Confiabilidad y falla de materiales y dispositivos electrónicos

Sobre el Libro

Confiabilidad y falla de materiales y dispositivos electrónicos (Reliability and Failure of Electronic Materials and Devices) es un libro de 734 páginas escrito por Milton Ohring y Lucian Kasprzak. Fue publicado por la editorial Academic Press en el año 2014 en su segunda edición.

Descripción del Libro

Confiabilidad y falla de los materiales y dispositivos electrónicos es un trabajo de referencia bien establecido y bien considerado que ofrece una cobertura única de una sola fuente de la mayoría de los temas principales relacionados con el rendimiento y la falla de los materiales utilizados en los dispositivos electrónicos y el empaquetado de productos electrónicos. Con un enfoque en la predicción estadística de fallas y rendimientos del producto, este libro puede ayudar al ingeniero de diseño, al ingeniero de fabricación y al ingeniero de control de calidad a comprender mejor los mecanismos comunes que conducen a fallas en los materiales electrónicos, incluida la ruptura dieléctrica, los efectos de electrones calientes y la radiación. daño. Esta nueva edición agrega los conocimientos de vanguardia adquiridos tanto en los laboratorios de investigación como en la planta de fabricación, con nuevas secciones sobre plásticos y otros nuevos materiales de embalaje, nuevos procedimientos de prueba y nueva cobertura de dispositivos MEMS.

Cubre todos los tipos principales de degradación de materiales electrónicos y sus causas, incluida la ruptura dieléctrica, los efectos de los electrones calientes, las descargas electrostáticas, la corrosión y la falla de los contactos y las uniones soldadas.
Nuevas secciones actualizadas sobre “física de fallas”, sobre fallas inducidas por transporte de masa en cobre y dieléctricos de baja k, y sobre confiabilidad de conexiones de soldadura sin plomo / plomo reducido.
Nuevo capítulo sobre procedimientos de prueba, manipulación y selección de muestras y diseño experimental.
Cobertura de nuevos materiales de embalaje, incluidos plásticos y compuestos.

De la contraportada

Este libro presenta al lector la literatura de confiabilidad ampliamente dispersa de dispositivos microelectrónicos y electroópticos. Integra un tratamiento de los modelos de chips utilizados para explicar la degradación y el manejo estadístico de los datos de por vida. Entre los mecanismos de falla considerados se encuentran la electromigración, la ruptura dieléctrica, los efectos de los electrones calientes, las descargas electrostáticas, la corrosión, los daños por radiación y la falla mecánica de los contactos y las uniones soldadas. Un hilo subyacente del libro se refiere a los defectos del producto: su relación con el rendimiento y la confiabilidad, el papel que juegan en el fracaso y la forma en que se exponen experimentalmente. El libro se puede utilizar como un libro de texto avanzado de pregrado / posgrado para científicos de materiales e ingenieros eléctricos, y como referencia para los profesionales de la confiabilidad.

Características clave:

Analice la confiabilidad y las fallas tanto en los niveles de chip como de empaque.
Maneja el papel de los defectos en rendimiento y confiabilidad.
Incluye un capítulo tutorial sobre las matemáticas de la confiabilidad.
Se enfoca en electomigración, ruptura dieléctrica, efectos de electrones calientes, descarga electrostática, corrosión, daño por radiación y fallas mecánicas de paquetes, contactos y uniones soldadas.
Considera métodos de detección de defectos y técnicas de análisis de fallas.

Sobre el autor

El Dr. Milton Ohring, autor de dos libros de Academic Press previamente aclamados, The Materials Science of Thin Films (1992) y Engineering Materials Science (1995), ha impartido cursos sobre confiabilidad y fallas en la electrónica en Bell Laboratories (AT&T y Lucent Technologies). . Desde esta perspectiva y el estilo tutorial bien escrito del libro, el lector obtendrá una comprensión física más profunda de los mecanismos de falla en los materiales y dispositivos electrónicos; adquirir habilidades en el manejo matemático de datos confiables; y apreciar mejor las tendencias tecnológicas futuras y los problemas de confiabilidad que plantean.

Tabla de Contenido

Capítulo 1. Visión general de los dispositivos electrónicos y su confiabilidad.
Capítulo 2. Dispositivos electrónicos: cómo funcionan y se fabrican.
Capítulo 3. Defectos, contaminantes y rendimiento.
Capítulo 4. Las matemáticas del fracaso y la fiabilidad.
Capítulo 5. Fallas inducidas por el transporte masivo.
Capítulo 6. Daños inducidos por carga electrónica.
Capítulo 7. Daño ambiental a productos electrónicos.
Capítulo 8. Materiales de embalaje, procesos y tensiones.
Capítulo 9. Degradación de contactos e interconexiones de paquetes.
Capítulo 10. Degradación y falla de materiales y dispositivos electroópticos.
Capítulo 11. Caracterización y análisis de fallas de materiales y dispositivos.
Capítulo 12. Direcciones futuras y problemas de confiabilidad.

A continuación se muestra un extracto del libro:

Capítulo 1. Visión general de los dispositivos electrónicos y su confiabilidad

1.1. Productos electrónicos

1.1.1. Perspectiva historica

Nunca en la existencia humana los avances científicos y tecnológicos han transformado nuestras vidas más profundamente, y en tan poco tiempo, como durante lo que podría denominarse en términos generales la Era de la Electricidad y la Electrónica. * Del telégrafo en 1837 (que en cierto sentido era digital, aunque claramente electromecánico) para el teléfono y el teletipo, la televisión y la computadora personal, el teléfono celular y la cámara digital, y la World Wide Web (WWW), el progreso ha sido realmente impresionante. Todas estas tecnologías se han centrado en comunicar información a velocidades cada vez mayores. En contraste con las milenarias edades del metal de la antigüedad, esta edad tiene solo poco más de un siglo. En lugar de mostrar signos de disminución, hay pruebas de que su ritmo de progreso se está acelerando. Tanto en un sentido práctico como teórico, se puede argumentar que el origen de esta época se remonta a la octava década del siglo XIX. El legado de jugar con celdas voltaicas, electroimanes y elementos calefactores culminó con las invenciones del teléfono en 1876 por Alexander Graham Bell, y la bombilla incandescente 3 años después por Thomas Alva Edison. A pesar de que James Clerk Maxwell publicó su monumental obra Tratado sobre electricidad y magnetismo en 1873, los inventores probablemente no sabían de su existencia. Con poca “ciencia” para guiarlos, la innovación provino de personas maravillosamente creativas y persistentes que mejoraron gradualmente los dispositivos hasta el punto de funcionar de manera útil y confiable. Este fue el caso del teléfono y la lámpara incandescente, quizás los dos productos que más influyeron en el lanzamiento del uso generalizado de la electricidad. Después de que se iluminó la oscuridad y se demostró la comunicación a distancia, se hizo evidente la necesidad urgente de generadores y sistemas eléctricos para distribuir la electricidad. Una vez que esta infraestructura estuvo en su lugar, siguieron rápidamente otras invenciones y productos que capitalizaban los fenómenos electromagnético-mecánicos. Hoy en día, enviar mensajes de texto desde un teléfono celular ha reemplazado al telégrafo para la mejor conversación digital en tiempo real de persona a persona. Literalmente, el telégrafo de 1837 se ha convertido en mensajes de texto en 2007. Ambos usan letras para interactuar con alguien en el otro extremo (del cable, por así decirlo). La tasa es aproximadamente la misma, posiblemente una letra más o menos por segundo, cuando se considera la composición de los mensajes de texto, que es en tiempo real frente a lo predefinido en un formulario para el telégrafo. Tanto el telégrafo (1837) como los mensajes de texto (2007) tienen aproximadamente la misma tasa de entrada de datos de aproximadamente dos letras por segundo.

Independientemente de la invención particular, sin embargo, los materiales jugaron un papel crítico. Al principio, los metales conductores y los no metales aislantes eran los únicos materiales necesarios. Aunque estaba potencialmente disponible una cantidad razonable de metales y aislantes, pocos se produjeron en cantidad o tenían las propiedades requeridas. La lámpara incandescente es un buen ejemplo. En los 40 años anteriores a 1879, unos 20 inventores probaron una variedad de filamentos (por ejemplo, carbono, platino, iridio) en diversas atmósferas (por ejemplo, vacío, aire, nitrógeno, hidrocarburo). Pruebas frustrantes con espirales de carbono y filamentos compuestos de fibra carbonizada, alquitrán, negro de humo, papel, hilo de pescar, algodón y maderas variadas allanaron el camino hacia el logro supremo de Edison. Su patente reveló que el filamento que funcionó era cartón carbonizado doblado en forma de herradura. A pesar de que una industria basada en lámparas incandescentes creció rápidamente, los filamentos eran frágiles y difíciles de manejar. Los sobres de vidrio se oscurecieron rápidamente con el tiempo y las bombillas duraron poco. La salvación ocurrió alrededor de 1910 cuando se desarrolló el proceso Coolidge para fabricar alambre de filamento fino de tungsteno. Mucho más allá de un siglo después de la patente original de Edison, los filamentos continúan mejorando y la vida útil de la lámpara, y hoy en día utilizamos cada vez más diodos emisores de luz (LED) como la próxima generación de iluminación eficiente.

Con la capacidad de generar ondas electromagnéticas alrededor del cambio de siglo, nació la era de la electrónica de vacío. La invención de los tubos de vacío permitió generar, transmitir, detectar y amplificar ondas eléctricas, haciendo posible la comunicación inalámbrica. En particular, el tubo de vacío de tres electrodos inventado por Lee de Forest en 1906 se convirtió en la base de la electrónica durante la primera mitad del siglo XX. A lo largo de la segunda mitad del siglo XX, la electrónica ha sido transformada tanto por el transistor, que fue inventado en 1947, como por los circuitos integrados (1C), que apareció una década después.

1.2. Confiabilidad, otras “… ilidades” y definiciones

1.2.1. Confiabilidad

Anteriormente, definimos la confiabilidad como la probabilidad de operar un producto durante un período de tiempo determinado en condiciones específicas sin fallas. Claramente, la confiabilidad refleja el desempeño físico de los productos a lo largo del tiempo y se toma como una medida de su confiabilidad y confiabilidad futuras. Cada una de las palabras anteriores en cursiva es significativa y merece más comentarios.

Bajo probabilidad, incluimos el muestreo de productos para probar, el análisis estadístico de los resultados de las pruebas de falla y el uso de funciones de distribución para describir las poblaciones que fallan. Aunque no es factible predecir la vida útil de un componente electrónico individual, se puede estimar una vida útil promedio basándose en el tratamiento probabilístico de grandes poblaciones de componentes. Curiosamente, a menudo se pueden hacer proyecciones del comportamiento futuro sin una referencia específica al mecanismo físico subyacente de degradación.

La dependencia del tiempo de la confiabilidad está implícita en la definición y, por lo tanto, la variable tiempo aparece en todas las funciones de distribución de fallas que se definirán posteriormente. Los tiempos aceptables para una operación confiable a menudo se cotizan en décadas para los equipos de comunicaciones; en el caso de los misiles guiados, sin embargo, sólo unos minutos son de interés. La dependencia del tiempo de la degradación de alguna cantidad mensurable, como el voltaje, la corriente, la intensidad o la emisión de luz, es a menudo una preocupación fundamental, y a lo largo del libro se presentan ejemplos de cómo se modelan tales cambios.

La especificación de las pruebas del producto o las condiciones de operación es esencial para predecir la confiabilidad. Por ejemplo, elevar la temperatura es la forma universal de acelerar las fallas. Por lo tanto, hace una gran diferencia si la temperatura de prueba es 25% C, -25 * C o 125 €. De manera similar, otras especificaciones pueden ser el nivel de voltaje, humedad, etc., durante la prueba o el uso.

Por último, debe abordarse la cuestión de qué se entiende por fracaso. ¿Significa fractura real o rotura de un componente? ¿O significa algún grado de degradación del rendimiento? Si es así, ¿por cuánto? ¿Significa que no se cumple una especificación y, de ser así, la especificación de quién? A pesar de estas incertidumbres, generalmente se acepta que la falla del producto ocurre cuando no se está realizando la función requerida. Una medida cuantitativa clave de confiabilidad es la tasa de fallas. Esta es la velocidad a la que se puede esperar que un dispositivo o componente falle en condiciones de uso conocidas. Se hablará más acerca de las tasas de falla en el Capítulo 4, pero claramente esta información es importante tanto para los fabricantes como para los compradores de productos electrónicos. Con él, los ingenieros a menudo pueden predecir la confiabilidad que se puede esperar de los sistemas durante la operación. Las tasas de falla en los dispositivos semiconductores generalmente están determinadas por el diseño del dispositivo, el número de inspecciones de control de procesos en línea utilizadas, sus niveles de rechazo y el alcance de la detección posterior al proceso. Muy a menudo, el rendimiento de un CI depende fundamentalmente de las propiedades del material logradas durante un paso del proceso en particular. Esto requiere un control de proceso estadístico del proceso hasta límites cuidadosamente seleccionados que garantizarán las propiedades del material, de modo que el dispositivo funcione correctamente.

Por lo tanto, se requiere una caracterización extensa de cómo las propiedades del material dependen de las variables del proceso. Un ejemplo de esta sensibilidad se encuentra en la preparación de una capa de óxido de indio y estaño (ITO) extremadamente delgada (angstroms de espesor) utilizada para controlar la altura de la barrera a la inyección del portador en una superficie o interfaz utilizada para el contacto eléctrico. La altura de la barrera en la superficie del ITO depende críticamente de los detalles del proceso de preparación del ITO.

Fin del extracto.