Podręcznik

6.3. Defekty i uszkodzenia eksploatacyjne

Defekty mogą też powstać w układzie w trakcie jego eksploatacji. Takie defekty w układach prawidłowo zaprojektowanych, prawidłowo wykonanych i prawidłowo eksploatowanych są, jak wiemy, niezwykle rzadkie.  We współcześnie produkowanych układach scalonych są trzy główne mechanizmy uszkodzeń w trakcie eksploatacji: 

• elektromigracja powodująca przerwy ścieżek połączeń,
• naprężenia mechaniczne powodujące mechaniczne uszkodzenia płytki układu lub połączeń,
• degradacja właściwości elektrycznych tlenku bramkowego wywołana "gorącymi" (wysokoenergetycznymi) nośnikami ładunku.

Elektromigracja polega na przemieszczaniu się atomów metalu pod wpływem silnego strumienia nośników (czyli prądu o dużej gęstości). Podlegają jej zwłaszcza połączenia aluminiowe (aluminium jest, jak wiemy, bardzo miękkim metalem, czyli jego wiązania międzyatomowe są słabe). Elektromigracja jest procesem, który bardzo nasila się przy podwyższonej temperaturze. Atomy aluminium są powoli przemieszczane z miejsc na ścieżce, gdzie gęstość prądu jest największa (a więc tam, gdzie ścieżki mają zmniejszony przekrój poprzeczny, na przykład są zwężone) do sąsiadujących z takimi miejscami innych fragmentów ścieżki. Po pewnym czasie w miejscu przewężonym ścieżka ulega przerwaniu. Producenci układów podają maksymalną gęstość prądu w ścieżkach, której nie wolno przekraczać. Gęstość ta jest funkcją maksymalnej temperatury, w jakiej pracować ma układ. Projektant nie tylko powinien projektować ścieżki o szerokościach dostosowanych do prądów w nich płynących, ale także starać się, by kształty ścieżek były możliwie jak najprostsze, bez zbędnych załamań i przewężeń.

Naprężenia mechaniczne są zwykle wywołane błędami lub wadami produkcyjnymi w montażu układów w obudowach. Przykładowo, użycie niewłaściwego lutu do przylutowania płytki układu do metalowej podstawki może powodować powstawanie naprężeń mechanicznych przy zmianach temperatury na skutek dużych różnic rozszerzalności cieplnej krzemu i metalu. Takie naprężenia mogą powodować mikropęknięcia w płytkach bądź w połączeniach i w konsekwencji uszkodzenie układu. 

Degradacja właściwości tlenku bramkowego jest wywołana bombardowaniem tlenku przez nośniki uzyskujące dużą energię w polu elektrycznym. Ten rodzaj uszkodzeń jest typowy zwłaszcza dla tranzystorów stanowiących komórki pamięci w pamięciach typu EEPROM i flash. Była o tym mowa wcześniej (punkt 4.2.6).

Ponieważ uszkodzenie może wystąpić w układzie w czasie jego eksploatacji, problem testowania to nie tylko problem zbadania układu tuż po jego wyprodukowaniu, ale w niektórych przypadkach także problem sprawdzania poprawności działania układu w czasie, gdy układ działa w urządzeniu. Dotyczy to urządzeń i systemów, których uszkodzenie może wywołać wielkie i nieodwracalne szkody, na przykład katastrofę lub utratę ludzkiego życia.