Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Диагностическое обеспечение качества ИС 13
1.1 Диагностирование ИС 13
1.2 Анализ дефектов и механизмов отказов 20
1.3 Статистическое описание отказов и распре деления дефектов 26
1.4 Программно-аппаратные средства диагностирования и контролепригодность ис 32
1.5 Функционально-стоимостной анализ диагностирования 36
1.6 Интеграция разработка - производство 40
1.7 Выводы 45
Глава 2 Методика сквозного диагностирования и обеспечение контролепригодности ИС на БМК 47
2.1 Контролепригодность и расчетопригодность конструкции БМК КР1580ХМЗ 49
2.2 Электрические параметры микросхем на БМК 56
2.3 Модели компонентов ИС 57
2.4 Тестовая и диагностическая ИС 62
2.5 Модель многомерного анализа электрофизических характеристик ИС 65
2.6 Метод контроля параметров и характеристик ис при контролируемом саморазогреве 73
2.7 Реализация микросхем на БМК КР1580ХМЗ 83
2.8 Выводы 83
Глава 3 Средства автоматизации контроля 86
3.1 Программно-аппаратный комплекс 86
3.2 Программное обеспечение 101
3.3 Метрологические характеристики метода 106
3.4 Выводы 111
Глава 4 Экспериментальные исследования 113
4.1 Практическая реализация ПАК 113
4.2 Анализ кристаллов ИС, изготовленных в рамках методики сквозного диагностирования 115
4.3 Диагностирование тепловых режимов ИС 117
4.4 Анализ и обоснование эффективности замены ЭТТ методами ДК 119
4.5 Выводы 122
Заключение 124
Список использованных источников 126
- Анализ дефектов и механизмов отказов
- Электрические параметры микросхем на БМК
- Программное обеспечение
- Анализ кристаллов ИС, изготовленных в рамках методики сквозного диагностирования
Введение к работе
лу нерентабельности, так как временные затраты на цикл разработки и изготовления ИС, оценки её качества способны затянутся до этапа морального старения изделия [5]. Преодоление традиционных подходов при проектировании заказных ИС практически невозможно в рамках существующей системы постановки изделий на производство [6].
В то же время определенную свободу действий предоставляет система реализации ИС на базовых матричных кристаллах (БМК) [7]. Также известная свобода действий предоставляется для корректировки и модернизации ИС, освоенных в серийном производстве, по которым накоплена достаточная статистика контроля качества [1-4].
Процесс разработки и изготовления полузаказных ИС на БМК вследствие формализации проектирования и стандартизации технологических процессов имеет ряд преимуществ над проектированием и изготовлением заказанных схем, что позволяет получить выигрыш в сроках проектирования и освоения ИС. БМК характеризуется устойчивостью конструкции и технологии изготовления. В частности, ИС на БМК серии КР1580ХМЗ сохраняют исходные параметры базовых элементов кристалла (реализация типономина-ла ИС определяется одним из десяти фотошаблонов), все типономиналы изготавливаются в рамках единой технологии. Сборочное производство ИС на БМК в силу неизменных размеров кристалла также стабильно, ИС изготавливаются практически в трех корпусных исполнениях. То есть, изготовление разных типономиналов ИС на БМК можно рассматривать в рамках одного технологического процесса с распространением показателей надежности и результатов испытаний на все типономиналы ИС по результатам испытаний одного. Кроме того, накапливаемая статистика результатов испытаний, в том числе температурных, позволяет произвести научно и технически обоснованную замену трудоемких прямых методов контроля диагностическими (в соответствии с [1-4]).
Введение 6
Обозначенные проблемы актуальны также в силу того, что большая номенклатура ИС на БМК, изготавливаемых в рамках единого технологического процесса, характеризуется рядом оригинальных электрических параметров и функциональных характеристик. Снижение трудоемкости контрольно-измерительных операций достигается внедрением диагностических методов контроля.
Дополнительно необходимо отметить, что воспроизводимость конструкций кристалла и микросхем, реализуемых на БМК, в течение всего производственного цикла и статистическая применимость результатов позволяет говорить о возможности сквозного диагностирования ИС: начиная от разработки, в процессе изготовления, и заканчивая отбраковочными испытаниями.
Таким образом, обеспечение низкой стоимости ИС на БМК, определяемой конструктивно-технологическими особенностями БМК, и поддержание высокого уровня качества возможно применением в производстве методов математической статистики и технического диагностирования.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности процессов контроля качества ИС на основе БМК.
Область исследования.
1.Исследование неразрушающих методов диагностирования ИЭТ по температурным режимам.
2.Разработка методики диагностирования ИС на БМК.
3.Разработка метода диагностирования ИС на БМК КР1580ХМЗ по температурным режимам.
4.Исследование и разработка средств диагностирования по температурным режимам.
5.Разработка программно-технического обеспечения средств диагностирования по температурным режимам и обработки экспериментальных результатов диагностирования.
Введение
Основные задачи исследований.
1. Анализ и моделирование конструктивно-технологических
факторов надежности.
Разработка методики диагностирования качества ИС на БМК КР1580ХМЗ в процессе разработки и изготовления.
Разработка и исследование физической модели теплофизических характеристик ИС в рамках предельно-допустимых режимов эксплуатации.
1.3.Разработка физической модели выхода годных изделий от значений конструктивно-технологических параметров и температуры. Установление в рамках модели многомерной области работоспособности изделия в координатах параметров технологического процесса и внешних воздействующих факторов, включая температурные воздействия.
2. Исследования и экспериментальный анализ.
Анализ результатов изготовления ИС с применением методов диагностирования в процессе разработки и изготовления.
Исследование теплофизических характеристик ИС, зависимости параметров ИС от температуры и режимов эксплуатации ИС.
Разработка метода и средств диагностирования по температурным режимам. Статистический анализ эффективности замены электротермотре-нировки (ЭТТ) методом температурного диагностирования. Определение метрологических характеристик метода и средств диагностирования.
Статистический анализ работоспособности модели выхода годных изделий по результатам исследования параметров тестовых модулей в диапазоне параметров режима и температур. Разработка тестовых модулей конструктивно-технологических элементов. Проектирование и реализация тестовых схем анализа входных, выходных и передаточных характеристик ИС. Измерение и контроль параметров тестовых модулей и микросхем в диапазоне параметров режима и температур.
Введение 8
Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные исследования. Теоретические исследования основаны на решении уравнений физики МДП транзистора, зависимостей параметров ИС от температуры и параметров технологического процесса. Теоретические результаты получены с помощью методов математического анализа, аналитических и численных методов решения уравнений. Математическое моделирование проводилось по унифицированным и оригинальным алгоритмам в программных пакетах FACT, PAROM, PCAD 4.5, MathCAD 2000, OrCAD v.9.2. (PSpice), Borland Delphi 6. При обработке расчетных данных использовались методы математической статистики, корреляционного и регрессивного анализа. Экспериментальные исследования проведены на оригинальных средствах измерения с использованием современных измерительной аппаратуры и устройств сбора данных, ориентированных на ПЭВМ. Программное обеспечение реализовано в среде Borland С 3.1 и включает в себя автоматизированный контроль параметров ИС, расчет корреляционных характеристик, управление периферийным оборудованием, ведение статистической базы данных измерений.
Научная новизна.
Разработана методика сквозного диагностирования качества ИС на БМК на всем цикле разработки и изготовления ИС.
Разработан метод контроля параметров и характеристик ИС при контролируемом саморазогреве.
Разработана модель многомерного анализа электрофизических характеристик ИС, выхода годных изделий по параметрам технологического процесса и внешних воздействующих факторов, включая температурные воздействия.
Разработан программно-аппаратный комплекс диагностирования и статистического анализа ИС и тестовых модулей, ориентированный на
Введение
ПЭВМ и обеспечивающий максимальную оперативность и минимальную себестоимость разработки ИС.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Практическая ценность работы состоит во внедрении в систему разработки и постановки на производство ИС на БМК системы технического диагностирования, позволяющей:
1.обеспечить оптимальный процент выхода годных изделий с прогнозируемыми характеристиками;
2.внедрить в технологический процесс изготовления ИС на БМК измеритель параметров и средства испытания, существенно снижающие трудоемкость изготовления и себестоимость изделий;
3.исключить дорогостоящие и долговременные методы контроля параметров и испытания ИС при внешнем нагреве за счет высокой достоверности, обеспечения полноты диагностирования при контролируемом саморазогреве;
проводить оперативный анализ годных и бракованных ИС в программно-аппаратном комплексе контроля параметров ИС, вести архив и протоколирование результатов контроля;
исключить дублирование испытаний конструкции отдельных типо-номиналов ИС на БМК за счет накопления статистических данных по результатам испытаний;
6.проводить анализ электрофизических параметров и процента выхода годных ИС по текущим параметрам технологического процесса и прогнозируемым температурным воздействиям.
Изложенные в работе результаты использованы при изготовлении ИС в ОАО "ОКБ "Протон" , ТОО "БМП" , ЗАО "Синтэк", ЗАО "Протон-Оптоэлектроника", ОАО "Протон", ЗАО "Протон", ЗАО "Протон-Импульс", ООО "Фирма "Додэка " - серия ИС управления ЦЗИ (КР1580ХМЗ-7773 , 7773N, 7773Р, 7774, 7776, 4511, 7777, 7777А, 4000, 4000.1, 4000А, 4000.1 А,
Введение
4100, 4100А, 0000, 7771, 7772, 05RG, 05RGU, 05DC, 05SC, 10RG10, 10RG20, 8RG10, 10RGRG), семейство ИС для управления мнемоническими индикаторами (КР1580ХМ5 - Markl, Mark2, МагкЗ, Mark4, 05RD, 05RF, КР1580БЦ1Т), семейство таймеров (КР1580ХМЗ - 0001, 0002, Stinol, Stin, 0019, 0020, 0022, 0024), семейство микросхем драйверов для ЭПРА (КР1580ХМЗ -0007S, 0007Y, 0035, 0035А). Разработанный диагностический комплекс введен в эксплуатацию в ООО "Фирма "Додэка" (г. Москва) и ЗАО "Синтэк" (г. Орел).
Апробация результатов работы . Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на: 4-ой Международной конференции "Распознавание-99" (г. Курск, 1999), Всероссийской научно-технической конференции "Диагностика веществ, изделий и устройств" (г. Орел, 1999), Международной научно-технической конференции "Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем" (г. Тамбов, 2000), 5-ой Всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (г. Красноярск, 2003) на научно-методических семинарах и конференциях кафедры ПТЭиВС ОрелГТУ.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работы и получено 4 авторских свидетельства на изобретения.
Основные положения. выносимые на защиту.
Методика сквозного диагностирования качества ИС на БМК при разработке и изготовлении ИС.
Метод контроля параметров и характеристик ИС при контролируемом саморазогреве. Метрологические характеристики метода. Статистическая оценка эффективности замены ЭТТ диагностированием ИЭТ по температурным режимам.
Модель многомерного анализа электрофизических характеристик ИС, выхода годных изделий по параметрам технологического процесса и
Введение
внешних воздействующих факторов, включая температурные воздействия. Результаты моделирования и экспериментальных исследований.
4. Программно-аппаратный комплекс диагностирования и статистического анализа ИС и тестовых модулей.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложения.
В первой главе приведен обзор диагностического обеспечения ИС; описаны тестовые ячейки; классификация параметров ИС, схем функционального контроля, режимов проведения технологических тренировочных испытаний. Проведен анализ дефектов и механизмов отказов ИС в процессе производства, испытаний и в эксплуатации; рассмотрены вопросы и факторы стимулирования развития дефектов для проявления отказов в процессе испытаний. Детально рассмотрены статистические методы анализа надежности как при описании жизненного цикла ИЭТ, так и при распределении дефектов. При описании автоматизированного контроля и анализе контролепригодности ИС рассмотрены вопросы роста требований к измерительному оборудованию в процессе развития технологий изготовления ИС. В главе приведен функционально-стоимостной анализ технологических испытаний, доказано возрастание роли испытаний в производстве ИЭТ и РЭА. В части рассмотрения интеграционных процессов разработки и производства подняты вопросы системного анализа всего цикла при постановке изделия на производство.
Во второй главе представлена методика сквозного диагностирования качества микросхем, реализуемых на БМК, в процессе разработки и изготовления ИС. В качестве физико-математического обоснования методики предложена модель взаимосвязи технологических и электрофизических параметров ИС, их зависимости от внешних воздействующих факторов и температуры. Данная модель позволяет анализировать режимы эксплуатации ИС, определить многомерную область работоспособности изделия в координатах технологических параметров, контролируемых параметров структуры ИС и
Введение
внешних воздействующих факторов (температуры). Уделено внимание вопросам реализации контролепригодности конструкции БМК серии 1580. Рассмотрены вопросы моделирования на всех циклах разработки и изготовления ИС, включая анализ конструкции и технологии по тестовому модулю и тестовой микросхеме. Дан краткий обзор семейства ИС, реализованных на БМК.
В третьей главе рассмотрены вопросы практической реализации системы технического диагностирования ИЭТ по температурным режимам, диагностического обеспечения (автоматизированные аппаратные и программные средства), произведен расчет метрологических характеристик метода.
В четвертой главе приведены результаты практической реализации программно-аппаратного комплекса; разбраковки ИС, изготовленных в рамках методики сквозного диагностирования, на программно-аппаратном комплексе. Проанализированы тепловые режимы ИС применительно к контролю параметров и технологическим диагностическим испытаниям. Произведена статистическая и технико-экономическая оценка эффективности замены электротермотренировки методами саморазогрева.
В заключении сформулированы основные результаты работы.
Анализ дефектов и механизмов отказов
Отказы микросхем связаны с наличием дефектов микросхем. По месту их возникновения в процессе разработки и изготовления ИС можно провести следующую классификацию причин снижения процента выхода годных [17]: проектные, технологические, случайные точечные дефекты.
Факторы проектирования, приводящие к возникновению дефектных ИС в процессе производства, сводятся к двум основным причинам - неправильный выбор технологических параметров и возможные вариации параметров в технологическом процессе относительно границ, учитываемых в процессе проектирования. Следует отметить, что применение САПР во избежание субъективного фактора; набор статистики по топологическим и электрофизическим параметрам конструкции, реально воспроизводимым в технологии; определение реальных границ вариации параметров в технологи исключают проявление факторов проектирования в увеличении дефектности ИС. Средством решения означенной проблемы является унификация элементов проектирования и производства — САПР и библиотечных элементов, конструкции и технологии.
В статье [18] указывается, что на долю отказов, связанных с конструкцией кристалла СБИС приходится около 45 % отказов. По аналитическим статьям [19, 20] нарушения технологических режимов вызывают как параметрические, так и катастрофические отказы. На этапе схемотехнического и топологического проектирования к отказам могут привести ошибки, связанные с нарушениями ограничений технического задания, некорректной фор Глава 1 мулировкой этих ограничений. По источнику [21] анализ проектирования логических схем показал, что ошибки, допущенные в результате неверного расчета условий функционирования, составляют около 30 % от общего числа, ошибки в спецификации — 20 %, а ошибки при конструировании и изготовлении - 50 %.
Контакты Кристаллические дефекты Взаимная диффузия между металлами и кремнием Токи утечки, зако-ротки Р,Е Окисная поверхность Разрыв в цепи Р(1,Е) Электромиграция Токи утечки в р-п переходах, зако-ротки и разрывы Е Проводники Наросты кремния, высокие ступеньки, царапины Выделение тепла Разрыв цепей Р,1,Е Электромиграция Разрыв цепей Е Механические перегрузки Закоротки, разрывы цепей 1,Е Примеси (загрязнения) Коррозия Разрыв цепей (А1), закоротки (Аи) (Р).Е Многослойная разводка ЛІ наросты (hillocks) Нарушение рельефа, электромиграция Закоротки электрической цепи Р,Е Соединение между кристаллом и корпусом Плохое присоединение проволочек Термическая усталость, механические напряжения Разрыв электрических цепей ],Е Избыточное прижимание проволочек Повреждения окисного слоя под контактом. А1 частицы Закоротки электрической цепи Р,1 Соединение между кристаллом и корпусом Взаимная диффузия Аи-А1 Разрыв электрических цепей Е Рассогласование коэффициента термического расширения проволочек и корпуса Термическая усталость Разрыв электрических цепей Е Малые углы между проволочками и подложкой Закоротки электрических цепей Р Плохое прикрепление кристалла Плохая теплопроводность Деградация 1,Е Термическое отключение Закоротка, разрыв цепей Е Примечание: Р - при производстве, I - на входном контроле, Е - при экс плуатации. Аналогичная классификация, связанная с дефектообразованием вследствие деградационных процессов, вызванных как недоработкой (ошибкой) конструкции и технологии, так и превышением режимов эксплуатации приведена в таблице 1.6 [23]. Глава 1 Таблица 1.6 -Типы процессов дефадации ИМС Тип дефекта Методы обнаружения Скопление дислокаций и дефектов упаковки в кристалле Травление и наблюдение в электронном или бинокулярном микроскопе, микрорадиометр для исследования теплового поля, электроизмерения Загрязнения в кремнии Бинокулярный, электронный или металлографический микроскоп, электронный микрозонд, дифракция рентгеновских лучей, масспектрометрия, газовая хроматография, течеискатели, электроизмерения Загрязнения в окисле и на поверхности окисла (ионы Na+, К , Li , Н+,0") Бинокулярный, электронный, металлографический микроскоп, электронный микрозонд, дифракция рентгеновских лучей, масспектроскопия, газовая хроматография, течеискатели, электроизмерения Пустоты у коллекторной контактной площадки биполярных транзисторов и стока МДП-транзисторов Визуальный контроль, радиография, рентгеноскопия, электронный микроскоп, электронная микрофотография, электроизмерения "Ямки травления" на границе AI-Si Химическое травление алюминия и наблюдение "ямок травления" в растровом электронном микроскопе, электроизмерения Поры - точечные отверстия в окисле Травление и микроскопическое исследование, электронный микрозонд, электроизмерения Микротрещины в окисле Травление и микроскопическое исследование, электронный микрозонд, электроизмерения Увеличение размеров окон в окисле Травление и микроскопическое исследование, электронный микроскоп Трещины через активную область Травление, микроскопическое исследование шлифов, электроизмерения Алюминий под слоем окисла S1O2 или защитного стекла Металлографический микроскоп, электроизмерения Посторонние металлические частицы внутри корпуса Металлографический микроскоп, электроизмерения Пустоты в терм оком прессионных контактах, хрупкость контактов Металлографический микроскоп, электронный микрозонд, электронный микроскоп, электроизмерения Пустоты в алюминиевой металлизации Визуальный контроль, радиография, рентгеноскопия, электронная микрофотография, электронный микроскоп, электро измерения Утончение металлизации Бинокулярный или электронный микроскоп, интерферометр, электроизмерения Отслоение, царапины металлизации Визуальный контроль, радиография, рентгеноскопия, электронная микрофотография, электронный микроскоп, электроизмерения Отслоение вывода от контактной площадки Визуальный контроль, рентгеноскопия, электроизмерения, вибратор-датчики напряжений Сужение проволочного вывода в области термокомпрессионного контакта Визуальный контроль, рентгеноскопия, электроизмерения, вибратор-датчики механических напряжений
Анализ таблиц 1.5, 1.6 показывает, что представленные дефекты приводят к отказам микросхем на разных стадиях жизненного цикла, в том числе при эксплуатации. Представленные в таблице 1.6 методы обнаружения возможны к применению только по факту проявления отказа после предварительной локализации его местоположения. Задачей производства является обнаружение дефекта на этапе технологических испытаний до отгрузки потребителю. Таким образом, сутью технологических испытаний является стимулирование развития дефекта до выхода потенциально негодного изделия из строя. В статье [17] рассмотрены физические механизмы развития дефектов, приводящих к отказам ИС, а так же факторы стимулирования развития деградации, представленные в таблице 1.7.
При анализе дефектов по месту и времени проявления в силу их случайного характера применимы законы статистики, облегчающие математическое описание процессов жизненного цикла изделия и надежности микросхем. Для анализа качества ВС применимы законы физики надежности.
Математическое описание распределений отказов описывается следующими законами [17]: интегральная функция распределения F(t), функция надежности R(t), функция плотности распределения вероятности f(t), интенсивность отказов X(t), среднее время наработки на отказ. Указанные характеристики изменяются в течение жизненного цикла изделия. Традиционная кривая, описывающая интенсивность отказов, представлена на рисунке 1.2 [13,21].
Электрические параметры микросхем на БМК
Предельно-допустимые и предельные режимы эксплуатации микросхем в корпусе 2101.8-1, собранные по вышеуказанной технологии, приведены в таблице 2.2. Модели компонентов БМК. Как было указано выше, микросхемы, реализуемые на БМК КР1580ХМЗ, в силу унифицированной конструкции библиотечных элементов кристалла имеют одинаковые параметры как внутренней структуры, так и входных и выходных каскадов. Таким образом, разработка модели элементов конструкции БМК позволит прогнозировать на этапе проектирования, как электрические характеристики ИС, так и надежностные в зависимости от режимов эксплуатации. Для разработки моделей элементов БМК выбрана программа PSpice программного пакета OrCAD v.9.2. БМК КР1580ХМЗ построен на МОП р- и п-канальных транзисторов, что позволило реализовать моделирование ИС на БМК в целом на основе модели МДП-транзистора.
Топологически БМК выполнен на четырех типах транзисторов расположенных попарно: п- и р-канальные транзисторы внутренней структуры; п-и р-канальные транзисторы выходных каскадов (кольцевые). Таким образом, в рамках унифицированной конструкции, опирающейся на модели базовых элементов конструкции, достигается прогнозирование характеристик конечного изделия.
Моделирование технологии БМК. Технологический маршрут изготовления БМК содержит до 200 технологических операций, в ходе которых неизбежны отклонения от режимов изготовления, приводящие в дальнейшем к вариациям параметров формируемой структуры и электрических параметров. Для отслеживания критических операций по технологическому маршруту выделены основные контрольные точки, для которых проводится моделирование технологического процесса с целью определения возможных параметров структуры БМК.
Основными операциями (приложение 2) являются операции имплантации, диффузии и окисления, которое также приводит к перераспределению имплантированной примеси [17, 57].
Решение данных уравнений, применительно к технологическому процессу, представленному в приложении 2, возможно только численными машинными методами, что было выполнено с применением программы FACT v.26.06.92.
По рассчитанным ключевым точкам технологического процесса методами прямого контроля (контроль размеров, глубин, сопротивления) собирается информация по фактическим параметрам технологического режима, что позволяет варьированием переменных программы FACT (время окисления, доза легирования, энергия легирования) компенсировать уход режимов технологического процесса на проведенных операциях.
Тестовая и диагностическая ИС разработаны в следующих целях. Тестовая ИС с тестовыми элементами включает в себя основные элементы структуры КМОП БМК КР1580ХМЗ, контроль параметров которых позволяет оценить технологический процесс и степень совпадения расчетных данных, полученных программой PSpice, с прогнозируемыми электрическими параметрами, получаемыми по факту изготовления. Диагностическая ИС является микросхемой, реализованной на БМК KPI580XM3, с максимальным использованием вентилей БМК. Данная микросхема является "наихудшим случаем", возможным к реализации на БМК, как конструктивно (максималь Глава 2 ное количество элементов), так и в плане электрических параметров (максимальный ток потребления, максимальная задержка распространения). Проведение квалификационных и периодических испытаний микросхемы на данной ИС позволяет распространить результаты данных испытаний на все микросхемы. В силу того, что БМК имеет строго определенную конструкцию (возможно изменение только одного слоя металлизации), тестовая микросхема реализована на кристалле БМК разводкой алюминия. Расположение контактных площадок совпадает с расположением площадок, представленных на рисунке 2.5. Назначение контактных площадок представлено в таблице 2.3.
Глава 2 технических требований к БМК на этой микросхеме обеспечивает лучшие параметры для всех других реализаций микросхем. Испытания по подтверждению надежности конструкции, проведенные на диагностической микросхеме, гарантируют параметры надежности для всех типономиналов микросхем.
Анализ конструктивно-технологических параметров в САПР при всех преимуществах в точности моделей и вычислений имеет существенные недостатки из-за отсутствия анализа промежуточных параметров моделей и из-за наперед заданной структуры входных и выходных данных. С целью анализа взаимосвязи технологических параметров и электрофизических параметров предлагается следующая физическая модель. Для расчетов выходного тока и его температурной зависимости применена модель [58, 59].
Программное обеспечение
Для работы с программно-аппаратным комплексом и разработанными моделями разработано следующее профаммное обеспечение. Профамма контроля параметров ИС серии КР1211 разработана в среде Borland С 3.1. Выполнение профаммы осуществляется в последовательности (рисунки 3.6, 3.7): Установка контроля тока потребления, контроль тока потребления. а) при включенном источнике Ucc производится выключение выходов ИС: - по входу IN: высокий уровень (Ucc); - по входу FV: низкий уровень (0 В); - по входу FC: импульс (далее - 0 В). б) отключение генератора: - включение питания (по AOl — 12,5 В); - отключение Ucc; - контроль тока потребления по AOl (менее 10 мкА). Контроль входных утечек. - задание по входам IN, FV, FC напряжения 12 В, контроль входного тока (менее 0,1 мкА); - задание по входам IN, FV, FC напряжения 0 В, конфоль входного тока (менее 0,1 мкА). Контроль функционирования. При конфоле функционирования производится измерение напряжения по выходам микросхемы All, А12 (сфобиро-вание) с записью данных измерений для последующих вычислений — чем ниже частота генератора микросхемы, выше частота стробирования, больше продолжительность конфоля функционирования микросхемы, тем выше точность измерений (больше статистических данных измерения).
Обработка результатов. Контроль функционирования: - данные измерений переводятся в цифровую форму — "0" при Uout Ucc/2 = 6.0 В, "1" при Uout Ucc/2 = 6.0 В; - пересчет в последовательности — в зависимости от частоты генератора и измерений последовательность измеренных напряжений преобразуется в последовательность "0" и Т\ которые следует перевести в количества Ni и N0; - расчет коэффициентов для каждого канала и типа ИС с учетом помех из-за наличия нагрузки: Тест выхода при IN="0" (п.2.3.1.) - Nr/ N0= 0,65 - 0,85 Тест выхода при IN=,T1" (п.2.3.2.) - N,/N0= 0,7-0,9 Глава З 104 - расчет стабильности частоты - для данной R1С1 и измерителя требуется набор статистики (достаточно совпадения данных по двум пластинам) по Ni и No, далее разбраковка по стабильности частоты проводится с учетом попадания измеренных данных ± 3 % от эталонных N] и N0; - контроль по тесту FC - при IN=1 после импульса по FC - оба выхода в "0" до установки IN=0 - контроль по тесту FV при IN- 0" при FV=1 оба канала - "0"; - контроль по тесту FV при IN— 1" при FV=1 оба канала - "0"; Контроль статических параметров: - для Uout Ucc/2 = 6.0 В - вычисляется среднее значение Uol (низкий уровень выходного сигнала) - норма не более 2,0 В; - для Uout Ucc/2 = 6.0 В - вычисляется среднее значение Uoh (высокий уровень выходного сигнала) - норма не менее 10,0 В; - симметричность каналов: для обоих каналов разница Uol и Uoh между собой не должна превышать 10-20 %.
Для дТж/дТокр ее значение (3.8) можно принять равным 1, так как при номинальном значении тока составляющем единицы наноампер и температуре 2 5 С второй член суммы практически равен нулю (при подстановке вместо значений тока и температуры норм на эти значения 10 мкА и ±10С соответственно значение второго слагаемого составляет -0,004 ... 0,014); значения третьего и четвертого слагаемого за счет д/оі/дТ0кр и д!оі/дТ0кр имеют еще меньший порядок.
Для дТис/д1Сс ее значение (3.9) также является постоянной величиной и составляет численно 996 К/А (при напряжении питания Ucc= 12 В и тепловом сопротивлении Rm = 83 К/Вт).
Для производной дТис/диСс ее значение (ЗЛО) определяется практически первым слагаемым, значения второго и третьего слагаемого за счет значений dloi/dUcc и dloi/dUcc пренебрежимо малы. Максимальное численное значение производной дТис/диСс определяется нормой на ток потребления {Ice - не более 10 мкА) и составляет 8,3 10"4 К/В.
Для производной dTjfC/dR{[ ее значение (3.11) является постоянной величиной и составляет численно 4,2 К/Ом (при симметричных выходных тока Ли. = Іон = 160 мА и тепловом сопротивлении Rm = 83 К/Вт).
Для производных дТис/dIoL и дТИс/д1он, определяемых по формулам (3.12) и (3.13) их значения составляют в силу симметричности выходов 2390 К/А. Таким образом, после подстановки численных значений выражение (3.2) выглядит следующим образом: ЬТнс = Т(ЖРУ +(99б-Д/(Г)2 +(8,3-10-4 -Д/,г)2 +(4,2-ДЛн)2 +2.(2390-Д/М )2 (3.14) Паспортная относительная погрешность определения и поддержания температуры термокриокамеры (рисунок 4.1 г) составляет ± 3 %, что для температуры окружающей среды 25С составляетЛТОКР = 0,75.
Для учета максимального вклада погрешности тока потребления следует принять максимальное значение Лісе-, определяемое нормой на ток потребления - 10 мкА, что для погрешности измерения температуры даст вклад в размере А Т/сс = 0)01 .
Паспортная относительная погрешность задания напряжения питания блока питания Б5-49 (рисунок 4.1 д) составляет ± 1,5 %, что для напряжения питания 12 В составляет A Ucc = 0,18 В. Вклад данной погрешности составляет ATUCC =1,5-10-4 По схеме диагностического метода (рисунок 3.9) сопротивление нагрузки нормируется величиной не менее 80 Ом (во избежание перегрева и выхода микросхемы из строя). Для ряда стандартных значений сопротивлений Е24 номинал резистора составит 82 Ом при относительной погрешности 5 %. Абсолютная погрешность для ряда Е24 и номинала 82 Ом составит -AR}{ = 4,1 Ом, что определит вклад в погрешность измеряемой температуры ATR}{ = 17. Для ряда стандартных значений сопротивлений Е96 номинал резистора составит 80,6 Ом при относительной погрешности 1 %. Абсолютная погрешность для ряда Е96 и номинала 80,6
Сменный блок (рисунок 4.1 г) предназначен для разбраковки корпуси-рованных ИС и включает контактное устройство для микросхемы, схемы стабилизации питающих напряжений и формирования нагрузок на микросхему. Внешние источники питания (рисунок 4.1 д) предназначены для формирования опорных напряжений питания.
Термокриокамера и устройство контактирования, представленные на рисунке 4.1 е, используются на предварительном этапе исследования для определения теплового сопротивления конструкции микросхемы.
Анализ кристаллов ИС, изготовленных в рамках методики сквозного диагностирования
Разработанный ПАК в составе с зондовой установкой ЭМ-6020 и интерфейсами связи был применен для разбраковки кристаллов микросхем KP1580XM3-0007S по схеме, приведенной на рисунке 3.6. Кристаллы изготовлены в рамках методики сквозного диагностирования, приведенной в приложении 4. Съем кристаллов с пластины представлен в таблице 4.1.
Полученный выход годных кристаллов - значительно выше среднего. При изготовлении микросхем без диагностирующих и корректирующих мероприятий процент выхода годных составлял 30 — 60 %, как в рамках одной партии (от пластины к пластине), так и от партии к партии. Внедрение сквозного диагностирования не только повысило процент выхода годных, но и сократило разброс выхода годных от пластины к пластине в рамках одной партии.
Анализ кристаллов годных по функционированию показал, что брака по несимметричности выходов, соотношению рабочих периодов не было; отход по статическим и динамически параметрам происходил по уходу опорной частоты встроенного генератора.
Разбраковка проводилась в стробоскопическом режиме (результаты получены в условных отсчетах). Гистограмма распределения частот для выборки 544 кристалла представлена на рисунке 4.2. Среднее значение частоты по выборке составляет 20293 отсчета, трехпроцентные границы составляют 19685 — 20902 отсчета. В данные границы попало 542 кристалла, что составляет 99,6 процентов от выборки. Микросхема включалась заданием напряжения питания 12 В, нагрузка 160 мА на выход подавалась от внешнего генератора с изменяемой длительностью импульса нагрузки.
Значения с термопары снимались аналоговым входом ACL-8216. В связи с небольшой массой термопары сравнительно с массой микросхемы (соответствующая пропорция и для теплоемкости) считалось, что время на разогрев термопары не затрачивается. Значения термопары были отнормиро-ваны по устойчивым показаниям температуры льда и кипящей воды (таблица 4.2), измеряемым ACL-8216, в условиях динамического равновесия (не менее 100 замеров).
Сигнал с генератора вводился в ACL-8216 через цифровой вход. В связи с тем, что фронт импульса генератора много меньше времени разогрева микросхемы считалось, что фронт генератора имеет пренебрежимо малую длительность, что в свою очередь позволяет его вводить через цифровой вход.
Сигналы с термопары и от генератора были синхронизированы по времени, что позволило оценить правильность расчетов теплового сопротивления и постоянной времени для микросхемы (2.12 — 2.14).
Статистическая оценка эффективности замены. Диагностический контроль (ДК) проводился согласно ранее описанной методике в соответствии с рисунком 3.9. Диагностический контроль и его оценка проведены в соответствии с [82] . Методы диагностического контроля разработаны для отбраковки дефектных изделий в составе отбраковочных испытаний взамен электротермотренировки (ЭТТ).
Алгоритм оценки эффективности замены ЭТТ методами ДК изделия заключается в сравнении эффективности ЭТТ и ДК. Оценка основана на косвенном сравнении доли дефектных изделий и характера распределения отказов по времени при проведении ЭТТ и ДК. Для получения предварительных статистических показателей для формирования выборки для проведения ДК проводится ЭТТ. Расчет минимальной выборки для проведения ЭТТ проводится по формуле математической статистики:
По значениям количества отказов на первом промежуточном замере 48 ч (di) и по окончании ЭТТ (d2) определяют верхнюю доверительную границу числа отказов с доверительной вероятностью 0.6 (dBi;px) и параметр формы распределения Вейбула ф) . Значения dBr,px и р приведены в [82] для d) = 3 и dj = 5 - dBEPx = 6.3, Р = 0.42.
По этим значениям рассчитывается доля дефектных изделий в общем количестве микросхем, прошедших ЭТТ: = ((- , + 1/-1), (4.3) п i31T где ці = 500 ч - продолжительность испытаний на безотказность; іотт = 168 ч - продолжительность ЭТТ ; Ку=1.0 - коэффициент ускорения связанный с различием режимов ЭТТ и испытаний на безотказность.
В ходе исследований и испытаний микросхем с применением программно-аппаратного комплекса получены следующие результаты. 1. Подтверждена работоспособность программно-аппаратного комплекса, проведены серийные операции по разбраковке кристаллов и микросхем. Глава 123 2. Результаты разбраковки микросхем показали увеличение процента выхода годных с небольшим разбросом параметров, что говорит об оптимальности конструкции и действенности моделирования в процессе разработки и сквозного диагностирования ИС. 3. Уточнены режимы "саморазогрева" микросхем для контроля параметров при повышенной температуре. 4. Предлагаемый диагностический метод с применением "саморазогрева" микросхем взамен ЭТТ является не менее информативным, чем ЭТТ, при этом более экономичным. Данные вывод подтверждается результатами статистической оценки, результатами анализа распределения отказов, организационно-экономическими аспектами проведения испытаний.
