18.3. Классификация отказов
Изучение отказов полупроводниковых приборов и интегральных микросхем показывает, что подавляющее число отказов происходит из-за дефектов металлизации и контактов, дефектов посадки кристаллов и разварки внутренних выводов, а также из-за изменения электрических характеристик приборов, за которые ответственна активная область полупроводниковой структуры.
Известно, что любой невосстанавливаемый технический объект, в нашем случае полупроводниковый прибор или интегральная микросхема, в период жизненного цикла может находиться в одном из трех состояний: исправном, работоспособном и неисправном (рис. 18.2). Переход из одного состояния в другое осуществляется через посредство таких событий, как повреждение и отказ. Например, в результате повреждения прибор из исправного состояния переходит с сохранением работоспособности в неисправное состояние, эквивалентное работоспособному, так как, несмотря на повреждение, прибор способен выполнять свои функции по прямому назначению. В результате события, называемого отказом, прибор из исправного и работоспособного состояния переходит в неработоспособное состояние, находясь в котором он становится непригодным для дальнейшего использования.
В зависимости от условий возникновения, характера отказа и причин, приводящих к неработоспособному состоянию, понятие отказа имеет множество разнообразных оттенков, которые целесообразно рассмотреть подробнее.
Прежде всего следует указать на то, что по характеру наступления отказы принято делить на постепенные и внезапные. Под постепенными понимают отказы, характеризующиеся постепенным изменением значений одного или нескольких заданных параметров прибора.
Постепенное изменение (отказы) электрических параметров полупроводниковых приборов и интегральных микросхем предопределено самой природой этих изделий. Дело в том, что активные области полупроводниковой структуры, пассивные элементы создаются в результате неравномерного распределения примесей в полупроводниковом кристалле, применения слоистых структур с резко отличающимися физическими характеристиками.
Рис.18.2. Схема взаимодействия состояний прибора и событий типа отказ и повреждение: 1 – переход прибора из исправного и работоспособного состояний в неисправное в результате отказа; 2 – переход прибора из исправного состояния в работоспособное в результате повреждения
Указанные особенности в сочетании с микроскопическими дефектами и несовершенствами превращают прибор в неравновесную систему, в которой неизбежны процессы упорядочения, ускоряемые воздействием тепловых и электрических режимов. Конечным результатом этих процессов является постепенное изменение электрических параметров приборов. Возможность изменения параметров и пределы этих изменений учитываются критериями отказа. В случае постепенных отказов критериями отказов являются указываемые в технической документации предельные значения изменений параметров, после достижения которых прибор считается отказавшим. Предельные изменения параметров приборов принимаются в расчет при конструировании аппаратуры, с тем чтобы исключить чувствительность ее выходных характеристик к этим изменениям.
В качестве примеров можно указать постепенные отказы приборов, происходящие в результате возрастания обратных токов р-п-переходов за счет токов утечек, уменьшения коэффициента усиления транзисторов, возрастания прямого падения напряжения диодов, изменения уровня нуля или единицы цифровых интегральных микросхем или порогового напряжения МДП-приборов.
Внезапные отказы характеризуются скачкообразным изменением одного или нескольких параметров прибора. Причинами внезапных отказов могут быть как естественные постепенные изменения в физической структуре прибора, которые при определенных условиях приобретают лавинообразный характер, приводящий к отказу, так и условия применения прибора в аппаратуре. При использовании прибора в электрическом режиме в его структуре могут возникать микроповреждения в результате локальных флуктуаций плотности тока и перегревов, которые, накапливаясь, при очередной неконтролируемой, кратковременной перегрузке приводят к внезапному отказу. Характерными примерами внезапных отказов являются короткие замыкания и обрывы в структуре прибора. Короткие замыкания возникают в результате пробоя диэлектрических изолирующих слоев или проплавления р-п-переходов, вызываемых перегрузками. За коротким замыканием, как правило, следует обрыв, так как в местах пробоя резко возрастает плотность тока, происходит значительный разогрев образовавшейся проводящей перемычки и ее перегорание.
Отказы приборов, возникающие в результате процессов, происходящих в их внутренней структуре, называют независимыми. Однако весьма часты случаи, когда приборы повреждаются в результате выхода из строя предохранителей цепей защиты от перегрузок, пассивных ограничительных элементов. Отказы приборов по указанным причинам называютзависимыми.
При рассмотрении причин выхода из строя полупроводниковых приборов и интегральных микросхем в аппаратуре необходимо установить степень зависимости отказа приборов от отказов других элементов. Это очень важно в интересах выбора мер устранения последующих отказов.
Особо сложным является распознание так называемых перемежающихся отказов, или многократно возникающих самоустраняющихся отказов одного и того же характера. Простейшим примером таких отказов являются сбои, возникающие в приборах из-за наличия в объеме герметичного корпуса проводящих частиц, способных создавать кратковременные замыкания между внутренними выводами и отдельными токопроводящими дорожками.
При анализе отказов весьма важно установить этап жизненного цикла прибора, явившийся первопричиной возникновения отказов. В этой связи различают конструкционные отказы, происходящие в результате ошибок и нарушений правил и норм конструирования в период разработки. При обнаружении такого отказа должны быть приняты соответствующие меры по доработке конструкции прибора, исключающие появление подобных отказов в последующих партиях приборов.
Под производственными отказами понимают отказы, возникающие в результате несовершенства процесса изготовления приборов или нарушений технологии.
Весьма широкий диапазон охватывают так называемые эксплуатационные отказы. Причинами, вызывающими этот класс отказов, могут быть неправильная оценка возможностей приборов при их выборе для создания аппаратуры, ошибки при ее конструировании. В результате приборы могут подвергаться перегрузкам в аппаратуре и преждевременно выходить из строя. При производстве аппаратуры электронные компоненты могут повреждаться в процессе входного контроля из-за неправильного выбора режимов измерений и испытаний, при монтаже в аппаратуру, из-за перегрузочных технологических режимов сборки. Наибольшее количество отказов приборов происходит в период использования аппаратуры у потребителей из-за нарушений установленных правил эксплуатации, неблагоприятных воздействий окружающей среды.
Рассмотренные выше термины нашли свое отражение в Государственных стандартах и нормативно-технической документации и являются обязательными при классификации отказов.
На практике используют и негостированные термины, придающие ту или иную окраску общепринятым определениям.
Например, широкое распространение получил термин систематический отказ. Под этим термином понимается многократно повторяющийся отказ, обусловленный дефектами конструкции изделия, нарушением технологического процесса его изготовления, низким качеством исходных материалов, ошибками в эксплуатации. Такие отказы проявляются, как правило, на участке I кривой интенсивности отказов (см. рис. 18.1), а также на участке III с соответствующим ускорением наступления износовых отказов во времени. На участке II систематические отказы могут выявляться в результате повторяющихся нарушений условий эксплуатации и ошибочных действий необученного персонала. Снижение числа систематических отказов или полное их исключение в последующих партиях приборов после осуществления корректирующих мероприятий свидетельствует об эффективности последних.
Существенным при рассмотрении отказов является определение количественных или качественных признаков отказов. Признаки, позволяющие установить факт нарушения исправного или работоспособного состояний, называются критериями отказа.
Для постепенных отказов, которые в технической литературе нередко называют параметрическими, или деградационными отказами, критериями являются уровни изменения электрических параметров, выше или ниже которых прибор, согласно технической документации, считается вышедшим из строя.