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AFFIDABILITA' DI COMPONENTI E SCHEDE ELETTRONICHE-sez 5 1 5. LE PROVE ACCELERATE 5. LE PROVE ACCELERATE Ed.1 del 14/09/98 Rev. 3 del 08/09/00

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5.

LE PROVE

ACCELERATE

5.

LE PROVE

ACCELERATE

Ed.1 del 14/09/98Rev. 3 del 08/09/00

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PROVE ACCELERATE

TENDENZA PER GLI OBIETTIVI DI AFFIDABILITA’

TASSO DI GUASTO

1970: 1000-2000 FIT1980: 200-300 FIT1990: 50-100 FIT

2000: ? 10 FIT ?Crook, ESREF ‘91

FIT

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PROVE ACCELERATE

1 FIT = 1 GUASTO / 1 MILIARDO DI COMPONENTIPER ORA

• OBIETTIVO 100 FIT• COMPONENTI 100

TEMPO NECESSARIO > 100 ANNI

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PROVE ACCELERATE

IL TASSO DI GUASTO DEI COMPONENTI ELETTRONICI

E’ TIPICAMENTE COMPRESO TRA 10-10 E 10-7 h-1

UNA PROVA DI AFFIDABILITA’ CONDOTTA INCONDIZIONI DI FUNZIONAMENTO NOMINALI

SAREBBE LUNGA E COSTOSA

PROVEACCELERATE

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PROVE ACCELERATE

NORMALE FUNZIONAMENTO

PROVAACCELERATA

GUASTO GUASTO

PROVA ACCELERATA:COMPRESSIONE DELLA SCALA DEI TEMPI

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PROVE ACCELERATE

PROVAACCELERATA

Prova nella quale l’intensità della sollecitazione applicata

è scelta in modo da eccedere quella stabilita alle condizioni

di riferimento, allo scopo di ridurre il tempo necessario per

osservare l’effetto della sollecitazione sull’oggetto, oppure

di accentuare questo effetto in un dato tempo.UNI 8000

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PROVE ACCELERATE

•PROVOCARE ALTERAZIONI DEL MECCANISMO DI GUASTO•ACCELERARE ALTRI MECCANISMI DI GUASTO

UNA PROVA ACCELERATA NON DEVE:

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PROVE ACCELERATE

TRASFORMAZIONE DELLA SCALA DEI TEMPI

FATTORE DI ACCELERAZIONE

A

t AtN S=

ACCELERAZIONE LINEARE

f (t) 1A

f tAN S=

F (t) F tAN S=

λ λN S(t) 1

AtA

=

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PROVE ACCELERATE

F (t) F tAN S=

λ λ

NS

A=

DISTR. ESPONENZIALE

DISTR. LOGNORMALEDISTR. DI WEIBULL

α αN SA=β βN S=

t AtmN mS=σ σN S=

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PROVE ACCELERATE

COMPONENTI

PROVE ACCELERATE SU

SISTEMI

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PROVE ACCELERATE

•IN BASE ALL’ESPERIENZA SI SELEZIONAUN MODO DI GUASTO E QUINDI LO STRESSCHE LO ACCELERA

•L’OBIETTIVO E’ LA COMPRENSIONE FISICADEL FENOMENO

•SI POSSONO ESTRARRE MODELLI FISICI

COMPONENTI

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PROVE ACCELERATE

•IL LIMITE E’ POSTO DALLA ROBUSTEZZA DEL COMPONENTE PIU’ DEBOLE

•SI PREFERISCE FARE STRESS COMBINATI

•SI POSSONO ESTRARRE SOLO MODELLI EMPIRICI

SISTEMI

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PROVE ACCELERATE

AL CRESCERE DELLA COMPLESSITA’

DEI CIRCUITI INTEGRATI PUO’ ESSERE

RICHIESTO

CHE LA PROVA VENGA REALIZZATA SU

STRUTTURE DI TEST OPPORTUNAMENTE

PREPARATE ANZICHE’ SUL DISPOSITIVO

REALE

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PROVE ACCELERATE

LE UNITA’ UTILIZZATE NELLA PROVA

ACCELERATA SONO RACCOLTE IN MODO CASUALE

DALLA POPOLAZIONE DI INTERESSE E SONO

ASSEGNATE CASUALMENTE AI DIVERSI

LIVELLI DI STRESS

LA NUMEROSITA’ DEL CAMPIONE PUO’ESSERE:

- PREDEFINITA PER MOTIVI ECONOMICI O ALTRE

COSTRIZIONI

- SCELTA IN MODO ADEGUATO PER OTTENERE IL GRADO

DI PRECISIONE RICHIESTA

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PROVE ACCELERATE

• AMBIENTALI

• ELETTRICI

• MECCANICI

FATTORI DI STRESS

TEMPERATURAUMIDITA’

TENSIONECORRENTE

VIBRAZIONIURTI

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PROVE ACCELERATE

FATTORE 1

MECCANISMO 1

MECCANISMO 3

MECCANISMO 2

MECCANISMO 1

FATTORE 2

FATTORE 1

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PROVE ACCELERATE

STRESS COSTANTE STRESS A GRADINO

TEMPO

STR

ESS

TEMPO

STR

ESS

VANTAGGI• SEMPLICE DA ESEGUIRE• MODELLI MEGLIO SVILUPPATI• TECNICHE DI ANALISI DATI PIU’

SEMPLICI

VANTAGGI• GUASTO VELOCE

SVANTAGGI• MODELLI PIU’ COMPLESSI• ACCELERAZIONI PER DIVERSI

MECCANISMI DI GUASTO

∆T ∆T ∆T

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PROVE ACCELERATE

STRESS PROGRESSIVO STRESS CICLICO

TEMPO

STR

ESS

TEMPO

STR

ESS

VANTAGGI• GUASTO VELOCESVANTAGGI

• MODELLI PIU’ COMPLESSI• ACCELERAZIONI PER DIVERSI

MECCANISMI DI GUASTO• DIFFICILE CONTROLLARE

LO STRESS

STRESS CASUALE

TEMPOST

RE

SS

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PROVE ACCELERATE

PROGRAMMAZIONE DI UNA PROVA ACCELERATA

• SELEZIONE DEI FATTORI DI STRESS• SCELTA E NUMEROSITA’ DEL CAMPIONE• LIVELLI E DURATA DELLO STRESS• DEFINIZIONE CRITERIO DI GUASTO• SCELTA MODELLO DI ACCELERAZIONE• MODO DI GUASTO ATTESO

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PROVE ACCELERATE

MECCANISMODI GUASTO

FATTOREDI STRESS

DIFFUSIONE • Temperatura• Gradienti di concentrazione

PERDITA DI ADESIONEE DELAMINAZIONE

• Temperatura• Umidità

CORROSIONE • Temperatura• Umidità• Contaminanti

ELETTROMIGRAZIONE • Densità di corrente• Temperatura

ROTTURA DIELETTRICI • Tensione• Temperatura

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LE NORME SULLE PROVE

1. JEDEC STANDARDS: JESD22

2. MIL: MIL-STD-883E

3. IEC: IEC 749

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TEMP CICLITEMP

CICLIPOT

UMID BIAS

TEMP A103/B1061008

A101/A102A110

A101/A1101005/1006

CICLITEMP

A104/A1061010/1011

A105 A100 A1001007

CICLIPOT

A105

UMID A101/A102A110

A100 A1121004

A100/A101A110

BIAS A101/A1101005/1006

A1001007

A100/A101A110

A1081005/1006

LE NORME SULLE PROVE

MILJEDEC

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LE NORME SULLE PROVE : TEST MECCANICI

JEDEC (www.jedec.org)•B103 - VIBRATION, VARIABLE FREQUENCY

•B104 - MECHANICAL SHOCK

MIL (www.dscc.dla.mil)•2001 - CONSTANT ACCELERATION

•2002 - MECHANICAL SHOCK

•2005/6/7 - VIBRATION

•2011 - BOND STRENGTH

•2027 - SUBSTRATE ATTACH STRENGTH

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FATTORI DI STRESS

FATTORI DISTRESS

MODELLI

TEMPERATURA ARRHENIUSTEMPERATURA+BIAS EYRINGCICLI TEMPERATURA COFFIN-MANSONCICLI POTENZA COFFIN-MANSONTEMPERATURA EUMIDITA’

PRESSIONE DI VAPOREREICH HAKIMEYRINGPECK

TENSIONE/CORRENTE EYRING

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FATTORE DI STRESS: TEMPERATURA

I MECCANISMI DI GUASTO DI MOLTICOMPONENTI ELETTRONICI SONO ATTIVATI

DALL’AUMENTO DELLA TEMPERATURA

AUMENTARE LA TEMPERATURA E’ QUINDIUN METODO MOLTO COMUNE DI REALIZZARE

UNA PROVA ACCELERATA

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FATTORE DI STRESS: TEMPERATURA

R R EkT

a= −

0 exp

LEGGE DI ARRHENIUS: DESCRIVE LA CINETICA DI UNA REAZIONE CHIMICA

R - VELOCITA’ DI REAZIONER0 - COSTANTEEa - ENERGIA DI ATTIVAZIONE DELLA REAZIONE [eV]k - COSTANTE DI BOLTZMAN [eV/K]T - TEMPERATURA ASSOLUTA [K]

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FATTORE DI STRESS: TEMPERATURA

R1 R2

t1 t2

VALORE INIZIALE

CRITERIODI GUASTO

PAR

AM

ETR

O

t Cexp EkTf

a=

t Cexp EkTN

a

N

=

t Cexp E

kTSa

S

=

TN TS

A tt

exp Ek

1T

1T

N

S

a

N S

= = −

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FATTORE DI STRESS: TEMPERATURA

Ea - ENERGIA DI ATTIVAZIONE

A - COEFFICIENTE DI ACCELERAZIONE

DIPENDENZA DEL FENOMENO DALLA T

DIAGRAMMA DIARRHENIUS

=

kTECexpt a

1,9 2,0 2,1 2,2 2,310

100

1000

MTF

(h)

1000/T (1/K)

Ea= 0.7094 eV∆R/R=10%

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ESEMPIO

GaAs MESFET4 PROVE REALIZZATE A TEMPERATURATRA 70°C E 125°C PER CIRCA 20.000 hCON DISPOSITIVO ALIMENTATO

DISP. Tj (°C)1 1752 1953 2104 230

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ESEMPIO

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ESEMPIO: TASSO DI GUASTO A T AMBIENTE

t(h)

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GRAFICO DI GOLDTHWAITE

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FATTORE DI STRESS: TEMPERATURA + BIAS

SE LA TEMPERATURA E’ COMBINATA AD UN SECONDOFATTORE DISTRESS IL MODELLO DI ARRHENIUS NON E’ PIU’ UTILIZZABILE

MODELLO DI EYRING

t AT exp EkT

exp B CT

Sma=

+

α

A, αααα, B, C - COSTANTIEa - ENERGIA DI ATTIVAZIONES - STRESS (ES. TENSIONE)k - COSTANTE DI BOLTZMAN [eV/K]T - TEMPERATURA ASSOLUTA [K]

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FATTORE DI STRESS: UMIDITA’

TEMPERATURACOSTANTE

CICLI DITEMPERATURA

UMIDITA’

BIAS

3

12

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FATTORE DI STRESS: UMIDITA’

1- ACCELERATED MOISTURE RESISTENCEUNBIASED AUTOCLAVE

JESD22-A102-B

T=121°CPressione del Vapore=15*105 PaRH=100%

CONDIZIONIDI PROVA

DURATA(h)

A 24B 48C 96D 168E 240F 336

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FATTORE DI STRESS: UMIDITA’

2- STEADY STATE TEMPERATURE HUMIDITYBIAS LIFE TEST (THB 85/85)

EIA/JESD22-A101-B

T=85°CRH=85%DURATA=1000 h

BIASCONTINUA

CICLICA

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AFFIDABILITA' DI COMPONENTI E SCHEDE ELETTRONICHE-sez 5 37

FATTORE DI STRESS: UMIDITA’

3- CYCLED TEMPERATURE HUMIDITYBIAS LIFE TESTJESD22-A100-A

RH=90-98%DURATA=1008 h BIAS

CONTINUA

CICLICA

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FATTORE DI STRESS: UMIDITA’

HAST: HIGHLY-ACCELERATED TEMPERATURE AND HUMIDITYSTRESS TEST (EIA/JESD22-A110-A)

THB 85/85 DURATA 1000 ORE

T=130°C RH=85% DURATA=96 h

BIASCONTINUA

CICLICA

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AFFIDABILITA' DI COMPONENTI E SCHEDE ELETTRONICHE-sez 5 39

FATTORE DI STRESS: UMIDITA’

MODELLIPARAMETRI

DI AFFIDABILITA’CONDIZIONI DI STRESS

(UMIDITA’ E TEMPERATURA)

• MODELLO DELLA PRESSIONE DI VAPORE• MODELLO DI REICH HAKIM• MODELLO DI EYRING• MODELLO DI PECK

QUALE MODELLO UTILIZZARE?? ??

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FATTORE DI STRESS: UMIDITA’

MODELLO DELLA PRESSIONEDI VAPORE

t Aexp BV Km

p

=−

tm - VITA MEDIANAA, B - COSTANTIK=131 mmHgVp - PRESSIONE

DEL VAPORE PollinoVITA MEDIANA (h)PRE

SSIO

NE

DE

L V

APO

RE

(mm

Hg)

10 102

102

10510410310

103

104

85°C/90%

30°C/75%

121°C/100%

VITA MEDIANA

PRESSIONE DEL VAPORE

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FATTORE DI STRESS: UMIDITA’

MODELLO DI REICH HAKIMVITA MEDIANA

SOMMA T (°C) + RH (%)

( )[ ]t exp- A+B T+RHm =

T(°C)+RH(%)

VIT

A M

EDIA

NA

(h)

102

10

103

104

106

105

140220 180 100

85/85

120/100

Pollino

80/65

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AFFIDABILITA' DI COMPONENTI E SCHEDE ELETTRONICHE-sez 5 42

FATTORE DI STRESS: UMIDITA’

MODELLO DI EYRINGVITA MEDIANA

•TEMPERATURA•UMIDITA’ RELATIVA

t Aexp EaKT

* exp BRH * Ecam =

tm - VITA MEDIANA

A, B - COSTANTI

RH - UMIDITA’ RELATIVA

Eca - CAMPO ELETTRICO NELLA ZONA DI POSSIBILE CORROSIONE

MODELLO DI ARRHENIUS

A exp EaK

1T

1T

B 1RH

1RHN S N S

= −

+ −

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AFFIDABILITA' DI COMPONENTI E SCHEDE ELETTRONICHE-sez 5 43

FATTORE DI STRESS: UMIDITA’

MODELLO DI PECKVITA MEDIANA

•TEMPERATURA•UMIDITA’ RELATIVA

( )t A RH exp EaKTm

-n=

A RHRH

exp EaK

1T

1T

S

N

n

N S

=

−

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AFFIDABILITA' DI COMPONENTI E SCHEDE ELETTRONICHE-sez 5 44

FATTORE DI STRESS: TENSIONE, CORRENTE

A, B, n - COSTANTI DA VALUTARESPERIMENTALMENTE

V - TENSIONEJ - DENSITA’ DI CORRENTE

t Aexp EkT

Vma -B=

t Aexp EkT

Jma -n=

t AVm-B=

EYRINGPOWER RULE

EYRING

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AFFIDABILITA' DI COMPONENTI E SCHEDE ELETTRONICHE-sez 5 45

SCARICHE ELETTROSTATICHE (ESD)

Improvviso trasferimento di elettroni tra due corpi a differente potenziale

MODELLI:

•Human Body Model (HBM)

•Charged Device Model (CDM)

•Machine Model (MM)

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AFFIDABILITA' DI COMPONENTI E SCHEDE ELETTRONICHE-sez 5 46

ESD TEST METHODS: HUMAN BODY MODEL (HBM)

MIL-STD-883EEIA/JESD22-A114-A

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AFFIDABILITA' DI COMPONENTI E SCHEDE ELETTRONICHE-sez 5 47

ESD TEST METHODS: MACHINE MODEL (MM)

JESD22-A115-A

I

t

HBM

MM

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AFFIDABILITA' DI COMPONENTI E SCHEDE ELETTRONICHE-sez 5 48

STRESS MECCANICI

CARICO MECCANICO(COSTANTE, VARIABILE)ACCELERAZIONE

CICLIDI TEMPERATURA

TIPI DI PROVE

VIBRAZIONE

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AFFIDABILITA' DI COMPONENTI E SCHEDE ELETTRONICHE-sez 5 49

STRESS MECCANICI: CICLI DI TEMPERATURA

MODELLO DI COFFIN-MANSON

N Af 1T

G(T )f max=

α

β

∆

Nf - numero di cicli per una data percentuale di guastif - frequenza del ciclo∆∆∆∆T - intervallo di temperaturaG - fattore dipendente dalla temperatura massima

raggiunta durante un ciclo (Tmax)Tmax - temperatura massima raggiunta durante il cicloA, αααα e ββββ - costanti

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AFFIDABILITA' DI COMPONENTI E SCHEDE ELETTRONICHE-sez 5 50

STRESS MECCANICI

DIFFICILE ESTRAPOLARE I RISULTATIALLE CONDIZIONI DI IMPIEGO(SOGLIE DI SOLLECITAZIONE)

OBIETTIVO: CONTROLLO DELLA STABILITA’DEI PROCESSI E DELL’INFLUENZA DEI DIFETTI

DI PRODUZIONE

DIFFERENZE RISPETTO ALLE PROVE ACCELERATE INTEMPERATURA ED UMIDITA’


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