Elektronikus alkatrészek meghibásodása - Failure of electronic components

Sikertelen IC egy laptopban. A helytelen bemeneti polaritás a chip hatalmas túlmelegedését okozta , és megolvasztotta a műanyag házat.

Az elektronikus alkatrészek sokféle hibamóddal rendelkeznek . Ezeket különféle módon lehet osztályozni, például idő vagy ok szerint. A meghibásodásokat okozhatja a túlzott hőmérséklet, az áram vagy a feszültség feleslege, az ionizáló sugárzás , a mechanikai sokk, a stressz vagy az ütközés és sok más ok. Félvezető eszközökben az eszközcsomag problémái meghibásodást okozhatnak szennyeződés, az eszköz mechanikai igénybevétele, vagy szakadás vagy rövidzárlat miatt.

A meghibásodások leggyakrabban az alkatrészek élettartamának kezdete és vége közelében fordulnak elő, ami a kád görbe grafikáját eredményezi a meghibásodási arányokról . A beégetési eljárásokat használják a korai hibák észlelésére. A félvezető eszközökben a normál működés szempontjából lényegtelen parazita struktúrák válnak fontossá a meghibásodásokkal összefüggésben; forrást és védelmet jelenthetnek a kudarc ellen.

Az olyan alkalmazások, mint az űrhajózási rendszerek, az életfenntartó rendszerek, a távközlés, a vasúti jelzések és a számítógépek nagyszámú egyedi elektronikus alkatrészt használnak. A hibák statisztikai tulajdonságainak elemzése útmutatást adhat a tervekben a megbízhatóság adott szintjének megállapításához. Például az ellenállás teljesítmény-kezelési képessége nagymértékben csökkenhet, ha nagy magasságú repülőgépeken alkalmazzák a megfelelő élettartam elérése érdekében. A hirtelen megszakadt nyitott hiba több másodlagos meghibásodást okozhat, ha gyors és az áramkör induktivitást tartalmaz ; ez nagy feszültségcsúcsokat okoz, amelyek meghaladhatják az 500 V-ot. A forgácson való töréses metalizáció tehát másodlagos túlfeszültség-károsodást okozhat. A termikus elszabadulás hirtelen meghibásodást okozhat, beleértve olvadást, tüzet vagy robbanást.

Csomagolási hibák

Az elektronikus alkatrészek meghibásodásának többsége csomagolással kapcsolatos. A csomagolás, mint az elektronikus alkatrészek és a környezet közötti gát, nagyon érzékeny a környezeti tényezőkre. A hőtágulás mechanikai igénybevételt okoz, amely anyagfáradást okozhat , különösen akkor, ha az anyagok hőtágulási együtthatói eltérőek. A páratartalom és az agresszív vegyi anyagok korróziót okozhatnak a csomagolóanyagokban és az ólmokban, amelyek feltörhetik és károsíthatják a belső részeket, ami elektromos meghibásodáshoz vezethet. A megengedett környezeti hőmérsékleti tartomány túllépése a huzalkötések túlterheléséhez vezethet, így a csatlakozások meglazulhatnak, megrepedhetnek a félvezetõk, vagy csomagolási repedések lehetnek. A páratartalom és az azt követő magas hőmérsékletű melegítés szintén repedést okozhat, akárcsak mechanikai sérülés vagy ütés.

A kapszulázás során a kötőhuzalok megszakadhatnak, rövidzárlatot okozhatnak, vagy megérinthetik a forgácsdarabot, általában a szélén. A halál meghalhat mechanikai túlterhelés vagy hősokk miatt; a feldolgozás során bevezetett hibák, mint például az írás, töréssé válhatnak. Az ólomkeretek túl sok anyagot vagy sorját tartalmazhatnak, ami rövidnadrágot okozhat. Az olyan ionos szennyeződések, mint az alkálifémek és a halogének , a csomagolóanyagokból a félvezető halálába vándorolhatnak, ami korróziót vagy a paraméterek romlását okozhatja. Az üveg-fém tömítések általában meghibásodnak, mivel radiális repedéseket képeznek, amelyek a csap-üveg határfelületről erednek és kifelé hatolnak; egyéb okok közé tartozik a gyenge oxid réteg a felületen és az üveg meniszkusz gyenge képződése a csap körül.

Különböző gázok lehetnek jelen a csomagolás üregében, akár a gyártás során befogott szennyeződésekként, akár a felhasznált anyagok kimerülésével , akár kémiai reakciókként, például amikor a csomagolóanyag túlmelegedik (a termékek gyakran ionosak és késleltetett meghibásodással elősegítik a korróziót). Ennek észlelésére a hélium gyakran a csomagolás belsejében lévő inert atmoszférában van nyomjelzőgázként a szivárgások észleléséhez a tesztelés során. Szén-dioxid és hidrogén képződhet szerves anyagokból, a nedvességet a polimerek és az aminnal kikeményített epoxi-gázok ammóniát ürítik ki . A repedések kialakulása és az intermetallikus növekedés a szerszámrétegekben üregek és rétegek kialakulásához vezethet, ami ronthatja a forgácsszerszámtól az aljzathoz és a hűtőbordához való hőátadást és hőhibát okozhat. Mivel néhány félvezető, mint például a szilícium és a gallium-arzenid , infravörös-átlátszó, az infravörös mikroszkópia ellenőrizheti a szerszámkötések és a szerszám alatti struktúrák integritását.

A vörös foszfor , amelyet elszenesítő-promoter égésgátlóként használnak , megkönnyíti az ezüstvándorlást , ha a csomagolásban van. Rendszerint alumínium-hidroxiddal van bevonva ; ha a bevonat hiányos, a foszforrészecskék nagyon higroszkópos foszfor-pentoxiddá oxidálódnak , amely nedvességgel reagál a foszforsavra . Ez egy maró elektrolit, amely elektromos mezők jelenlétében megkönnyíti az ezüst oldódását és migrációját, rövidzárlatot hoz létre a szomszédos csomagolócsapok, ólomkeret- vezetékek, összekötő rudak, forgácsszerkezetek és forgácspárnák között. Az ezüst híd a csomag hőtágulásával megszakadhat; így a rövidzárlat megszűnése a chip felmelegedésekor és a hűtés utáni újbóli megjelenése jelzi ezt a problémát. A rétegeltávolítás és a hőtágulás megmozgathatja a forgácsdarabot a csomagoláshoz képest, deformálódhat, esetleg rövidzárhat vagy megrepedhet a kötőhuzaloktól.

Kapcsolattartási hibák

Az elektromos érintkezők mindenütt elérhető ellenállást mutatnak , amelynek nagyságát a felület szerkezete és a felületi rétegek összetétele szabályozza. Ideális esetben az érintkezési ellenállásnak alacsonynak és stabilnak kell lennie, azonban a gyenge érintkezési nyomás, a mechanikai rezgés , a korrózió, valamint a passzivizáló oxidrétegek és érintkezők kialakulása jelentősen megváltoztathatja az érintkezési ellenállást , ami ellenállás-fűtéshez és áramköri meghibásodáshoz vezet.

A forrasztott kötések sok szempontból meghibásodhatnak, például elektromigráció és törékeny intermetallikus rétegek képződése . Néhány hiba csak extrém ízületi hőmérsékleten jelentkezik, ami akadályozza a hibaelhárítást. A nyomtatott áramköri lap anyaga és csomagolása közötti hőtágulási eltérés megterheli az alkatrészek és a panelek közötti kötéseket; míg az ólmozott részek hajlítással képesek elnyelni a feszültséget, addig az ólommentes részek a forrasztásra támaszkodnak a feszültségek elnyeléséhez. A termikus ciklus fárasztó repedésekhez vezethet a forrasztási kötéseknél, különösen rugalmas forrasztóknál; különféle megközelítéseket alkalmaznak az ilyen események enyhítésére. Laza részecskék, mint például a huzal és a hegesztési vaku, képződhetnek a készülék üregében és a csomagolás belsejébe vándorolva gyakran szakaszos és ütésérzékeny rövidnadrágokat okozhatnak. A korrózió oxidok és más nem vezető termékek felhalmozódását okozhatja az érintkezési felületeken. Zárt állapotban ezek elfogadhatatlanul nagy ellenállást mutatnak; vándorolhatnak és rövidnadrágot is okozhatnak. Ónbajszul képződhet ónbevonatú fémeken, például a csomagolások belső oldalán; a laza bajusz szakaszos rövidzárlatot okozhat a csomagolás belsejében. A kábelek a fent leírt módszerek mellett megkophatnak és megrongálódhatnak.

Nyomtatott áramköri lap meghibásodások

Súlyos NYÁK-korrózió egy szivárgó NYÁK-ra szerelt Ni-Cd akkumulátor miatt

A nyomtatott áramköri lapok (PCB-k) érzékenyek a környezeti hatásokra; például a nyomok korrózióra hajlamosak, és helytelenül marathatók, részleges rövidnadrágot hagyva, míg a fiolák elégtelenül vannak átfedve vagy forrasztva. A nyomok mechanikai terhelés alatt megrepedhetnek, ami gyakran megbízhatatlan NYÁK-működést eredményez. A forrasztási fluxus maradványai megkönnyíthetik a korróziót; A PCB-ken lévő egyéb anyagok anyagai elektromos szivárgást okozhatnak. A polár kovalens vegyületek vonzzák a nedvességet, mint az antisztatikus szerek , vékony vezető nedvességréteget képezve a nyomok között; az olyan ionos vegyületek, mint a kloridok, általában megkönnyítik a korróziót. Az alkálifém-ionok a műanyag csomagolásokon keresztül vándorolhatnak, és befolyásolhatják a félvezetők működését. A klórozott szénhidrogén- maradékok hidrolizálhatnak és maró hatású kloridokat szabadíthatnak fel; évek múlva jelentkező problémákról van szó. A poláris molekulák eloszlathatják a nagyfrekvenciás energiát, parazita dielektromos veszteségeket okozva .

A PCB-k üvegesedési hőmérséklete felett a gyantamátrix megpuhul és érzékeny szennyeződiffúzióvá válik. Például a forrasztási fluxusból származó poliglikolok bejuthatnak a deszkába, és megnövelhetik annak páratartalmát, ennek megfelelően romolhatnak a dielektromos és korróziós tulajdonságok. A kerámiát használó többrétegű aljzatok sok ugyanazon problémát szenvednek.

Vezetõ anódos szálak (CAF) növekedhetnek a táblákban a kompozit anyag rostjai mentén. A fémet a sérülékeny felületre viszik be, általában az üregek bevonásával, majd ionok, nedvesség és elektromos potenciál jelenlétében vándorol; a fúrási sérülések és az üveggyanta gyenge kötése elősegíti az ilyen hibákat. A CAF-ek képződése általában az üveggyanta gyenge kötésével kezdődik; ezután egy adszorbeált nedvességréteg biztosít csatornát, amelyen keresztül az ionok és a korróziós termékek vándorolnak. Kloridionok jelenlétében a kicsapódott anyag atacamit ; félvezető tulajdonságai fokozott áramszivárgáshoz, romlott dielektromos szilárdsághoz és rövidzárlatokhoz vezetnek a nyomok között. A fluxusmaradékokból felszívódó glikolok súlyosbítják a problémát. A szálak és a mátrix hőtágulásának különbsége gyengíti a kötést, ha a táblát forrasztják; a magasabb forrasztási hőmérsékletet igénylő ólommentes forrasztások növelik a CAF-ek előfordulását. Emellett a CAF-ek az elnyelt nedvességtől függenek; egy bizonyos küszöb alatt nem fordulnak elő. Delaminálódás történhet a deszkarétegek elválasztására, repesztve az üregeket és a vezetékeket, hogy utakat vezessenek be a maró szennyeződésekhez és a vezetőképes fajok vándorlásához.

Relé kudarcok

Minden alkalommal, amikor az elektromechanikus relé vagy kontaktor érintkezőit kinyitják vagy lezárják, bizonyos mértékű kontaktus kopás jelentkezik . Egy elektromos ív között fordul elő a kapcsolattartók (elektródák) mind az átállás során zárt nyitott (szünet), vagy nyitott zárt (make). Az érintkezési szünet (ív) során keletkező ív hasonló az ívhegesztéshez , mivel a megszakítási ív jellemzően energikusabb és rombolóbb.

Az érintkezőkön átívelő elektromos ív hője és árama a fémvándorlásból speciális kúp- és kráterképződéseket hoz létre. A fizikai érintkezési károsodás mellett megjelenik egy szén és más anyag bevonata is. Ez a lebomlás drasztikusan korlátozza a relé vagy kontaktor teljes működési idejét, talán 100 000 működési tartományra korlátozva, amely szint 1% -ot vagy kevesebbet jelent, mint ugyanazon eszköz várható élettartama.

Félvezető meghibásodások

Sok meghibásodás forró elektronok keletkezését eredményezi . Ezek optikai mikroszkóp alatt megfigyelhetők, mivel CCD-kamerával detektálható közeli infravörös fotonokat hoznak létre . A reteszelés így figyelhető meg. Ha látható, a meghibásodás helye utalhat a túlterhelés jellegére. Folyadékkristályos bevonatok használhatók a hibák lokalizálására: a koleszterikus folyadékkristályok termokrómak, és a forgácson a hőtermelés helyének megjelenítésére szolgálnak, míg a nematikus folyadékkristályok reagálnak a feszültségre, és az áramszivárgások vizualizálására szolgálnak oxidhibák és töltés révén. állapotok a chip felületén (különösen logikai állapotok). A műanyagba burkolt csomagok lézeres jelölése károsíthatja a chipet, ha a csomagolásban lévő üveggömbök felsorakoznak, és a lézert a chiphez irányítják.

A félvezető kristályokkal kapcsolatos félvezető hibák például:

• Nukleáció és a diszlokációk növekedése . Ehhez meglévő hibára van szükség a kristályban, amint azt sugárzás teszi, és hő, nagy áramsűrűség és kibocsátott fény gyorsítja fel. A LED-ekkel a gallium-arsenid és az alumínium-gallium-arsenid érzékenyebbek erre, mint a gallium-arsenid-foszfid és az indium-foszfid ; a gallium-nitrid és az indium-gallium-nitrid érzéketlen erre a hibára.
• A MOSFET kapu- oxidjába befogott töltéshordozók felhalmozódása . Ez bevezeti a kapu állandó előfeszítését , befolyásolja a tranzisztor küszöbfeszültségét; forró hordozó befecskendezése , ionizáló sugárzás vagy névleges felhasználás okozhatja . Az EEPROM sejteknél ez a legfontosabb tényező, amely korlátozza a törlési-írási ciklusok számát.
• A töltéshordozók vándorlása az úszó kapukról . Ez korlátozza az EEPROM és a flash EPROM struktúrákban tárolt adatok élettartamát .
• Helytelen passziválás. A korrózió a késleltetett hibák jelentős forrása; a félvezetők, a fémes összekötők és a passzivációs üvegek mind érzékenyek. A félvezetők nedvességnek kitett felületének oxidrétege van; a felszabadult hidrogén az anyag mélyebb rétegeivel reagál, illékony hidrideket eredményezve .

Paraméterhibák

A Vias a chipek nem kívánt soros ellenállásának általános forrása; a hibás viaszok elfogadhatatlanul nagy ellenállást mutatnak, ezért növelik a terjedési késéseket. Mivel ellenállásuk csökken a hőmérséklet növekedésével, a chip maximális működési frekvenciájának más módon történő romlása jelzi ezt a hibát. Az egércsípések olyan régiók, ahol a metallizáció szélessége csökkent; az ilyen hibák általában nem jelentkeznek az elektromos tesztelés során, de komoly megbízhatósági kockázatot jelentenek. Az egérharapásban megnövekedett áramsűrűség súlyosbíthatja az elektromigrációs problémákat; nagyfokú ürítésre van szükség a hőmérséklet-érzékeny terjedési késés létrehozásához.

Néha az áramköri tűrések megnehezítik a szabálytalan viselkedés nyomon követését; például egy gyenge meghajtó tranzisztor, nagyobb soros ellenállás és a következő tranzisztor kapujának kapacitása tűréshatáron belül lehet, de jelentősen növelheti a jel terjedési késleltetését . Ezek csak meghatározott környezeti viszonyok, magas órajelek, alacsony tápfeszültség és néha meghatározott áramkörjelek esetén nyilvánulhatnak meg; jelentős eltérések fordulhatnak elő egyetlen kockán. A túlterhelés okozta károsodások, mint az ohmos söntök vagy a csökkent tranzisztoros kimeneti áram, növelhetik az ilyen késéseket, rendellenes viselkedéshez vezetve. Mivel a terjedési késések nagymértékben függenek a tápfeszültségtől, utóbbi tűréshatárhoz kötött ingadozásai kiválthatják ezt a viselkedést.

A gallium-arzén monolit mikrohullámú integrált áramkörök a következő hibákat okozhatják:

• Az I _DSS lebomlása a kapu elsüllyedésével és hidrogénmérgezéssel . Ez a hiba a leggyakoribb és legkönnyebben észlelhető, és befolyásolja a tranzisztor aktív csatornájának csökkenése a kapu süllyesztésében és a donor sűrűségének kimerülése az aktív csatornában hidrogénmérgezés céljából.
• A kapu szivárgási áramának romlása . Ez gyorsított élettartamú teszteken vagy magas hőmérsékleten fordul elő, és feltételezhető, hogy a felszíni állapot hatásai okozzák.
• Csökkenő feszültség romlása . Ez a magas hőmérsékleten működő gallium-arzenid készülékek gyakori meghibásodási módja, és elsősorban a félvezető-fém kölcsönhatásokból és a kapu fémszerkezeteinek lebomlásából fakad, amelynek másik oka a hidrogén. Meg lehet gátolt egy megfelelő akadályt fém érintkezők közötti és a gallium arzenid.
• A lefolyó-forrás ellenállás növekedése. Magas hőmérsékletű készülékekben figyelhető meg, és a fém-félvezető kölcsönhatások, a kapu süllyedése és az ohmos kontaktus lebomlása okozza.

Metalizációs hibák

Mikrofotó egy meghibásodott TO3 tranzisztorról rövidzárlat miatt

A metalizációs hibák a FET tranzisztor degradációjának gyakoribb és komolyabb okai, mint az anyagi folyamatok; az amorf anyagoknak nincs szemcsehatáruk, ami gátolja az interdiffúziót és a korróziót. Ilyen hibák például:

• Elektromigrációval az atomok az aktív régiókból elmozdulva diszlokációkat és ponthibákat okoznak, amelyek nem sugárzó rekombinációs központokként működnek. Ez akkor fordulhat elő, alumínium kapuk MESFETs a rádiófrekvenciás jelek, ami kiszámíthatatlan leeresztő áram; az elektromigrációt ebben az esetben kapunyomásnak nevezzük . Ez a kérdés nem fordul elő arany kapuknál. Ha az alumínium tűzálló fémgáton van, az elektromigráció elsősorban az alumíniumot érinti, de a tűzálló fémet nem, ami a szerkezet ellenálló képességét okozza a szabálytalanul. A kiszorított alumínium rövidnadrágot okozhat a szomszédos szerkezeteknek; Az alumínium réz 0,5-4% -a növeli az elektromigrációs ellenállást, a réz felhalmozódik az ötvözet szemcse határain, és növeli az atomok eltávolításához szükséges energiát. Ezen kívül az indium-ón-oxid és az ezüst elektromigrációnak van kitéve, szivárgási áramot és (LED-ekben) nem sugárzó rekombinációt okozva a forgácsszélek mentén. Az elektromigráció minden esetben változást okozhat a tranzisztoros kapuk és a félvezetői csomópontok méreteiben és paramétereiben.
• Mechanikai igénybevételek, nagy áramok és maró környezetek, amelyek bajuszt és rövidzárlatot képeznek . Ezek a hatások a csomagoláson és az áramköri lapokon egyaránt jelentkezhetnek .
• Szilícium csomók képződése. Az alumínium összekötő elemek szilíciummal adalékolhatók telítésig a lerakódás során, hogy megakadályozzák az ötvözet tüskéit. A termikus ciklus során a szilíciumatomok vándorolhatnak és összetapadhatnak, és üregként funkcionáló csomókat alkotnak, növelve a helyi ellenállást és csökkentve az eszköz élettartamát.
• Ohmos kontaktdegradáció a metalizációs és a félvezető rétegek között. A gallium-arzénnal egy réteg arany-germánium ötvözetet (néha nikkelrel) használnak az alacsony érintkezési ellenállás eléréséhez; ómiás kontaktus jön létre a germánium diffúziójával, amely egy vékony, erősen n-adalékolt régiót képez a fém alatt, megkönnyítve az összekapcsolódást, így az arany lerakódik. A galliumatomok ezen a rétegen keresztül vándorolhatnak, és a fenti arany elnyomhatja őket, és az érintkezés alatt hibagazdag galliumhiányos zónát hozhat létre; az arany és az oxigén ezután ellentétesen vándorolnak, ami fokozza az ohmos kontaktus ellenállását és kimeríti a hatékony doppingszintet. Az intermetallikus vegyületek képződése is szerepet játszik ebben a meghibásodási módban.

Elektromos túlterhelés

A legtöbb stresszhez kapcsolódó félvezető meghibásodás mikroszkópos elektrotermikus jellegű; a helyileg megnövekedett hőmérséklet azonnali meghibásodáshoz vezethet a metallizációs rétegek megolvadásával vagy elpárologtatásával, a félvezető megolvasztásával vagy a szerkezetek megváltoztatásával. A diffúziót és az elektromigrációt a magas hőmérséklet felgyorsítja, lerövidítve a készülék élettartamát; A csomópontok olyan károsodása, amely nem vezet azonnali meghibásodáshoz , a csomópontok megváltozott áram-feszültség jellemzőiént nyilvánulhat meg . Az elektromos túlterhelés meghibásodásai hő által kiváltott, elektromigrációval kapcsolatos és elektromos mezővel kapcsolatos hibák közé sorolhatók; ilyen hibák például:

• Termikus elszabadulás , ahol az aljzatban lévő fürtök a hővezető képesség helyi elvesztését okozzák , ami több hőt eredményező károsodáshoz vezet; a leggyakoribb okok a hiányos forrasztás által okozott üregek , az elektromigrációs hatások és a Kirkendall ürítés . A fürtözött forgalmazása áramsűrűség fölött találkozásánál vagy jelenlegi szálak vezetnek áramtelítés forró foltok, amelyek fejlődni, hogy a túlmelegedés.
• Fordított elfogultság . Néhány félvezető eszköz diódacsatlakozás-alapú és névlegesen egyenirányító; a fordított megszakítási mód azonban lehet nagyon alacsony feszültség mellett, mérsékelt fordított előfeszítő feszültséggel azonnali leépülést és jelentősen felgyorsult meghibásodást okozhat. 5 V a maximális fordított előfeszültség a tipikus LED-eknél, egyes típusok alacsonyabb értékekkel.
• Erősen túlterhelt Zener diódák fordított torzítású rövidzárlat esetén. Megfelelően magas feszültség lavinabontást okoz a Zener csomópontban; Ez és a diódán átáramló nagy áram rendkívüli lokalizált hevítést okoz, megolvadva a csatlakozási pontot és a metalizációt, és szilícium-alumínium ötvözetet képez, amely rövidíti a terminálokat. Ezt néha szándékosan használják a biztosítékokon keresztül történő vezetékes kapcsolatok módszereként.
• Reteszelés (amikor a készüléket túl- vagy alulfeszültség-impulzus éri ); a kiváltott SCR- ként működő parazita szerkezet ekkor túláram-alapú meghibásodást okozhat. Az IC-kben a reteszeléseket belső (például a távvezeték reflexiói ​​és a földi visszapattanások ) vagy külső (például az I / O csapokon és kozmikus sugarakon keresztül bevezetett jelek) kategóriába sorolják ; a külső reteszeket elektrosztatikus kisüléssel lehet kiváltani, míg a belső reteszeket nem. A reteszelést kiválthatják chip hordozóba injektált töltéshordozók vagy más reteszelés; a JEDEC78 szabvány teszteli a reteszelésre való hajlamot.

Elektrosztatikus kisülés

Az elektrosztatikus kisülés (ESD) az elektromos túlterhelés egyik alosztálya, amely azonnali eszközhibát, állandó paramétereltolódást és látens károsodást okozhat, ami megnövekedett lebomlási sebességet okozhat. Három komponensének legalább egyike van, lokalizált hőtermelés, nagy áramsűrűség és nagy elektromos térgradiens; több amper áramerősségének hosszan tartó jelenléte energiát visz át a készülék szerkezetére, hogy kárt okozzon. A valós áramkörökben az ESD csillapított hullámot okoz , gyorsan váltakozó polaritással, a csomópontok ugyanúgy feszülnek; négy alapvető mechanizmusa van:

• 6-10 MV / cm feletti térerősségnél bekövetkező oxidbontás.
• A fordított torzítású szivárgásként megnyilvánuló csomópont károsodása rövidzárlatig nő.
• Metalizálás és poliszilícium kiégés, ahol a károsodás csak a fém és a poliszilícium összekötő elemekre , a vékony film ellenállásokra és a diffúz ellenállásokra korlátozódik.
• Töltőinjekció, ahol a lavina felbomlásával keletkező forró hordozókat injektálják az oxidrétegbe.

A katasztrofális ESD meghibásodási módok a következők:

• A csomópont kiégése, ahol a kereszteződésen keresztül vezető út alakul ki és rövidíti meg
• Metalizációs kiégés, ahol a fémösszekötő elem egy részének megolvadása vagy elpárologása megszakítja azt
• Oxid átütés, vezető út kialakítása a szigetelő rétegen keresztül két vezető vagy félvezető között; a kapu-oxidok a legvékonyabbak és ezért a legérzékenyebbek. A sérült tranzisztor alacsony ohmos csatlakozást mutat a kapu és a leeresztő kapcsok között.

Paraméteres hiba csak elmozdítja az eszköz paramétereit, és stressz tesztelésben nyilvánulhat meg ; néha a károsodás mértéke idővel csökkenhet. A látens ESD meghibásodási módok késleltetett módon fordulnak elő, és a következőket tartalmazzák:

• A szigetelő károsodása a szigetelőszerkezetek gyengülésével.
• A csomópont károsodása a kisebbségi hordozó élettartamának csökkentésével, az előrehajlás ellenállásának növelésével és a fordított előítélet szivárgásának növelésével.
• A fémek károsodása a vezető gyengülésével.

A katasztrofális meghibásodásokhoz a legnagyobb kisülési feszültség szükséges, ezek tesztelése a legkönnyebb és a legritkább. A paraméteres meghibásodások közepes kisülési feszültségeknél fordulnak elő, és gyakrabban fordulnak elő, a látens hibák a leggyakoribbak. Minden paraméteres meghibásodáshoz 4-10 látens tartozik. A modern VLSI áramkörök ESD-érzékenyebbek, kisebb funkciókkal, alacsonyabb kapacitással és magasabb feszültség / töltés aránysal. A vezető rétegek szilíciumos lerakódása vezetőbbé teszi őket, csökkentve a védőszerepet betöltő előtétellenállást.

A kapu-oxid néhány MOSFET is megsérülhetnek 50 voltos potenciál, a kapu szigetelve a csomópont és a potenciális halmozódó rajta okozva extrém stressz a vékony dielektromos réteget; a stresszes oxid azonnal összetörhet és meghibásodhat. Maga a kapu-oxid nem tönkremegy azonnal, de a stressz okozta szivárgási áram által felgyorsítható , az oxidkárosodás késleltetett meghibásodáshoz vezet, hosszabb üzemórák után; oxid vagy nitrid dielektrikumot alkalmazó chip-kondenzátorok szintén sérülékenyek. A kisebb struktúrák sérülékenyebbek alacsonyabb kapacitásuk miatt , vagyis ugyanennyi töltéshordozó nagyobb feszültségre tölti fel a kondenzátort. A dielektrikum minden vékony rétege sebezhető; ennélfogva a vastagabb oxidrétegeket alkalmazó eljárásokkal készített forgács kevésbé sérülékeny.

Az áram okozta meghibásodások gyakoribbak a bipoláris csatlakozási eszközökben, ahol a Schottky és a PN csomópontok dominálnak. A kisütés nagy teljesítménye, 5 kilowatt feletti, mikroszekundumnál rövidebb ideig képes megolvasztani és elpárologtatni az anyagokat. A vékonyréteg-ellenállások értéke megváltozhat azáltal, hogy kisülési útvonal alakul ki rajtuk, vagy a vékony film egy része elpárolog; ez problematikus lehet precíziós alkalmazásokban, ahol ezek az értékek kritikusak.

Az enyhén adalékolt szilícium- elvezetõket használó újabb CMOS kimeneti pufferek érzékenyebbek az ESD-re; az N-csatornás meghajtó általában károsodást szenved az oxidrétegben vagy az n + / p kút csomópontjában. Ezt a parazita NPN tranzisztor visszapattanásakor bekövetkező áramlökés okozza. A P / NMOS totem pólusú szerkezetekben az NMOS tranzisztor szinte mindig megsérült. A csomópont szerkezete befolyásolja ESD érzékenységét; sarkok és hibák a jelenlegi zsúfoltsághoz vezethetnek, csökkentve a károsodási küszöböt. Az előre előfeszített csomópontok kevésbé érzékenyek, mint a fordított előfeszítések, mert az előre feszített csomópontok Joule-hője az anyag vastagabb rétegén keresztül oszlik el, szemben a fordított előfeszítésű csomópont keskeny kimerülési régiójával.

Passzív elem meghibásodások

Ellenállások

A nagyfeszültségű csőáramkörből eltávolított ellenállás azt mutatja, hogy a rezisztív fém-oxid rétegben az ív keletkezik.

Az ellenállások megszakadhatnak nyitva vagy röviden, miközben értékük környezeti feltételek mellett és a teljesítményhatárokon kívül változik. Példák az ellenállás meghibásodására:

• Időszakos problémákat okozó gyártási hibák. Például a szén- vagy fémellenállások nem megfelelően krimpelt kupakjai meglazíthatják és elveszíthetik az érintkezésüket, az ellenállás-sapka ellenállás pedig megváltoztathatja az ellenállás értékeit
• Felületre szerelhető ellenállások, amelyek elkülönítik egymástól eltérő anyagok csatlakozási helyét, például a kerámia hordozó és az ellenálló réteg között.
• A passzivációs üvegből foszfor által megtámadott integrált áramkörökben lévő nikróm vékonyfilm-ellenállások korrodálódnak és növelik ellenállásukat.
• SMD ellenállások ezüst fémezés érintkezők szenvedő nyitott áramköri hiba egy kén- gazdag környezetben, keletkezése miatt az ezüst-szulfid .
• Néhány anyagban jelen lévő réz (II) -oxidból növekvő réz dendritek (például a réteg megkönnyíti a fémesedés tapadását egy kerámia aljzathoz), és áthidalják a vágó kút rést.

Potenciométerek és trimmerek

A potenciométerek és trimmerek három terminálos elektromechanikus részek, amelyek állítható ablaktörlő érintkezővel rendelkező ellenállási utat tartalmaznak. A normál ellenállások meghibásodási módjaival együtt az ablaktörlő és az ellenállóréteg mechanikai kopása, a korrózió, a felületi szennyeződés és a mechanikai deformációk szakaszos út-ablaktörlő ellenállás-változásokhoz vezethetnek, amelyek problémát jelentenek az audio erősítőknél. Sok típus nincs tökéletesen lezárva, szennyeződések és nedvesség jut be az alkatrészbe; különösen gyakori szennyeződés a forrasztási fluxus . Mechanikai deformációk (például a törlő útvonalának károsodása) a ház forrasztás közbeni deformációjával vagy a szerelés során bekövetkező mechanikai igénybevétellel fordulhatnak elő. Ha a repedés behatol az ellenállási pályára, a vezetékek túlzott feszültsége az aljzat repedését és nyílt hibáját okozhatja.

Kondenzátorok

A kondenzátorokat a kapacitásuk , a parazita ellenállása sorban és párhuzamosan, a megszakítási feszültség és a szóródási tényező jellemzi ; mindkét parazita paraméter gyakran frekvencia- és feszültségfüggő. Szerkezetileg a kondenzátorok elektródákból állnak, amelyeket dielektrikum választ el, összekötő vezetékek és ház; ezek bármelyikének romlása a paraméterek elmozdulását vagy meghibásodását okozhatja. A párhuzamos parazita ellenállás növekedése miatti rövidzárlatok és szivárgások a kondenzátorok leggyakoribb meghibásodási módjai, amelyeket nyitott hibák követnek. Néhány példa a kondenzátor meghibásodására:

• Dielektromos meghibásodás a dielektrikum túlfeszültsége vagy öregedése miatt, amely akkor következik be, amikor a megszakítási feszültség az üzemi feszültség alá esik. Bizonyos típusú kondenzátorok „öngyógyulnak”, mivel a belső ív elpárologtatja az elektródák egy részét a meghibásodott pont körül. Mások vezető utat képeznek a dielektrikumon keresztül, ami rövidzárlathoz vagy részleges dielektromos ellenállás elvesztéséhez vezet.
• A dielektrikumon vándorló elektród anyagok vezetőképes utakat képeznek.
• A kondenzátortól durva kezeléssel elválasztott vezetékek tárolás, összeszerelés vagy üzemeltetés során, ami nyitott meghibásodáshoz vezet. A hiba láthatatlanul bekövetkezhet a csomagolás belsejében, és mérhető.
• A disszipációs tényező növekedése a kondenzátor anyagok, különösen a fluxus és az oldószer maradványok szennyeződése miatt.

Elektrolit kondenzátorok

A fent felsorolt ​​problémák mellett az elektrolit kondenzátorok ezeket a hibákat szenvedik:

• Az alumínium változatok, amelyek elektrolitjaik kiszáradnak, fokozatos szivárgás, egyenértékű sorozatellenállás és kapacitásveszteség miatt A nagy hullámáramok és a belső ellenállások által leadott energiaeloszlás a kondenzátor belső hőmérsékletének a specifikációkon felüli növekedését okozza, felgyorsítva a romlási sebességet; az ilyen kondenzátorok általában röviden meghibásodnak.
• Az elektrolitok szennyeződése (például nedvességtől) korrodálja az elektródákat, ami kapacitásveszteséghez és rövidekhez vezet.
• Elektrolitok képződnek egy gáz, növekszik a nyomás a kondenzátor házában, és néha robbanást okoznak; erre példa a kondenzátor pestis .
• A tantál verziók elektromosan túlterheltek, tartósan lerontják a dielektrikumot, és néha nyitott vagy rövid meghibásodást okoznak. Az ilyen módon kudarcot valló helyek általában elszíneződött dielektrikumként vagy helyileg megolvadt anódként láthatók.

Fémoxid varisztorok

A fém-oxid varisztorok hőmérséklete általában alacsonyabb; ha közvetlenül a villamos buszon keresztül csatlakozik, az elektromos tranziensek elleni védelem érdekében a csökkentett trigger feszültségű varisztor katasztrofális termikus szökésbe és néha kisebb robbanásba vagy tűzbe csúszhat. Ennek megakadályozása érdekében a hibaáramot általában egy hővédő biztosíték, megszakító vagy más áramkorlátozó eszköz korlátozza.

MEMS kudarcok

A mikroelektromechanikus rendszerek különböző típusú hibáktól szenvednek:

• A mozgó alkatrészek tapadását okozó szúrás; egy külső impulzus néha helyreállítja a funkcionalitást. Tapadásmentes bevonatok, az érintkezési terület csökkentése és a fokozott tudatosság enyhíti a problémát a korabeli rendszerekben.
• A rendszerben vándorló és mozgásukat blokkoló részecskék. A vezető részecskék rövidre zárhatják az áramköröket, mint például az elektrosztatikus működtető egységeket. A kopás károsítja a felületeket és szennyeződéseket szabadít fel, amelyek részecskeszennyeződést okozhatnak.
• Törések, amelyek mechanikai alkatrészek veszteségét okozzák.
• Anyagfáradtság, amely repedéseket idéz elő a mozgó szerkezetekben.
• Dielektromos töltés, amely a funkcionalitás megváltozásához és bizonyos ponton a paraméterek meghibásodásához vezet.

Meghibásodási módok újbóli létrehozása

A hibák csökkentése érdekében létfontosságú a kötésszilárdság minőségének pontos ismerete a termék tervezése és az azt követő gyártás során. A legjobb kiindulási hely a meghibásodási mód. Ez azon a feltételezésen alapul, hogy egy adott meghibásodási mód vagy üzemmódtartomány létezhet egy terméken belül. Ezért ésszerű feltételezni, hogy a kötési tesztnek meg kell ismételnie a kívánt módot vagy módokat. A pontos replikáció azonban nem mindig lehetséges. A vizsgálati terhelést a minta bizonyos részére kell gyakorolni, és a mintán keresztül át kell vezetni a kötéshez. Ha a minta ezen része az egyetlen lehetőség, és gyengébb, mint maga a kötés, akkor a minta a kötés előtt megbukik.

Lásd még

• Megbízhatóság (félvezető)

Hivatkozások