¿Cuáles son los mecanismos de falla en un circuito integrado?

Dos modos inmediatos de falla son sobretensión y sobrecorriente.

1. Si tiene una entrada de alta impedancia como una puerta a un mosfet, entonces el alto voltaje (incluso a una corriente muy baja) causará un pinchazo en la puerta capacitiva del mosfet, ya que los electrones tienen suficiente energía para hacer que el dieléctrico se rompa . Una vez que esto ocurre, la resistencia de la entrada se reduce a casi nada y una alta corriente posterior de bajo voltaje calentará aún más y destruirá el mosfet. Este modo de falla es la razón por la cual hay protección ESD en muchos chips.
2. Sobrecorriente provoca sobrecalentamiento del dispositivo. Una vez que las temperaturas sean lo suficientemente altas como para comenzar a cambiar la estructura y / o la combustión de los semiconductores internos, comenzará a actuar de forma divertida, a trabajar de manera menos eficiente o a fallar completamente como abierto o corto.

Es posible que pueda pensar en la tensión inversa como otro mecanismo de falla, pero en general eso aún cae dentro de una de las otras dos categorías, solo es diferente en lo que pensar. Por ejemplo, si alguien invierte una fuente de alimentación en un circuito con un diodo, puede esperar que no haya corriente a través del diodo y en su lugar obtener una condición de sobrecorriente porque el diodo ahora estaría polarizado en forma directa.

Tenga en cuenta que es probable que los condensadores, resistencias e inductores (y cualquier otro elemento del circuito) se dañen de manera similar a los circuitos integrados de transistores, es decir, sobrecorriente y / o sobretensión.

Otros modos de falla de la electrónica en general se pueden encontrar aquí: enlace

Respuesta corta: la temperatura es el mayor problema en un circuito diseñado de otra manera.

Esta es una pregunta bastante amplia con un campo completo de ingeniería. Algunas referencias útiles se pueden encontrar navegando por las especificaciones de JEDEC (gratis). JEDEC es un organismo de estándares que ayuda a mejorar la calidad en toda la industria de los semiconductores. Casi todas las empresas siguen los criterios de JEDEC para la calificación para evitar que los defectos latentes, de fábrica o sistemáticos lleguen al campo.

Volviendo a su pregunta, algunos mecanismos principales de falla de los circuitos integrados que he observado o que he trabajado con la fábrica para mejorar:

1. Integridad del óxido de la compuerta MOS: el óxido contaminado puede alterar la TV, la temperatura o el voltaje pueden causar una ruta de conducción a través del óxido (penetración). Por lo general, se coloca mucha atención aquí durante las calificaciones del dispositivo.
   • Temperatura: este es el factor de aceleración número 1 en el modelo de Arrhenius que describe la confiabilidad del semiconductor. Si un IC diseñado para funcionar a una temperatura ambiente de 60 ° C se opera realmente a una temperatura ambiente de 100 ° C, la vida útil del dispositivo se reducirá drásticamente (varios años).
   • Voltaje: ESD, transitorios de voltaje, etc. pueden debilitar el óxido. El ESD se suele especificar y controlar bien en la fábrica. Los transitorios VGS a veces deben considerarse en el diseño.
2. Latchup: tiristor parásito activado por sobretensión o inyección de corriente. La mayoría de los dispositivos se especifican con algún nivel de inmunidad de latchup. Las resistencias de aislamiento y los diodos de sujeción pueden ayudar a mitigar esto dependiendo del tipo de latchup.
   • Sobretensión: Al tirar de un nodo de voltaje por encima de su riel de suministro positivo o por debajo de este, el riel de suministro negativo podría provocar un parásito que dañe el dispositivo.
     • Su ejemplo de resistencia de aislamiento suena como un evento de latchup que espera que suceda. Los diodos de pinza pueden ser más prudentes, especialmente si va a producir en masa el diseño.
   • Inyección de corriente: los picos de corriente transitoria, especialmente en los pines IO, también pueden activar el latchup.
   • Temperatura: por lo general reduce la inmunidad de retención.
3. Ciclo de temperatura: la expansión y la contracción debidas a los ciclos rápidos de encendido / apagado, dispositivos de alta corriente o voltaje, etc. pueden causar el desgaste de las capas / conexiones internas y externas del dispositivo.
   • Vacíos / Relleno: las capas metálicas internas del CI pueden "doblarse", causando vacíos entre capas (se abren) o rellenan (cortocircuitos), delaminación, etc. Obviamente, esto es lo mismo para los PCB's.
4. Temperatura / presión / humedad: puede causar corrosión galvánica, incluso falla de memoria cuando la humedad impregna los envases de plástico de los IC más populares. Esto generalmente se mitiga a través de la selección de material y "horneando" la humedad del dispositivo.

Esta es una especie de pregunta tonta. Una respuesta completa llenaría un libro. En el contexto de un diseño de tablero, la respuesta es irrelevante (explicaré más adelante). Pero sigue siendo una pregunta útil.

Siga la hoja de datos. En áreas especialmente notables, si el diseñador ha decidido decirle que NO aumente demasiado la tensión en el primer encendido demasiado rápido, no se vuelva creativo y decida que lo sabe mejor. Incluso si es una molestia diseñar una fuente de alimentación que se incremente lentamente. La mayoría de las indicaciones proporcionadas serán sutiles, si la hoja de datos es estridente, entonces realmente presta atención.

Hay muchos mecanismos de falla en los circuitos integrados, pero el impacto en el chip posteriormente requiere un conocimiento íntimo del funcionamiento interno. Puede tener un transistor defectuoso y puede que nunca se note o puede eliminar todo el chip. Incluso el diseñador puede no saberlo, el FMEA se realiza, pero generalmente solo en áreas clave (FMEA = Análisis de efectos del modo de falla).

El proceso impone muchas de las restricciones en el chip. La fundición dicta las prácticas de diseño, la ubicación, etc. y tienen un software que comprueba si hay violaciones. Otras limitaciones están operativas y se traducen directamente en voltajes máximos, requisitos de disipación de calor, dV / dt en señales, etc.

Debido al aumento en el costo, la complejidad del diseño y los efectos secundarios de hacerlo mal (retrasos en la programación, etc.), la mayoría de los diseños de chips tendrán la mayoría de las bases cubiertas. Pero hay excepciones notables cuando el proceso falló.

Por lo tanto, preguntar sobre los modos de falla del diseño del chip con respecto al diseño de la placa es como abrir el capó de su automóvil, quitar un perno al azar y preguntar "¿esto evitará que el auto funcione?" Si quitas el tapón del cárter de aceite, sí. si es uno de los varios tornillos redundantes en las cubiertas de la válvula - no. Donde la respuesta real es: "¡No quites los tornillos!".

Para algunos diseños, el diseñador de chips a veces pone "gotcha's" en el diseño que si el diseñador del tablero es inteligente hará que presten atención. La mejor interacción es cuando el chico de la pizarra dice "¿por qué pusiste esa señal en ese pin de allí, arruina la bla, bla, etc.?" estos son casi siempre el comienzo de conversaciones maravillosas y, por lo general, una interacción y amistad a largo plazo. La respuesta es generalmente "muy buena, sin embargo, esta es la señal de flujo en el chip, y si lo hiciste así ..." la respuesta siempre es un "Eureka".

Un IC no se sobrecalentará a menos que lo haya dañado o esté funcionando fuera de sus especificaciones. Sobrecorriente = cosas malas que ya están sucediendo, lo que solo tiene sentido. Un chip solo presentará una carga de cierto tamaño a una fuente de voltaje, esto significa una corriente fija. Decir que la sobrecorriente es lo que mata los chips es como decir que una fuente de voltaje fijo que acciona una resistencia fija podría tener una falla porque la resistencia podría sufrir un exceso de corriente. La sobrecorriente es un error / efecto , es NO una causa.