на чип. [3]
Примерами неисправностей полупроводниковых приборов, связанных с полупроводниковыми кристаллами, являются:
Переходные отверстия являются распространенным источником нежелательного последовательного сопротивления на чипах; дефектные переходные отверстия показывают неприемлемо высокое сопротивление и, следовательно, увеличивают задержки распространения. Поскольку их удельное сопротивление падает с ростом температуры, ухудшение максимальной рабочей частоты чипа в другую сторону является индикатором такого дефекта. Укусы мыши — это области, где металлизация имеет уменьшенную ширину; такие дефекты обычно не проявляются во время электрических испытаний, но представляют собой серьезный риск надежности. Повышенная плотность тока в укусе мыши может усугубить проблемы электромиграции; для создания температурно-чувствительной задержки распространения необходима большая степень пустотности. [9]
Иногда допуски схемы могут затруднять отслеживание неустойчивого поведения; например, слабый транзистор драйвера, более высокое последовательное сопротивление и емкость затвора последующего транзистора могут находиться в пределах допуска, но могут значительно увеличить задержку распространения сигнала . Они могут проявляться только при определенных условиях окружающей среды, высоких тактовых частотах, низких напряжениях питания и иногда определенных состояниях сигнала схемы; значительные изменения могут происходить на одном кристалле. [9] Повреждения, вызванные перенапряжением, такие как омические шунты или уменьшенный выходной ток транзистора, могут увеличить такие задержки, что приводит к неустойчивому поведению. Поскольку задержки распространения сильно зависят от напряжения питания, колебания последнего в пределах допуска могут вызвать такое поведение.
Монолитные СВЧ-интегральные схемы на основе арсенида галлия могут иметь следующие неисправности: [11]
Ошибки металлизации являются более распространенными и серьезными причинами деградации транзисторов FET, чем материальные процессы; аморфные материалы не имеют границ зерен, что препятствует взаимодиффузии и коррозии. [13] Примерами таких ошибок являются:
Большинство отказов полупроводников, связанных со стрессом, имеют электротермическую природу на микроскопическом уровне; локально повышенные температуры могут привести к немедленному отказу из-за плавления или испарения слоев металлизации, плавления полупроводника или изменения структуры. Диффузия и электромиграция, как правило, ускоряются при высоких температурах, что сокращает срок службы устройства; повреждение соединений, не приводящее к немедленному отказу, может проявляться в виде измененных вольт-амперных характеристик соединений. Отказы, связанные с электрическим перенапряжением, можно классифицировать как отказы, вызванные термическим воздействием, электромиграцией и электрическим полем; примеры таких отказов включают:
Электростатический разряд (ESD) является подклассом электрического перенапряжения и может вызвать немедленный отказ устройства, постоянные изменения параметров и скрытые повреждения, вызывающие повышенную скорость деградации. Он имеет по крайней мере один из трех компонентов: локализованное выделение тепла, высокую плотность тока и высокий градиент электрического поля; длительное присутствие токов в несколько ампер передает энергию в структуру устройства, вызывая повреждение. ESD в реальных цепях вызывает затухающую волну с быстро меняющейся полярностью, соединения нагружаются одинаково; у него есть четыре основных механизма: [15]
К катастрофическим видам отказов ESD относятся:
Параметрический отказ только изменяет параметры устройства и может проявиться при стресс-тестировании ; иногда степень повреждения может уменьшаться с течением времени. Скрытые режимы отказа ESD возникают с задержкой и включают:
Катастрофические отказы требуют самых высоких напряжений разряда, их легче всего проверить, и они случаются реже всего. Параметрические отказы происходят при промежуточных напряжениях разряда и случаются чаще, причем наиболее распространены скрытые отказы. Для каждого параметрического отказа приходится 4–10 скрытых отказов. [16] Современные схемы СБИС более чувствительны к электростатическому разряду, имеют меньшие характеристики, меньшую емкость и более высокое отношение напряжения к заряду. Осаждение кремния на проводящих слоях делает их более проводящими, уменьшая балластное сопротивление, которое играет защитную роль.
Оксид затвора некоторых МОП-транзисторов может быть поврежден потенциалом в 50 вольт, затвор изолирован от перехода и накапливающегося на нем потенциала, что вызывает экстремальное напряжение в тонком диэлектрическом слое; напряженный оксид может разрушиться и выйти из строя немедленно. Сам оксид затвора не выходит из строя немедленно, но может быть ускорен током утечки, вызванным напряжением , повреждение оксида приводит к отсроченному отказу после длительных часов работы; конденсаторы на кристалле, использующие оксидные или нитридные диэлектрики, также уязвимы. Меньшие структуры более уязвимы из-за их меньшей емкости , что означает, что то же количество носителей заряда заряжает конденсатор до более высокого напряжения. Все тонкие слои диэлектриков уязвимы; следовательно, чипы, изготовленные с помощью процессов, использующих более толстые оксидные слои, менее уязвимы. [14]
Сбои, вызванные током, чаще встречаются в биполярных переходных устройствах, где преобладают переходы Шоттки и PN. Высокая мощность разряда, более 5 киловатт в течение менее микросекунды, может расплавить и испарить материалы. Тонкопленочные резисторы могут иметь измененное значение из-за разрядного пути, образующегося через них, или из-за испарения части тонкой пленки; это может быть проблематичным в прецизионных приложениях, где такие значения имеют решающее значение. [17]
Новые выходные буферы CMOS, использующие слаболегированные силицидные стоки, более чувствительны к ESD; драйвер N-канала обычно страдает от повреждения в оксидном слое или n+/p-переходе. Это вызвано скоплением тока во время обратного переключения паразитного NPN-транзистора. [18] В структурах P/NMOS-тотем-полюса NMOS-транзистор почти всегда оказывается поврежденным. [19] Структура перехода влияет на его чувствительность к ESD; углы и дефекты могут привести к скоплению тока, что снижает порог повреждения. Переходы с прямым смещением менее чувствительны, чем с обратным смещением, поскольку джоулево тепло переходов с прямым смещением рассеивается через более толстый слой материала по сравнению с узкой областью обеднения в переходе с обратным смещением. [20]
Резисторы могут выходить из строя, открываясь или замыкаясь, а их значение может изменяться под воздействием условий окружающей среды и за пределами эксплуатационных ограничений. Примеры отказов резисторов включают:
Потенциометры и подстроечные резисторы представляют собой трехконтактные электромеханические детали, содержащие резистивный путь с регулируемым контактом скользящего контакта. Наряду с режимами отказа обычных резисторов, механический износ скользящего контакта и резистивного слоя, коррозия, поверхностное загрязнение и механические деформации могут привести к прерывистым изменениям сопротивления пути-скользящего контакта, что является проблемой для аудиоусилителей. Многие типы не полностью герметичны, и в деталь попадают загрязняющие вещества и влага; особенно распространенным загрязняющим веществом является флюс для пайки . Механические деформации (например, нарушение контакта скользящего контакта) могут возникнуть из-за коробления корпуса во время пайки или механического напряжения во время монтажа. Избыточное напряжение на выводах может привести к растрескиванию подложки и открытому отказу, когда трещина проникает в резистивный путь. [2]
Конденсаторы характеризуются своей емкостью , паразитным сопротивлением последовательно и параллельно, напряжением пробоя и коэффициентом рассеяния ; оба паразитных параметра часто зависят от частоты и напряжения. Конструктивно конденсаторы состоят из электродов, разделенных диэлектриком, соединительных проводов и корпуса; ухудшение любого из них может привести к сдвигу параметров или отказу. Короткие замыкания и утечки из-за увеличения параллельного паразитного сопротивления являются наиболее распространенными видами отказов конденсаторов, за которыми следуют открытые отказы. [ необходима ссылка ] Вот некоторые примеры отказов конденсаторов:
Помимо перечисленных выше проблем, электролитические конденсаторы страдают от следующих неисправностей:
Металлооксидные варисторы обычно имеют более низкое сопротивление при нагревании; если их подключить напрямую через шину питания для защиты от скачков напряжения , варистор с пониженным напряжением срабатывания может перейти в катастрофический тепловой разгон, а иногда и в небольшой взрыв или пожар. [23] Чтобы предотвратить это, ток короткого замыкания обычно ограничивается тепловым предохранителем, автоматическим выключателем или другим устройством ограничения тока.
Микроэлектромеханические системы подвержены различным типам отказов:
Для уменьшения количества отказов жизненно важно точное знание измерения качества прочности связи во время проектирования продукта и последующего производства. Лучше всего начать с режима отказа. Это основано на предположении, что существует определенный режим отказа или диапазон режимов, которые могут возникнуть в продукте. Поэтому разумно предположить, что испытание связи должно воспроизводить режим или режимы, представляющие интерес. Однако точное воспроизведение не всегда возможно. Испытательная нагрузка должна быть приложена к некоторой части образца и передана через образец на связь. Если эта часть образца является единственным вариантом и слабее, чем сама связь, образец разрушится раньше, чем связь. [25]