COMPRENDAMOS

1. Introducción.

Los procesos de manufactura utilizados en la microelectrónica se han diversificado en los últimos anos, para mejorar las propiedades de conductividad eléctrica y térmica siguiendo los avances de la tecnología. En base a requerimientos de funcionamiento se han modificado los diseños de las micro estructuras de conectores y conexiones internas de los microcircuitos electrónicos, además de los procesos de manufactura en operaciones de limpieza y procesos de oxidación, principalmente [1, 2]. Con la técnica de SEM, se observan ciertas imperfecciones originadas por corrosión uniforme y por picaduras en diversos periodos estacionales, indicando que existe el riego de falla al fabricar los micro dispositivos con ese tipo de obleas corroídas. Además se realizó una correlación de factores climáticos en el equipo de prueba de calidad instalada en interiores de cuartos limpios de una empresa de Tijuana, donde se desarrolló el estudio. Esto se realizó a diversos niveles de humedad relativa (HR) y temperatura y relacionarlos con las intensidades de corriente eléctrica que indicaron el buen o mal estado de operación de los micro componentes [3,4]

2. Manufactura de MCI

La fabricación de micro dispositivos semiconductores es el proceso mas utilizado para crear los circuitos integrados que son muy utilizados en la vida cotidiana en equipos electro-electrónicos. Es una secuencia de múltiples pasos que conllevan al procesamiento del método de fotolitografía y análisis fisicoquímicos, durante los cual los circuitos electrónicos están siendo manufacturados gradualmente en una oblea de material semiconductor puro. El material que más utiliza en estos procesos es el silicio, en combinación con diferentes compuestos como el arsénico, vanadio, galio y molibdeno principalmente [5, 6, 7]. Estos micro dispositivos electrónicos, se utilizan en diversas aplicaciones especializadas como en las áreas militar, aeronáutica, medica, agrícola y telecomunicaciones. El proceso de fabricación, desde el inicio hasta los microchips envasados ​​listos para su envío a las empresas que los utilizan para fabricar equipos electrónicos, toma de seis a ocho semanas y se lleva a cabo en instalaciones altamente especializadas como lo son los cuartos limpios, que aun estando muy aislados, se genera el proceso de corrosión. Una oblea utilizada en los procesos de manufactura de microchips contiene en gran parte silicio y escala menor los elementos químicos mencionados anteriormente. Los materiales de los cuales se obtienen las obleas utilizadas n estos procesos están en forma cristalina como cubica centrada en las caras, además de estructuras amorfas y como poli cristales, que determinan su funcionamiento, siendo de manera circular de hasta 300 mm de diámetro usando el proceso Czochralski [8]. Estos materiales son cortados en obleas de aproximadamente 0.75 mm de espesor y pulido para obtener una superficie muy regular y plana.

2.1 Etapas de fabricación de MIC

Una vez que las obleas son preparadas, se requieren de varias etapas en sus procesos de fabricación, para producir los microcircuitos integrados semiconductores solicitados por las empresas que manufacturan los equipos comerciales [9, 10, 11]. En general, los pasos se pueden agrupar en dos partes principales:

1. Etapa inicial del proceso. Representa la primera etapa de fabricación donde los distintos micro componentes electrónicos como transistores, capacitores, bobinas, resistencias, diodos y otros, son ensamblados en el semiconductor formado por la oblea de silicio en un micro tablero electrónico. En este proceso se cubren generalmente las capas de deposición de las interconexiones metálicas, considerando las características necesarias para una fabricación adecuada y segura: selección del tipo de oblea a utilizar con el corte y aplanamiento de la oblea con su limpieza muy específica, moldeado de secciones de conductividad eléctrica y aislamiento y construcción de conexiones hacia los micro dispositivos.

2. Etapa final del proceso. Es la segunda y ultima etapa donde los micro dispositivos se interconectan con el cableado de la oblea. Representa el proceso que indica cuando la primera capa metálica cubre la oblea, incluyendo contactos eléctricos, capas aislantes (dieléctricos), diversos tipos de metales de conexión y las secciones donde se conectan hacia el exterior de las terminales que tendrán las conexiones con otros micro componentes electrónicos.

En la primera etapa, se tiene a la oblea con los micro componentes aislados entre si, y en la segunda fase, se construyen las ramificaciones de las conexiones eléctricas. En el proceso utilizado para formar los micro chips, se crea una superficie rugosa y montañosa, lo que genera un fácil desarrollo de la corrosión uniforme y por picaduras [12, 13, 14]. Esto hace difícil añadir mas capas de metal de interconexión y todavía mantener un buen rendimiento, generando fallas eléctricas que se reflejan al estar en las operaciones de prueba una vez manufacturados. Al ocurrir eso, se consideran como productos defectuosos y pérdidas económicas al requerir enviarlos a centros de reciclaje y no a los consumidores [15, 16, 17].

2.2 Métodos de manufactura de MCI

En la fabricación de dispositivos semiconductores, las diversas etapas de procesamiento se dividen en cuatro categorías generales [18, 19]:

1. Método de deposición., Es cualquier proceso que produce el crecimiento de películas delgadas o gruesas para mejorar las propiedades eléctricas, o de otro modo transfiere un material de depósito sobre la oblea. Las tecnologías disponibles consisten de deposición física de vapor (DFV), deposición química de vapor (DQV), deposición electroquímica (DEQ), epitaxia de haz molecular (EHM) y, más recientemente, la deposición de capa atómica (DCA), entre otros.

2. Proceso de eliminación. Se usa para eliminar material de la oblea ya sea a granel o de forma selectiva y consisten principalmente en procesos de grabado, ya sea grabado húmedo o en seco. La operación química-mecánica de aplanamiento (QMA) es también un proceso de eliminación utilizado entre los niveles.

3. Metodo de patrones. Cubre la serie de procesos que dan forma o alterar la forma existente de los materiales depositados y se refiere generalmente como la litografía. Por ejemplo, en la litografía convencional, la oblea se recubre con una sustancia química llamada un sustancia fotoresistente. Esta sustancia fotoresistente se expone por un paso a paso, una máquina que se centra, alinea y mueve la máscara, dejando al descubierto porciones seleccionadas de la oblea para luz de onda corta. Las regiones expuestas se eliminan por lavado por una solución de revelador. Después del grabado u otro procesamiento, la sustancia fotoresistente restante, se elimina mediante incineración plasma para controlar los agentes contaminantes.

4. Método de modificación de las propiedades eléctricas. Ha sido muy utilizado en los últimos años, que consiste de un proceso de dopaje en hornos de difusión y más tarde por implantación de iones. Estos procesos de dopaje son seguidos por la operación en un horno de recocido o por recocido térmico rápido (RTR) que sirven para activar los dopantes implantados. La modificación de las propiedades eléctricas se extiende también a la reducción de la constante dieléctrica de los materiales a través de la exposición a la luz ultravioleta.

2.3 Factores climáticos

La humedad y temperatura son los parámetros de clima que causan que se presente corrosión en los MCI, originando en ciertos periodos del año en ocasiones la condensación que genera películas húmedas visibles o invisibles. La humedad que por lo regular en la región marina donde está ubicada la ciudad de Tijuana es alterada por fenómenos naturales como lo son los vientos Santa Ana, que originan cambios drásticos desde el 30% hasta el 80% en periodos diarios [7]. Los cambios en los rangos de HR, provocan variaciones en la temperatura en los mismos periodos de la presencia de los vientos Santa Ana, modificándose a veces hasta en 2 C en interiores de la empresa donde se desarrolló el estudio. Esto ocurre principalmente en áreas cerradas sin ventilación, donde se almacena el material para la fabricación de los celulares y los productos finales. Estos cambios de clima, fueron parte esencial en la generación de la corrosión en los MCI de los celulares de esta empresa.

2.4 Contaminación atmosférica

Los contaminantes del aire en estado gaseoso y sólido comprenden pequeñas partículas de polvo de dióxidos de azufre (SO2), iones cloruro (Cl-) y óxidos de nitrógeno (NOX), que son capaces de penetrar en los interiores de plantas industriales, a través de los sistemas de filtrado de aire acondicionado, pequeños orificios y rendijas [19]. Estos contaminantes generan ambientes agresivos en combinación con variaciones de humedad y temperatura, ocasionando daños por la presencia de corrosión en los MCI. A pesar de la gran diversidad de sistemas de prevención y protección contra la corrosión, así como la aplicación de procesos estándares muy rígidos, llevados a cabo por la industria electrónica, la corrosión control no es fácil de controlar en determinadas regiones climáticas, sobre todo en las regiones marinas [9]. En ambientes marinos, la HR es de alrededor de 20% a 80% y temperaturas durante aumento verano a 35 º C y baja a 3 ° C en invierno. Estos factores, promovidas por fuentes antropogénicas y naturales, facilitan la corrosión de las interconexiones de los MCI.

2.5 Análisis con MatLab

La velocidad de corrosión de los MCI se correlacionó con el promedio mínimo y máximo de HR y Los valores de temperatura al aire libre en diferentes períodos estacionales, que afectan el clima interior de la planta industrial evaluada. La eficiencia de operación en el comportamiento de la conductividad eléctrica, de los MCI es una función de la cantidad de humedad, temperatura y contaminantes presentes en el ambiente interior [20, 21].

2.6 Corrosión en MCI

La presencia de corrosión en las secciones que conforman las micro conexiones de los MCI, es generada por la falta de control de microclimas en plantas industriales. Esto ocasiona que se presenten fallas eléctricas en los equipos electro-electrónicos, que es causa importante en las pérdidas económicas, no previstas por las empresas y pueden ocasionar desbalances financieros que perjudican al desarrollo de las empresas [22]. El estudio que se llevó a cabo en la ciudad de Tijuana en una empresa que fabrica celulares, mostró que la falta de control del clima (humedad y temperatura) y ambiental (presencia de cloruros y sulfuros) en los interiores de esta compañía y cualquier otra, es un factor que genera el fenómeno de corrosión. La figura 1 muestra un análisis de dos microfotografías de un micro circuito con uniones eléctricas por donde circula el flujo de electrones, observándose orificios y deterioro en las conexiones como resultado de la presencia de corrosión por picaduras y deterioro de las conexiones [23].

Figura 1. Microfotografías de conexiones eléctricas de MCI usados en teléfonos celulares (2011).

3. Metodología del estudio

La investigación realizada fue en una empresa de la ciudad de Tijuana considerada como zona marina del noroeste de la Republica Mexicana, que manufacturan micro sistemas electrónicos para teléfonos celulares. El estudio se realizo en dos etapas:

a) Se evaluó primeramente el rendimiento operativo de 10 MCI en buenas condiciones y 10 que presentaron fallas eléctricas por falta de conductividad eléctrica. La cantidad de fallas y en los periodos donde se presentaron, se correlacionó con las variaciones climáticas (humedad y temperatura) del interior de la empresa en diferentes periodos estacionales.

b) Se realizó una simulación con el programa MatLab para conocer el grado de deterioro de las interconexiones de los MCI, cuando presentó el proceso de corrosión en las obleas de silicio antes de ser manufacturados.

c) Se desarrolló un microanálisis de MCI con la técnica MBE y la espectroscopia EEA. Las evaluaciones mostraron el grado de deterioro de los MCI por el efecto de la corrosión.

4. Resultados

En la industria electrónica de Tijuana, se manufacturan diversos tipos de micro dispositivos equipos electrónicos dentro de las plantas industriales, produciendo grandes cantidades de productos que se venden en diferentes áreas de la Republica Mexicana y del mundo. Ocho de cada diez empresas de este producto del país, se dedican a la manufactura de MCI con sistemas electrónicos en su proceso de fabricación o tienen alguna relación con la industria electrónica.

4.1 Fallas eléctricas en MCI.

La industria electrónica labora con sistemas de alta tecnología y con métodos específicos y adecuados para reducir los costos y aumentar la productividad. El uso de MCI es para cubrir la mayoría de necesidades en el proceso industrial y en los productos manufacturados como lo es el caso de teléfonos celulares en este estudio (ISO, 1992, 2005, 2006). Con la incorporación de esta tecnología, control del proceso en tiempo real, el desarrollo de estrategias complejas estrategias, sugerencias en las áreas de producción y la adecuada gestión es importante en la toma de decisiones en las empresas. En cada proceso de manufactura, es necesario evaluar costos y beneficios, para tener el apoyo financiero aplicado en las áreas con mayor retribución económica. En este estudio, se correlacionaron las fallas eléctricas de los productos defectivos evaluados con los rangos de HR y temperatura en los estaciones de verano e invierno (Figuras 2 y 3) con el programa Mat Lab (Duncan et al, 2005). La evaluación se realizó en los interiores de la industria electrónica en instalada en Tijuana. Con este análisis, se conoció el grado de deterioro (DG) que se presentó en las obleas de silicio usadas en los MCI. Las figuras 3 y 4 muestran la correlación, mostrando con niveles de color rojo a una HR y temperatura de 71% y 42 °C como la intensidad mayor de deterioro y de olor azul oscuro los niveles de menor deterioro con rangos de HR de 62% y 22 °C. Los niveles de color amarillo indican que los MCI estaban en procedo mayor de deterioro pudiendo tomar medidas de protección rápidamente antes de llegar al color rojo mostrando que el 35% de los MCI se podían recuperar. Los niveles de color rojo representaron que ningún MCI se podían recuperar y el color azul-verde se podían recuperar el 65%, para evitar grandes perdidas económicas.

Figura 2. Correlación de fallas eléctricas de MCI con niveles de HR y temperatura en la planta industrial de Tijuana en verano (2011).

Figura 3. Correlación de fallas eléctricas de MCI con niveles de HR y temperatura en la planta industrial de Tijuana invierno (2011).

4.1Analisis de MBE y EEA

Los análisis de BE y EEA, mostraron el deterioro para determinar la morfología y los agentes que contribuyen al proceso de la corrosión, mostrando en conjunto los materiales usados en los MCI y los contaminantes del aire (cloruros y sulfuros) principalmente. La figura 4 muestra la micrografía de MBE y análisis de EEA para la estación de verano y la figura 5 para la época invernal. Las imágenes de las áreas seleccionadas indican como se observan a diferentes enfoques microscópicos. Los productos de corrosión principales
analizados son ricos en cloruros y sulfuros. El análisis de la composición química de las películas delgadas formadas en las interconexiones de los MCI, se muestran con la técnica de espectroscopia Auger (EEA). Estos contaminantes del aire generar ambientes agresivos
dentro de la industria electrónica y reaccionan con los MCI. Esto ocurrió en cuartos limpios observándose el deterioro de las obleas de silicio antes de ser ensambladas en ambos periodos del año.

La tabla 1 representa los porcentajes de los elementos químicos obtenidos del análisis de EEA. El nivel atómico del silicio y el oxigeno son los mayores por ser el material principal que debe ser oxidado para su ensamble y adecuado funcionamiento. Le siguen los elementos de aluminio, galio, fósforo, selenio, antimonio, cadmio y los agentes contaminantes cloro y azufre para ambas estaciones del año en los tres puntos evaluados. El carbono es detectado por la sensibilidad del equipo Auger del CO2 del ambiente.

Tabla 1. Porcentaje atómico (%) de elementos del MCI y agentes contaminantes (2011).

Época del año	Verano			Invierno
Elementos químicos	Punto A	Punto B	Punto C	Punto A	Punto B	Punto C
Se	7	8	8	8	9	9
Si	12	13	12	13	12	12
P	9	9	9	7	9	8
S	9	8	8	8	8	9
Cl	7	7	7	8	7	7
C	9	9	9	10	9	9
Cd	8	9	8	8	9	9
Sb	9	9	9	9	9	9
O	12	12	12	12	12	12
Ga	9	8	9	8	8	8
Al	9	8	9	9	8	8

5. Conclusiones

Los MCI son afectados por ambientes agresivos principalmente cloruros y sulfuros en la ciudad de Tijuana y disminuyen su eficiencia operativa y con ello la de los teléfonos celulares que se analizaron en la empresa de giro electrónico. Este estudio muestra la necesidad de evaluar y si es necesario reemplazar las obleas de silicio de los MCI de manera constante. La industria electrónica esta preocupada por la presencia de corrosión aun en cuartos limpios, siendo los lugares más seguros en la manufactura de este tipo de compañías, para evitar pérdidas económicas. La corrosión por picaduras estuvo presente en la época de verano por la dispersión de gotas de agua en las interconexiones de los MCI y la corrosión uniforme en el inverno por la películas de agua formadas. El control del microclima dentro de la industria de la electrónica es necesario y la revisión constante de la eficiencia operativa de los MCI, para mantener los procesos de fabricación con excelentes condiciones.