Fallas de componentes electrónicos para niños

Los componentes electrónicos son las piezas que forman los aparatos que usamos todos los días, como teléfonos, computadoras y televisores. A veces, estos componentes pueden dejar de funcionar, lo que llamamos una falla.

Las fallas pueden ocurrir por muchas razones. Algunas de las más comunes son:

• Demasiado calor.
• Mucha corriente eléctrica o voltaje.
• Golpes o vibraciones fuertes.
• Contaminación o problemas durante su fabricación.

Las fallas suelen ocurrir al principio de la vida de un componente o al final, cuando ya está muy viejo. Para detectar los componentes que fallan muy pronto, se les hace una prueba especial llamada "rodaje" o burn-in.

Los sistemas importantes, como los de aviones, equipos médicos o trenes, usan muchísimos componentes electrónicos. Estudiar cómo fallan ayuda a los ingenieros a diseñar aparatos más seguros y confiables. Por ejemplo, una pieza que funciona bien en tierra podría necesitar ser más resistente si se usa en un avión a gran altura.

A veces, una falla repentina puede causar otros problemas en el circuito. Si un componente se abre muy rápido en un circuito con bobinas (inductancia), puede generar picos de voltaje muy altos, que dañan otras partes. El sobrecalentamiento extremo también puede causar fallas repentinas, como que algo se derrita, se incendie o incluso explote.

Circuito integrado dañado en una computadora portátil. El sobrecalentamiento derritió su cubierta de plástico.

¿Por qué fallan los componentes?

Fallas por el encapsulado

El encapsulado es la cubierta protectora de un componente electrónico. Es como la piel del componente y lo protege del ambiente. Sin embargo, esta cubierta también puede fallar.

• Cambios de temperatura: Cuando la temperatura sube y baja, los materiales del encapsulado se expanden y contraen. Si los materiales no se expanden igual, pueden aparecer tensiones que causan grietas o que las conexiones se rompan.
• Humedad y químicos: La humedad y algunas sustancias químicas pueden corroer el encapsulado y las patitas del componente, dañando las partes internas y causando fallas eléctricas.
• Problemas de fabricación: Durante la fabricación, los cables internos pueden cortarse o tocar el chip. También pueden aparecer grietas en el chip por golpes o cambios bruscos de temperatura. A veces, quedan restos de material que causan cortocircuitos.
• Contaminación interna: Algunos gases o sustancias químicas pueden quedar atrapados dentro del encapsulado o liberarse si el componente se calienta demasiado. Estos pueden corroer las partes internas. Para detectar fugas, a veces se usa helio como gas de prueba.
• Movimiento interno: La expansión por calor puede hacer que el chip se mueva dentro del encapsulado, doblando o rompiendo los cables que lo conectan.

Algunos materiales usados en el encapsulado, como el fósforo rojo (que se usa para evitar incendios), pueden causar problemas. Si no están bien cubiertos, pueden reaccionar con la humedad y formar un ácido que corroa la plata, causando cortocircuitos entre las conexiones.

Fallas en los contactos

Los contactos eléctricos son los puntos donde se conectan los componentes. Deben tener una resistencia muy baja y estable para que la electricidad fluya bien.

• Resistencia inestable: Si los contactos no están bien apretados, vibran, se corroen o se cubren de óxido, su resistencia puede cambiar mucho. Esto puede hacer que se calienten y que el circuito falle.
• Soldaduras defectuosas: Las uniones de soldadura pueden fallar por el paso de la corriente o por la formación de capas frágiles. A veces, las fallas solo aparecen cuando la soldadura está a temperaturas extremas, lo que dificulta encontrar el problema.
• Estrés térmico: Cuando la placa de circuito impreso y el componente se calientan y enfrían a diferentes velocidades, la soldadura sufre tensión. Esto puede causar grietas en la soldadura, especialmente en componentes sin patitas que dependen de la soldadura para absorber esa tensión.
• Partículas sueltas: Pequeñas partículas de metal o suciedad pueden quedar dentro del componente y moverse, causando cortocircuitos intermitentes.

Fallas en placas de circuito impreso

Corrosión severa en una placa de circuito impreso debido a una batería con fugas.

Las placas de circuito impreso (PCB) son las "carreteras" donde viaja la electricidad en los aparatos. También son sensibles al ambiente.

• Corrosión y defectos de fabricación: Las pistas de cobre pueden corroerse o estar mal grabadas, causando cortocircuitos. Los agujeros (vías) que conectan las capas de la placa pueden no estar bien cubiertos.
• Daño mecánico: Las pistas pueden agrietarse si la placa se dobla o recibe golpes, lo que hace que el circuito funcione de forma poco confiable.
• Residuos: Los restos de soldadura o de otros materiales pueden causar corrosión o que la electricidad se escape entre las pistas.
• Humedad: Algunas sustancias pueden atraer la humedad, formando una capa conductora entre las pistas y causando problemas.
• Filamentos conductores: Pequeños "hilos" de metal pueden crecer dentro de la placa, especialmente si hay humedad y electricidad, causando cortocircuitos. Esto es más común con soldaduras sin plomo, que requieren temperaturas más altas.

Fallas de relés

Los relés son interruptores eléctricos que se abren y cierran. Cada vez que lo hacen, sus contactos se desgastan.

• Arco eléctrico: Cuando los contactos se abren o cierran, se forma un pequeño arco eléctrico (como un rayo en miniatura) entre ellos. Este arco genera calor y corriente, dañando los contactos y creando una capa de carbono.
• Vida útil limitada: Este desgaste reduce drásticamente la vida útil de un relé, que puede ser de solo 100,000 operaciones, mucho menos que su vida mecánica. A veces, los contactos pueden quedarse pegados.

Fallas en semiconductores

Los semiconductores son los "cerebros" de los componentes electrónicos, como los chips. Muchas de sus fallas generan calor o electrones "calientes" que se pueden ver con cámaras especiales.

• Defectos en el cristal: Pueden aparecer defectos en la estructura del cristal del semiconductor, especialmente con el calor, mucha corriente o la luz. Esto es más común en algunos tipos de LED.
• Cargas atrapadas: En algunos transistores, las cargas eléctricas pueden quedar atrapadas en la capa aislante, lo que cambia cómo funciona el transistor. Esto limita la cantidad de veces que se pueden borrar y escribir datos en memorias como las EEPROM.
• Corrosión: La humedad puede causar corrosión en los semiconductores y sus conexiones, lo que lleva a fallas con el tiempo.

Errores de parámetros

A veces, los componentes no fallan por completo, pero sus características cambian, lo que afecta el rendimiento del circuito.

• Resistencia no deseada: Las conexiones internas en los chips pueden tener una resistencia más alta de lo normal, lo que retrasa las señales.
• Defectos de metalización: Pequeñas reducciones en el ancho de las conexiones metálicas pueden no causar una falla inmediata, pero aumentan el riesgo de problemas a largo plazo, especialmente con el calor.
• Tolerancias del circuito: A veces, varios componentes están dentro de sus límites normales, pero juntos causan un problema. Esto puede manifestarse solo en ciertas condiciones, como altas velocidades o bajas tensiones.

Fallas de metalización

La metalización son las conexiones de metal dentro de un chip. Sus fallas son muy comunes y graves.

• Electromigración: La corriente eléctrica puede mover los átomos de metal, creando huecos o cortocircuitos. Esto puede cambiar las dimensiones de las conexiones y afectar el funcionamiento del transistor.
• Tensiones mecánicas: Las tensiones, las corrientes altas y los ambientes corrosivos pueden hacer que crezcan pequeños "bigotes" de metal que causan cortocircuitos.
• Nódulos de silicio: En algunas conexiones, los átomos de silicio pueden agruparse y formar nódulos, aumentando la resistencia y acortando la vida útil del componente.
• Degradación del contacto: La conexión entre el metal y el semiconductor puede deteriorarse, aumentando la resistencia y afectando el rendimiento.

Sobrecarga eléctrica

La mayoría de las fallas en semiconductores por estrés son causadas por el calor. Un aumento local de la temperatura puede derretir o vaporizar las capas de metal, o cambiar la estructura del semiconductor.

• Fuga térmica: Si hay puntos donde el calor no se disipa bien, la temperatura local sube, causando más daño y generando más calor.
• Voltaje inverso: Algunos componentes, como los diodos, están diseñados para que la corriente fluya en una dirección. Si se les aplica un voltaje demasiado alto en la dirección opuesta, pueden dañarse o fallar.
• Cortocircuito intencional: En algunos casos, un voltaje muy alto puede fundir una parte del componente, creando un cortocircuito. Esto a veces se usa para "programar" conexiones.
• Enganches: Un pulso de voltaje o corriente puede activar una parte "parásita" del chip, causando una sobrecorriente que daña el dispositivo.

Descarga electrostática

La Descarga electrostática (ESD) es cuando la electricidad estática (como la que sientes al tocar una puerta después de caminar sobre una alfombra) daña un componente. Puede causar fallas inmediatas, cambios permanentes o daños ocultos que causan problemas más tarde.

• Daño al aislante: La capa aislante (óxido) dentro del chip puede romperse si el campo eléctrico es demasiado fuerte. Esto es más común en los transistores más pequeños.
• Daño a las uniones: Las uniones del semiconductor pueden dañarse, aumentando las fugas de corriente o causando cortocircuitos.
• Daño a la metalización: Las conexiones metálicas pueden derretirse o vaporizarse, interrumpiendo el circuito.

Las fallas por ESD pueden ser:

• Catastróficas: El componente deja de funcionar de inmediato. Son las más fáciles de detectar.
• Paramétricas: Los parámetros del componente cambian, pero sigue funcionando, aunque no tan bien.
• Latentes: El daño no se ve de inmediato, pero el componente se degrada más rápido y falla después de un tiempo. Son las más comunes.

Los chips modernos son más sensibles a la ESD porque sus componentes son más pequeños y delicados.

Fallas de componentes pasivos

Los componentes pasivos son aquellos que no generan energía, como las resistencias y los condensadores.

Resistencias

Las resistencias controlan el flujo de corriente. Pueden fallar abriéndose (sin paso de corriente), cortocircuitándose (demasiada corriente) o cambiando su valor.

• Defectos de fabricación: Las conexiones internas pueden aflojarse, haciendo que el valor de la resistencia varíe.
• Delaminación: En las resistencias de montaje en superficie, las capas de diferentes materiales pueden separarse.
• Corrosión: Algunos materiales pueden corroer las resistencias, aumentando su valor.
• Crecimiento de dendritas: Pequeños "árboles" de cobre pueden crecer y causar cortocircuitos.

Potenciómetros

Los potenciómetros son resistencias ajustables. Además de las fallas de las resistencias normales, pueden tener problemas mecánicos.

• Desgaste: El contacto móvil y la pista resistiva pueden desgastarse, causando cambios intermitentes en la resistencia.
• Contaminación: Si no están bien sellados, la suciedad o la humedad pueden entrar y afectar su funcionamiento.
• Deformaciones: Los golpes o la tensión durante el montaje pueden deformar la carcasa y afectar el contacto.

Capacitores

Los condensadores almacenan energía eléctrica. Sus fallas más comunes son los cortocircuitos o las fugas de corriente.

• Falla del dieléctrico: La capa aislante entre los electrodos puede romperse por un voltaje excesivo o por el envejecimiento. Algunos condensadores pueden "autocurarse" vaporizando el material defectuoso, pero otros se cortocircuitan.
• Migración de materiales: Los materiales de los electrodos pueden moverse a través del aislante, creando caminos conductores.
• Cables rotos: Los cables de conexión pueden romperse por un manejo brusco, haciendo que el condensador quede "abierto" (sin conexión).
• Contaminación: Los residuos de soldadura o solventes pueden aumentar la pérdida de energía del condensador.

Condensadores electrolíticos

Los condensadores electrolíticos tienen un líquido (electrolito) en su interior y pueden fallar de estas maneras:

• Secado del electrolito: En los de aluminio, el electrolito puede secarse gradualmente, lo que reduce su capacidad y aumenta su resistencia. El calor excesivo acelera este proceso.
• Contaminación del electrolito: La humedad u otros contaminantes pueden corroer los electrodos.
• Liberación de gas: El electrolito puede producir gas, aumentando la presión dentro del condensador y, a veces, causando una explosión.
• Sobrecarga: Los de tantalio pueden dañarse permanentemente si se sobrecargan eléctricamente, lo que puede causar fallas.

Varistores de óxido de metal

Los varistores de óxido metálico protegen los circuitos de picos de voltaje. Si se calientan, su resistencia disminuye. Si se conectan directamente a la corriente y su voltaje de activación baja, pueden sobrecalentarse y, a veces, explotar o incendiarse. Por eso, suelen usarse con fusibles para limitar la corriente en caso de falla.

Fallas en MEMS

Los sistemas microelectromecánicos (MEMS) son dispositivos muy pequeños con partes móviles.

• Adherencia: Las partes móviles pueden pegarse debido a la fricción. A veces, un pequeño golpe puede restaurar su funcionamiento.
• Partículas: Pequeñas partículas pueden entrar en el sistema y bloquear el movimiento o causar cortocircuitos. El desgaste de las piezas también genera estas partículas.
• Fracturas: Las partes mecánicas pueden romperse.
• Fatiga del material: Las estructuras que se mueven repetidamente pueden agrietarse con el tiempo.
• Carga dieléctrica: La acumulación de carga eléctrica puede cambiar el funcionamiento del dispositivo o causar fallas.

Véase también

En inglés: Failure of electronic components Facts for Kids