Semicondutores
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Muchas fallas dan como resultado la generación de electrones calientes. Estos son observables bajo un microscopio óptico, ya que generan fotones de infrarrojo cercano detectables por una cámara CCD. Los enclavamientos "Enclavamiento (electrónica)") se pueden observar de esta manera.[8] Si es visible, la ubicación de la falla puede presentar pistas en donde se ve la sobrecarga. Los recubrimientos de cristal líquido se pueden utilizar para la localización de fallas: los cristales líquidos colestéricos son termocrómicos y se usan para visualizar las ubicaciones de producción de calor en los chips, mientras que los cristales líquidos nemáticos responden al voltaje y se usan para visualizar fugas de corriente a través de defectos de óxido y de carga. estados en la superficie del chip (particularmente estados lógicos).[2] El marcado láser que marca los paquetes encapsulados en plástico puede dañar el chip si las esferas de vidrio en el empaque se alinean y dirigen el láser hacia el chip.[3].
Ejemplos de fallas de semiconductores relacionadas con cristales semiconductores incluyen:.
• - Nucleación y crecimiento de dislocaciones "Dislocación (defecto cristalino)"). Esto requiere un defecto existente en el cristal, como lo hace la radiación, y es acelerado por el calor, la alta densidad de corriente y la luz emitida. Con los LED, el arseniuro de galio y el arseniuro de galio de aluminio son más susceptibles a esto que el fosfuro de arseniuro de galio y el fosfuro de indio; el nitruro de galio y el nitruro de galio de indio son insensibles a este defecto.
• - Acumulación de portadores de carga atrapados en el óxido de compuerta de los MOSFET. Esto introduce una corriente de polarización de compuerta permanente, que influye en el voltaje umbral del transistor; puede ser causada por la inyección de portadores calientes, radiación ionizante o uso nominal. Con las células EEPROM, este es el factor principal que limita el número de ciclos de borrado-escritura.
• - Migración de portadores de carga desde puertas flotantes. Esto limita la vida útil de los datos almacenados en estructuras EEPROM y EPROM flash.
• - Pasivación inadecuada. La corrosión es una fuente importante de fallas retrasadas; los semiconductores, las interconexiones metálicas y las gafas de pasivación son susceptibles. La superficie de los semiconductores sometidos a humedad tiene una capa de óxido; el hidrógeno liberado reacciona con capas más profundas del material, produciendo hidruros volátiles.[9].
Erros de parâmetro
Vias são uma fonte comum de resistência em série indesejada em chips; vias defeituosas apresentam resistência inaceitavelmente alta e, portanto, aumentam os atrasos de propagação. Como sua resistividade diminui com o aumento da temperatura, a degradação da frequência operacional máxima do chip é um indicador de tal falha. Mordidas de rato são regiões onde a metalização tem largura diminuída; Tais defeitos geralmente não aparecem durante os testes elétricos, mas apresentam um risco significativo de confiabilidade. O aumento da densidade de corrente na mordida do rato pode agravar os problemas de eletromigração; É necessário um grande grau de micção para criar um atraso de propagação sensível à temperatura.[8].
Às vezes, as tolerâncias do circuito podem dificultar o rastreamento de comportamento errático; Por exemplo, um transistor de acionamento fraco, uma resistência em série mais alta e a subsequente capacitância da porta do transistor podem estar dentro da tolerância, mas podem aumentar significativamente o atraso de propagação do sinal. Eles podem se manifestar apenas sob condições ambientais específicas, altas velocidades de clock, baixas tensões de alimentação e, às vezes, estados específicos de sinais de circuitos; Variações significativas podem ocorrer em um único molde.[8] Danos induzidos por estresse excessivo, como derivações ôhmicas ou redução da corrente de saída do transistor, podem aumentar esses atrasos, levando a um comportamento errático. Como os atrasos de propagação dependem em grande parte da tensão de alimentação, flutuações ligadas à tolerância desta podem desencadear tal comportamento.
Os circuitos integrados de micro-ondas monolíticos de arsenieto de gálio podem ter estas falhas:[10].
• - Degradação de I[11] devido ao colapso da porta e envenenamento por hidrogênio. Esta falha é a mais comum e mais fácil de detectar, e é afetada pela redução do canal ativo do transistor no gate sag e pelo esgotamento da densidade doadora no canal ativo por envenenamento por hidrogênio.
• - Degradação na corrente de fuga da porta. Isto ocorre sob testes de vida acelerada ou de alta temperatura e suspeita-se que seja causado por efeitos do estado da superfície.
• - Degradação na tensão de aperto. Este é um modo de falha comum para dispositivos de arsenieto de gálio operando em alta temperatura e surge principalmente de interações metal-semicondutor e da degradação das estruturas metálicas da porta, sendo o hidrogênio outro motivo. Pode ser impedido por uma barreira metálica adequada entre os contatos e o arsenieto de gálio.
• - Aumento da resistência dreno-fonte. É observado em dispositivos de alta temperatura e é causado por interações metal-semicondutores, queda de porta e degradação de contato ôhmico.
Falhas de metalização
Falhas de metalização são causas mais comuns e sérias de degradação do transistor FET do que processos materiais; Materiais amorfos não possuem limites de grão, dificultando a interdifusão e a corrosão.[12] Exemplos de tais falhas incluem:.
• - A eletromigração move átomos para fora das regiões ativas, causando deslocamentos e defeitos pontuais que atuam como centros de recombinação não radiativos que produzem calor. Isso pode ocorrer com portas de alumínio em MESFETs com sinais de RF, causando corrente de drenagem errática; A eletromigração, neste caso, é chamada de gate sag. Este problema não ocorre com portas douradas.[12] Com estruturas que possuem alumínio sobre uma barreira de metal refratário, a eletromigração afeta principalmente o alumínio, mas não o metal refratário, fazendo com que a resistência da estrutura aumente de forma irregular. O alumínio deslocado pode causar curto-circuitos em estruturas vizinhas; 0,5-4% de cobre no alumínio aumenta a resistência à eletromigração, o cobre se acumula nos limites dos grãos da liga e aumenta a energia necessária para desalojar os átomos deles. Além disso, o óxido de índio-estanho e a prata estão sujeitos à eletromigração, causando corrente de fuga e (em LEDs) recombinação não radiativa ao longo das bordas do chip. Em todos os casos, a eletromigração pode causar alterações nas dimensões e parâmetros das portas dos transistores e das junções dos semicondutores.
• - Tensões mecânicas, altas correntes e ambientes corrosivos formando bigodes e curtos-circuitos. Esses efeitos podem ocorrer tanto na embalagem quanto nas placas de circuito.
• - Formação de nódulos de silício. As interconexões de alumínio podem ser dopadas com silício até a saturação durante a deposição para evitar picos de liga. Durante o ciclo térmico, os átomos de silício podem migrar e se aglomerar formando nódulos que atuam como vazios, aumentando a resistência local e reduzindo a vida útil do dispositivo.[2].
• - Degradação devido ao contato ôhmico entre as camadas de metalização e semicondutoras. Com o arsenieto de gálio, uma camada de liga de ouro-germânio (às vezes com níquel) é usada para obter baixa resistência de contato; Um contato ôhmico é formado pela difusão do germânio, formando uma região fina e altamente dopada sob o metal que facilita a ligação, deixando ouro depositado sobre ele. Os átomos de gálio podem migrar através desta camada e ser removidos pelo ouro acima, criando uma zona rica em defeitos e esgotada de gálio sob o contato; O ouro e o oxigênio então migram de forma oposta, resultando em aumento da resistência de contato ôhmico e esgotamento do nível efetivo de dopagem.[12] A formação de compostos intermetálicos também desempenha um papel neste modo de falha.
sobrecarga elétrica
A maioria das falhas de semicondutores relacionadas ao estresse são de natureza microscopicamente eletrotérmica; O aumento local de temperaturas pode levar à falha imediata por fusão ou vaporização de camadas de metalização, fusão do semicondutor ou alteração de estruturas. A difusão e a eletromigração tendem a ser aceleradas por altas temperaturas, encurtando a vida útil do dispositivo; Danos às junções que não levam à falha imediata podem se manifestar como alterações nas características de corrente-tensão das junções. As falhas de sobrecarga elétrica podem ser classificadas como falhas induzidas termicamente, relacionadas à eletromigração e relacionadas ao campo elétrico; Exemplos de tais falhas incluem:
• - Fuga térmica, onde aglomerados no substrato causam perda localizada de condutividade térmica, levando a danos que produzem mais calor; As causas mais comuns são vazios causados por soldagem incompleta, efeitos de eletromigração e micção Kirkendall. A distribuição agrupada da densidade de corrente sobre a junção ou filamentos de corrente leva à aglomeração de corrente em pontos quentes localizados, que pode evoluir para fuga térmica.
• - Polarização reversa. Alguns dispositivos semicondutores são baseados na junção de diodos e são nominalmente retificadores; No entanto, o modo de ruptura reversa pode ocorrer em uma tensão muito baixa, com uma tensão de polarização reversa moderada causando degradação imediata e falha bastante acelerada. 5V é a tensão máxima de polarização reversa para LEDs típicos e alguns tipos têm valores mais baixos.
• - Diodos Zener severamente sobrecarregados em curto-circuito de polarização reversa. Uma tensão suficientemente alta causa uma ruptura em avalanche da junção Zener; isso e uma grande corrente passando pelo diodo causam aquecimento extremo localizado, derretendo a junção e metalização e formando uma liga de silício-alumínio que causa curto-circuito nos terminais. Às vezes, isso é usado intencionalmente como um método de fiação de conexões por meio de fusíveis.[13].
• - Latching (quando o dispositivo está sujeito a pulso de sobretensão ou subtensão); uma estrutura parasita agindo como um SCR acionado pode causar uma falha baseada em sobrecorrente. Nos circuitos MIC, as travas são classificadas como internas (como reflexões de linha de transmissão e saltos de terra) ou externas (como sinais introduzidos através de pinos de E/S e raios cósmicos); Os fechamentos externos podem ser acionados por descarga eletrostática, enquanto os fechamentos internos não. As travas podem ser ativadas por portadores de carga injetados no substrato do chip ou em outra trava; O padrão JEDEC78 testa a suscetibilidade a protuberâncias.[8].
descarga eletrostática
A descarga eletrostática (ESD) é uma subclasse de sobrecarga elétrica e pode causar falha imediata do dispositivo, alterações permanentes nos parâmetros e danos latentes, causando uma maior taxa de degradação. Possui pelo menos um dos três componentes, geração de calor localizada, alta densidade de corrente e alto gradiente de campo elétrico; A presença prolongada de correntes de vários amperes transfere energia para a estrutura do dispositivo causando danos. ESD em circuitos reais causa uma onda amortecida com polaridade alternada rapidamente, as junções são tensionadas da mesma maneira; Possui quatro mecanismos básicos:[14].
• - A decomposição do óxido ocorre em intensidades de campo superiores a 6–10 MV/cm.
• - Danos na junção manifestando-se à medida que o vazamento de polarização reversa aumenta até o ponto de curto-circuito.
Metalização e esgotamento de polissilício, onde os danos são limitados a interconexões metal-polissilício, resistores de filme fino e resistores difusos.
• - Injeção de carga, onde portadores quentes gerados pelo decaimento da avalanche são injetados na camada de óxido.
Os modos de falha catastrófica de ESD incluem:
• - Esgotamento da junção, onde um caminho condutor se forma através da junção e a coloca em curto.
• - Esgotamento por metalização, onde a fusão ou vaporização de uma parte da interligação metálica a perturba.
• - Perfuração de óxido, formação de um caminho condutor através da camada isolante entre dois condutores ou semicondutores; os óxidos de porta são mais finos e, portanto, mais sensíveis. O transistor danificado mostra uma junção ôhmica baixa entre os terminais de porta e dreno.
Uma falha paramétrica altera apenas os parâmetros do dispositivo e pode se manifestar em testes de estresse; Às vezes, o grau de dano pode diminuir com o tempo. Os modos de falha latente de ESD ocorrem de maneira retardada e incluem:
• - Danos no isolamento devido ao enfraquecimento das estruturas isolantes.
• - Danos na junção, reduzindo a vida útil da portadora minoritária, aumentando a resistência à polarização direta e aumentando o vazamento de polarização reversa.
• - Danos por metalização devido ao enfraquecimento do condutor.
Falhas catastróficas exigem as tensões de descarga mais altas, são as mais fáceis de testar e as mais raras de ocorrer. As falhas paramétricas ocorrem em tensões de descarga intermediárias e ocorrem com mais frequência, então as falhas latentes são as mais comuns. Para cada falha paramétrica, existem de 4 a 10 falhas latentes.[15] Os circuitos VLSI modernos são mais sensíveis a ESD, com características menores, menor capacitância e relações tensão-carga mais altas. A deposição de silício das camadas condutoras torna-as mais condutivas, reduzindo a resistência ao lastro que tem função protetora.