Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Собственные шумы полупроводниковых изделий 11
1.1. Виды шумов 12
1.2. Физические модели возникновения низкочастотных шумов 17
1.3. Шумы полупроводниковых изделий 28
1.3.1. Шумы интегральных резисторов 28
1.3.2. Шумы интегральных диодов 30
1.3.3. Шумы биполярных транзисторов 34
1.3.4. Шумы МДП транзисторов 37
1.3.5. Влияние конструктивно-технологических факторов на уровень НЧ шума 40
1.3.6. Влияние внешних дестабилизирующих факторов на значение НЧ шума ИС 46
1.4. Возможности НЧ шума как прогнозирующего параметра надежности полупроводниковых изделий 52
Выводы к главе 1 57
Глава 2. Методы измерения параметров низкочастотного шума полупроводниковых изделий и их реализация 58
2.1. Установка для измерения низкочастотного шума 59
2.2. Устройство для измерения коэффициента у 63
2.3. Устройство для разбраковки полупроводниковых изделий по ампер- шумовым характеристикам 65
2.4. Установка для имитации воздействия электростатических разрядов 68
Выводы к главе 2 72
Глава 3. Способы определения потенциально ненадежных интегральных схем по параметрам низкочастотного шума 73
3.1. Разделение аналоговых ИС по надежности с использованием НЧ шума 74
3.2 Разделение цифровых ИС по надежности с использованием НЧ шума 81
3.3. Разделение ИС по надежности с использованием НЧ шума и термоциклирования 92
3.4. Использование коэффициента а для диагностики ППИ 96
Выводы к главе 3 99
Глава 4. Диагностический контроль надежности интегральных схем с использованием шумов и воздействия электростатических разрядов 100
4.1. Разделение аналоговых ИС по надежности с использованием НЧшума и ЭСР 103
4.2. Разделение цифровых ИС по надежности с использованием НЧшума и ЭСР 107
Выводы к главе 4 111
Основные выводы и результаты 112
Список литературы 114
- Возможности НЧ шума как прогнозирующего параметра надежности полупроводниковых изделий
- Устройство для разбраковки полупроводниковых изделий по ампер- шумовым характеристикам
- Разделение ИС по надежности с использованием НЧ шума и термоциклирования
- Разделение аналоговых ИС по надежности с использованием НЧшума и ЭСР
Введение к работе
Совершенствование современных электронных устройств, содержащих сотни интегральных схем (ИС), невозможно без увеличения их надежности. К качеству и надежности ИС предъявляются очень высокие требования независимо от того, в какой радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) они будут применены: для комплектации ракет, авиационных объектов, атомных электростанций или сотовой связи и бытовой техники. Подсчитано, что при доле дефектности партий ИС в пределах 0,01%, то есть одна дефектная схема на 10000 или 100 дефектных на 1 млн. схем, процент отказов печатных плат, на которых смонтировано по 100 ИС, составит 1 %. При дефектности партий ИС в пределах одного процента выход годных печатных плат составит 63,4%, то есть процент дефектных плат будет равен 36,6 [1]. По этой причине среди множества проблем современной полупроводниковой электроники особое место занимает проблема качества и надежности выпускаемых изделий. На производстве в странах с развитой электронной промышленностью (США, Япония и др.) затрачиваются огромные средства на обеспечение повышенного качества и надежности готовых изделий [2].
Современные технологические процессы изготовления ИС очень сложны. Анализ процессов показывает, что они проводятся при температурах, изменяющихся в диапазоне от -100°С (криогенное травление) до +1100°С (окисление, диффузия, отжиг после ионной имплантации и др.), при давлении от атмосферного до 10" мм рт.ст. Столь широкие диапазоны вызваны необходимостью проведения с исходными материалами различных физических и химических процессов для получения необходимых технических характеристик ИС [3]. Известно, что на ряде технологических операциях возникают внутренние механические напряжения, изменяется структура и подвижность внутренних микродефектов, а также образуются макродефекты, наличие которых резко ухудшает надежностные характеристики ИС [1].
Исследование принципиальных основ обеспечения качества и надежности больших интегральных схем (БИС) показывает, что катастрофические причины отказов БИС и ИС малой и средней степени интефации имеют одинаковый характер. Это дефекты кристалла (неоднородности, включения в кристалл, дефекты диффузии), утонения металлизации на ступеньках окисла, дефекты оксидного слоя, некачественная приварка проводников к контактным площадкам на кристалле и на траверсах, негерметичность и др. По сравнению с ИС малой и средней степени интефации элементы БИС имеют меньшие размеры и расположены более плотно, поэтому БИС более чувствительны к дефадационным процессам, дефектам кристалла и оксидного слоя. По этим причинам в каждой выпускаемой партии приборов, полностью соответствующей по качеству требованиям нормативно-технической документации, то есть техническим условиям (ТУ) и конструкторской документации (КД), имеются схемы, различающиеся по надежности на два и более порядка, то есть присутствуют схемы со скрытыми дефектами, которые могут отказать как в период приработки, так и в период нормальной работы, и схемы, которые обладают повышенной по сравнению с основной массой схем надежностью. Для устранения из партии потенциально ненадежных ИС проводятся сплошные отбраковочные испытания, включающие испытания при повышенной и пониженной температурах, термоциклирование, электротермотренировку (ЭТТ) и т.п.
Одной из целей производства является нахождение такого метода отбраковки полупроводниковых изделий (ППИ) в процессе их изготовления, который позволял бы, во-первых, отбраковывать потенциально ненадежные изделия, т.е. такие изделия, которые соответствуют на момент проверки всем техническим требованиям на них, но, будучи установленными в аппаратуру, через какое-то время, меньше установленного в технических условиях времени гарантийной работы, отказали. Во-вторых, заменить длительные и дорогостоящие отбраковочные испытания, в первую очередь электротермотренировку (ЭТТ), н диагностические методы контроля, которые были бы не менее эффективными, но менее трудоемкими [4].
В последние десятилетия большое применение получили неразрушающие методы диагностики надежности различных ППИ на основе измерений их низкочастотных (НЧ) шумов [5, 6, 7]. Под неразрушающими методами диагностики обычно понимают методы, которые, не изменяя качества, параметров и характеристик изделия, позволяют по косвенным признакам обнаруживать потенциально ненадежные изделия. Неразрушаю-щий контроль имеет множество преимуществ по сравнению с другими видами контроля и может непосредственно вводиться в технологические процессы производства и испытаний ИС.
В процессе производства зачастую возникает необходимость не только отбраковки потенциально ненадежных ИС, но и выделения из партии группы схем с повышенным уровнем надежности.
Поэтому считаем, что разработка новых диагностических методов с использованием НЧ шумов с целью применения их для отбраковки потенциально ненадежных ИС с высокой достоверностью, что позволило бы внедрить их в производство вместо ЭТТ, с одновременной возможностью диагностического выделения из партии ИС группы схем, имеющих повышенный уровень надежности, является в настоящее время весьма актуальным.
Работа выполнялась по теме ГБ2004-34 "Исследование полупроводниковых материалов, приборов и технологии их изготовления" раздела "Исследование надежности полупроводниковых изделий".
Цели и задачи работы
Целью настоящей диссертации является разработка новых диагностических способов отбраковки потенциально ненадежных логических и аналоговых ИС, изготовленных по биполярной и МДП технологиям, на основе измерения параметров НЧ шумов способных заменять дорогостоящие и длительные отбраковочные испытания как при их производстве, так и на входном контроле предприятий - изготовителей радиоэлектронной
аппаратуры (РЭА), а также выделять из партии ИС группу высоконадежных схем. Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:
1. Спроектировать и разработать установки для измерения параметров НЧ шумов полупроводниковых изделий и для имитации воздействия электростатических разрядов.
2. Разработать новые способы диагностирования потенциально ненадежных ИС, основанные на измерении параметров НЧ шума.
3. Разработать способы диагностирования потенциально ненадежных ИС и выделения группы ИС повышенной надежности с использованием измерения параметров НЧ шумов до и после воздействия электростатических разрядов (ЭСР).
Научная новизна работы
В работе получены следующие новые научные и технические результаты:
1. На основе измерения НЧ шумов логических и аналоговых ИС, изготовленных по биполярной и МДП технологиям, разработаны новые диагностические методы:
- два способа разделения ИС по надежности на основе измерения шума в цепи „питание - общая точка" при различных напряжениях питания и различных температурах;
- два способа разделения ИС по надежности, основанных на измерении шума в цепи „вход - общая точка" при различных напряжениях питания и различных температурах;
- два способа разделения ИС по надежности, на основе измерения показателя формы спектра НЧ шума у;
- способ разбраковки ИС с использованием НЧ шума и термоциклирования;
2. На основе измерения НЧ шумов до и после воздействии ЭСР и последующего отжига логических и аналоговых ИС, изготовленных по биполярной и МДП технологиям, разработаны следующие диагностические методы:
- способ разделения ИС по надежности, основанный на измерении шума по выводам „питание - общая точка" с воздействием ЭСР на вход ИС;
- способ разделения ИС по надежности, основанный на измерении шума по выводам „питание - общая точка" с воздействием ЭСР в цепи питания ИС;
- способ разделения ИС по надежности, основанный на измерении шума по выводам „вход - общая точка" с воздействием ЭСР на вход ИС;
Реализация результатов работы, практическая ценность
1. Разработано устройство для разбраковки полупроводниковых изделий по ампер-шумовым характеристикам. На данное устройство получен патент № 2263326, опубл. 27.10.2005.
2. Разработано устройство для измерения показателя формы спектра НЧ шума у. На принцип, положенный в основу, подана заявка на изобретение.
3. Разработаны способы разделения полупроводниковых приборов по надежности и способ определения потенциально нестабильных полупроводниковых приборов. Получены патенты: №2258234, опубл. 10.08.2005; №2242018, опубл. 10.12.2004; №2234104, опубл. 10.08.2004.
4. На основе измерения интенсивности шума при двух значениях прямого тока разработан способ, позволяющий отбраковать потенциально ненадежные ИС. На данный способ получен патент на изобретение №2278392, опубл. 20.06.2006.
5. Разработан способ разбраковки ППИ по сравнению значений интенсивности шумов до и после термоциклирования. На данный способ подана заявка на изобретение.
6. Разработаны три новых способа разделения ИС по надежности с использованием напряжения шума при номинальном и критическом напряжениях питания, а также с использованием входных прямых рабочих токов, измеренных при разных температурах. На способы поданы заявки на изобретения.
7. Разработаны два способа разделения ИС с использованием напряжения шума и показателя формы спектра у при трех различных температурах. На разработанные способы поданы заявки на изобретения.
8. Разработаны три новых способа диагностического контроля надежности ИС с измерением напряжения шума по выводам „питание - общая точка" и „вход - общая точка" до и после воздействия ЭСР и последующего термического отжига.
Достоверность разработанных новых способов диагностирования подтверждена последующими испытаниями на безотказность в течение 500ч.
Основные положения и результаты, выносимые на защиту
1. Принцип работы устройства для разбраковки полупроводниковых изделий по ампер-шумовым характеристикам и устройства для измерения показателя формы спектра у.
2. Два способа разделения ИС по надежности, изготовленных по биполярной и МДП технологиям, основанных на измерении напряжения шума в цепи „питание - общая точка".
3. Два способа разделения ИС по надежности, изготовленных по биполярной и МДП технологиям, с использованием напряжения шума, измеренного в цепи „вход - общая точка".
4. Два способа разделения ИС по надежности, изготовленных по биполярной и МДП технологиям, на основе измерений показателя формы спектра НЧ шума у при разных температурах.
5. Способ разделения ИС по надежности, изготовленных по биполярной и МДП технологиям, с использованием НЧ шума и термоциклирования.
6. Три способа разделения ИС по надежности, изготовленных по биполярной и МДП технологиям, с использованием напряжения шума до и после воздействии ЭСР и последующего отжига.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: международных научно-технических семинарах "Шумовые и деградацион-ные процессы в полупроводниковых приборах " (Москва, 2002; 2003; 2005 гг.); десятой международной научно - технической конференции „Радиолокация, навигация, связь" (13-15 апреля. Воронеж. 2004); десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов „Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (2-3 марта Москва. 2004); тринадцатой всероссийской межвузовской научно-технической конференции „Микроэлектроника и информатика - 2006" (19-21 апреля Зеленоград. 2006); научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2003 - 2006 гг.).
Публикации
Основные результаты работы изложены в 18 публикациях, в том числе в 5 работах, опубликованных в реферируемых журналах, и 5 патентах РФ.
В совместных работах автору принадлежит проведение экспериментов и измерение параметров НЧ шума при различных внешних воздействиях, анализ и обобщение результатов, разработка и оформление заявок на патенты.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 125 страниц текста, включая 59 рисунков, 17 таблиц и список литературы из 102 наименований.
Возможности НЧ шума как прогнозирующего параметра надежности полупроводниковых изделий
Существенное превышение шумом уровня, предсказанного эмпирическим соотношением (1.9) (возможной причиной может быть перераспределение плотности тока), говорит о потенциальной ненадежности изделия. При этом, чем выше уровень шума, тем больше вероятность идентифицировать такие изделия. В этом отношении измерение НЧ шума целесообразно использовать для отбраковки потенциально ненадежных изделий, нежели для прогнозирования их долговечности [55]. При постановке партии изделий на приработку такие изделия отказывают в первую очередь, о чем говорит высокий коэффициент корреляции между отказами и уровнем шума.
На связь НЧШ с дефектами структуры твердых тел указывает сильная зависимость шума от технологии получения изделий, а также тот факт, что даже у изделий, полученных по одной технологии и имеющих близкие электрофизические параметры, интенсивность НЧШ часто совершенно иная [15].
Несмотря на то, что высокий уровень шума наблюдается у изделий дважды: на начальном этапе деградации и в момент приближения отказа 53 возможности НЧ шума как прогнозирующего параметра ограничиваются отбраковкой потенциально ненадежных изделий. Использование измерений НЧ шума для прогнозирования ресурса изделий неэффективно [14]. Хотя в работе [65] автор предлагает соотношение между уровнем НЧ шума и ресурсом ПЛИ, при этом в качестве критерия уровня НЧ шума берет его верхнюю граничную частоту fo (ниже которой уровень НЧ шума доминирует над уровнем тепловых и дробовых шумов (рис. 1.1)). В табл. 1.2 представлены оценочные данные по f0 и соответствующие ей величины „ресурса" ТР для ПЛИ. Других данных в литературе не встречается, но, на наш взгляд, данные по ресурсу для ППИ на основе Si и GaAs значительно выше 25 лет. Наличие дефектов в структуре ППИ неизбежно отражается на ходе процессов, связанных с переносом тока. Токовый шум является следствием этих процессов и несет определенную информацию о наличии дефектов в изделии. Однако реальное ППИ, в частности транзистор, представляет собой сложную систему, в которой можно выделить область объемного заряда р-п-переходов, электронейтральные области объема полупроводника, поверхностные области, контакты металл - полупроводник и д.р. В каждой из этих областей процессы генерации шума обусловлены одним или несколькими доминирующими механизмами, обладающими в пределах данной области в качественном и количественном отношениях определенной однородностью. Между собой в этом смысле указанные области могут значительно разли 54 чаться. Следовательно, максимальная полнота прогнозирования отказов возможна при наличии комплекса шумовых параметров, в которых был бы учтен вклад всех упомянутых выше областей.
В зависимости НЧ шума от режима работы ППИ по току имеются три параметра, зависящие от внутреннего состояния изделия: среднеквадратичное значение шумового напряжения Um; параметр у, характеризующий степень изменения спектральной плотности шума от частоты, и коэффициент а [66].
В работе [40] представлены соображения о связи параметра а с надежностью изделий. По характеру влияния величины а на зависимость „шум-ресурс" видно, что с уменьшением а ресурс изделия сокращается. Причем наибольшему влиянию а подвержен тот участок зависимости „шум-ресурс", который соответствует области прогноза. На малых длительностях (область приработки кривой зависимости интенсивности отказов X от времени) влияние а практически отсутствует. Идеальный вариант (максимальная величина ресурса при заданном уровне тока) соответствует значению а = 2. В этом случае размерности левой и правой частей равенства (1.13) совпадают.
В работе [67] отмечается, что параметр а и его дисперсия очень чувствительны к уровню технологии конкретного завода-изготовителя, что позволяет проводить классификацию выпускаемой продукции, а также осуществлять ее входной контроль.
Наблюдаемый разброс значений а связан с различной степенью исходной дефектности структуры изделий. Этот вывод сделан на основе экспериментов по различному облучению изделий. По мере роста степени радиационного воздействия параметр а монотонно уменьшается, что наблюдалось как при облучении нейтронами, так и при воздействии у-излучения.
В работе [68] исследуются возможности параметра у для контроля качества диодов. На рис. 1.31 приведены результаты измерений вольт 55 шумовой характеристики (ВШХ) для различных диодов с различными напряжениями пробоя и различными величинами падения напряжения при прямом смещении. Зависимости квадрата шумового тока от величины смещения имеют вид прямых с наклоном у, изменяющимся от 0,16 до 3,6. При этом минимальные значения у соответствуют диодам с максимальным пробивным напряжением и минимальным прямым падением напряжения.
Влияние величины пробивного напряжения на значение у особенно хорошо видно на примере 3 и 4 образцов, для которых изменение пробивного напряжения на 200 В при практически одинаковых падениях приводит к возрастанию у от 0,76 до 1,24.
На рис. 1.32 приведены аналогичные зависимости еще для 5 образцов, каждый из которых имеет напряжении пробоя не менее 2,2кВ, но различные значения прямого падения напряжения. Как и в предыдущем случае увеличение и„рЯМ приводит к увеличению коэффициента у до 3,6 как в случае третьего образца. Необходимо подчеркнуть, что приведенные образцы и указанные зависимости являются характерными.
Таким образом, установлено, что коэффициент у, характеризующий наклон вольт-шумовой характеристики, является однозначным критерием качества диодов. Значения его, лежащие в пределах менее 0,3, соответствуют хорошим приборам, полностью соответствующим ТУ. Увеличение величины у приводит к тому, что прибор не соотвветсствует по ТУ по одному или обоим вышеприведенным параметрам.
Согласно работе [70] величину отклонения у от 1 в большую сторону можно рассматривать как показатель нестабильности системы. Чем ближе у к 1, тем более стабильна система.
Эффективным методом обнаружения и идентификации скрытых дефектов КМОП СБИС является контроль низкочастотного шума тока в цепи питания в статическом режиме [71]. Контроль флуктуации тока в цепи питания позволяет осуществить интегральную оценку качества СБИС и прогнозировать надежность по всему множеству входящих в них структурных компонентов. Измерение уровня НЧ шума у БИС типов 1617РУ6 и 537РУ2 вблизи границы предельно допустимого напряжения питания позволили прогнозировать электрический пробой контролируемой ИС при напряжении питания, превышающем предельно допустимое значение, и на основе этих измерений осуществить отбраковку потенциально ненадежных схем [72].
Устройство для разбраковки полупроводниковых изделий по ампер- шумовым характеристикам
Существуют три основных источника, накапливающих статическое электричество и являющихся причинами отказов изделий вследствие его воздействия [83]: человек, заряженный статическим электричеством, касается изделия и разряжается на него или на землю; само изделие, исполняющее роль одной из обкладок конденсатора и накапливающее заряд; контакт его с заземленным предметом может привести к отказу; электрическое поле, формируемое заряженными предметами; в определенных условиях изделие, помещенное а такое поле, может приобретать значительную разность потенциалов на противоположных плоскостях.
Существуют много различных моделей воздействия ЭСР на электронную аппаратуру. Основные виды моделей могут быть отнесены к двум категориям: модели разряда человека на аппаратуру и модели разряда от соприкосновения заряженного неодушевленного предмета с аппаратурой.
Для описания ЭСР, который может привести к отказу ППИ и РЭА, в настоящее время приняты три обобщенные модели: модель тела человека (МТЧ), модель заряженного прибора (МЗП) и модель воздействующего поля (МВП). В отечественной электронной промышленности проводятся испытания на чувствительность изделий к ЭСР по модели тела человека. При сравнительно простых движениях на поверхности тела человека может создаваться значительный ЭСЗ. Когда человек касается ППИ, например при операции ручной сборки, то часть энергии, содержащееся на поверхности тела, передается, т.е. разряжается на ППИ и через него на землю. В большинстве случаев в импульсе содержится достаточно энергии, чтобы изменить характеристики ППИ и даже расплавить области в материале p-n-перехода. Эквивалентная схема установки приведена на рис. 2.6. Сопротивление ограничивающего резистора R1 должно быть в пределах 100 кОм - 3 ГОм, сопротивление резистора R2 должно быть 1,5 кОм ± 5%, сопротивление резистора R3 - не более 5% от 1,5 кОм, а сумма (R2 + R3) должна оставаться в пределах 1,5 кОм ± 5%. Источник питания обмотки реле SA1 должен быть сильноточным, а контакты не должны допускать повторных срабатываний (дребезга). Следует применять ртутное или какое-либо другое аналогичное реле, не допускающее дребезга. Емкость конденсатора С1 должна быть 100 ± 10 пФ с учетом емкости монтажа. Сопротивление изоляции конденсатора должно быть не менее 10 ГОм. Осциллограф предназначен для контроля формы и параметров импульсов, генерируемых стендом, и должен иметь полосу пропускания не менее 350 МГц. Резистор R3 (датчик тока) подключается к испытательному разъему ИС одновременно с осциллографом только при контроле формы генерируемых установкой импульсов, когда испытуемая ИС не подключена. Испытания ИС на чувствительность к ЭСР проводят в нормальных климатических условиях. ИС перед испытаниями должны соответствовать требованиям технических условий (ТУ). Подача импульсов на выводы ИС осуществляется в последовательности, приведенной в табл. 2.1, если иная последовательность специально не оговаривается в ТУ на ИС. На одну и ту же ИС выборки необходимо подавать импульсы только на одни и те же выводы одной последовательности. Под общей точкой ИС необходимо понимать вывод ИС, к которому в рабочем режиме подключается наиболее отрицательный потенциал. Если входы (выходы) ИС электрически аналогичны, то вход (выход), на который на который подаются испытательные импульсы, включается произвольно. Если входы (выходы) ИС не аналогичны, то на каждый вход (выход) подаются испытательные импульсы. Для ИС, в состав которых входят несколько одинаковых схем, например счетверенный двухвходовой вентиль "И-НЕ", испытание, предусматривающее подачу импульсов между входом и выходом, необходимо проводить так, чтобы импульсы подавались между входом и выходом одной и той же схемы. Используется следующая последовательность проведения испытаний ИС на чувствительность к ЭСР. Установить на холостом ходу испытательного разъема напряжение UP = 65 В, соответствующее I степени жесткости по табл. 2.2. Подключить к испытательному разъему установки выводы ИС и подать на них 15 импульсов с интервалами от 100 до 5000 мс. Изменить полярность источника, вновь подать 15 импульсов с теми же интервалами. Допускается трехкратное повторение серии из 5 разрядов положительной и отрицательной полярности. Взять новую ИС, подключить выводы ИС, соответствующие второй последовательности (см. табл. 2.1), и провести аналогичные испытания. Таким же образом на других ИС провести испытания других пар выводов, соответствующих всем остальным последовательностям. Измерить электрические параметры, оговоренные ТУ для нормальной температуры ИС, подвергшихся испытаниям. Если хотя бы у одной ИС электрические параметры не соответствуют требованиям ТУ, то испытания прекращаются, а ИС не соответствует I степени жесткости. Если известно, что ИС соответствует более высокой степени жесткости, то испытания начинают с амплитуды воздействующих импульсов Up, соответствующей этой более высокой степени. При отсутствии отказов ИС по I степени жесткости эти же схемы подвергают дальнейшим испытаниям амплитудой воздействующих импульсов, соответствующим последующим степеням жесткости до тех пор, пока не будет найдена амплитуда воздействующих импульсов Ц», при которых появляются отказы ИС. ИС соответствуют определенной степени жесткости, если выдерживают воздействия импульсов амплитуды соответствующей степени жесткости. Наиболее чувствительными являются выводы (последовательности) отказавших ИС.
Разделение ИС по надежности с использованием НЧ шума и термоциклирования
Все методы отбраковочных испытаний фактически ускоряют проявление внутренних дефектов полупроводниковых изделий и предназначаются для „выжигания" ранних отказов, то есть отбраковки потенциально ненадежных изделий и повышения надежности партии с оставшимися изделиями [1]. Следовательно ППИ, выдержавшие отбраковочные испытания должны иметь более низкую частоту отказов, но это возможно лишь при тщательном измерении электрических параметров и правильной оценке достоверности результатов. В противном случае в процессе эксплуатации происходит отказ изделия, не выявленного на испытаниях. Определяющее значение в данной ситуации имеет правильный выбор информативного параметра при отбраковочных испытаниях, так как, например, технологические испытания на стойкость к термоциклированию позволяют отбраковать некачественные ППИ по контролю их электрических параметров, но не позволяют диагностировать на будущее поведение изделий.
В этом случае целесообразно использовать косвенные методы выявления скрытых дефектов при термоциклировании, среди которых большой интерес представляют методы, связанные с анализом шумовых характеристик ППИ [15]. Уже существуют способы отбраковки ППИ с использованием внешних воздействий и измерения шумовых параметров. Например способ, описанный в работе [90] состоит в том, что после измерения шума в эксплуатационном режиме пропускают через прибор импульс тока в 1,5 - 5 раз, превышающий по амплитуде предельно допустимое значение в установленном режиме, а затем вновь измеряют значение шума. По относительной величине изменения шума определяют потенциальную нестабильность полупроводниковых изделий. Недостатком способа является подача импульса, превышающего по техническим условиям допустимое значение, что может вызвать необратимые изменения в структуре изделий. Поэтому с целью повышения достоверности одного из проверенных способов - термоциклирование и расширение его функциональных возможностей проводится измерение низкочастотного (НЧ) шума до термоциклирования и после. Проведение составных испытаний „контроль уровня шума + термоциклирование + контроль уровня шума" позволяет рассматривать поведение каждого изделия, его расположенность к ранним или поздним отказам. Термоциклирование проводится в диапазоне крайних температур, допустимых техническими условиями на изделие. Количество термоциклов не менее десяти. Для достаточной выборки ППИ из партии одного типа находят коэффициент увеличения значений низкочастотного шума после термоциклирования в сравнении с начальным значением. Выбирается критерий оценки коэффициента увеличения шума. ППИ, у которых коэффициент увеличения шума будет больше установленного критерия, считаются потенциально ненадежными [91]. В качестве примера проведен эксперимент на 12 интегральных схемах - операционных усилителей ОРА735 (выполненных по технологии КМОП с диапазоном значений напряжения питания по ТУ 2,7...12 В) в восьмивыводном корпусе DIP. Среднеквадратичное напряжение шума иш измерялось методом прямого измерения [9] по выводам „питание - общая точка" на частоте 1000 Гц после проведения каждого термоцикла (0 - 100С с выдержкой при каждой температуре 30 минут). Схема включения ИС -повторитель (инвертирующий вход соединен с выходом) с заземленным неинвертирующим входом. Напряжение питания было выбрано 8В, так как при этом значение наблюдается середина участка постоянного значения Ош (рис. 3.2). Результаты измерений при составных испытаниях «контроль уровня НЧ-шума + термоциклирование + контроль уровня НЧ-шума» а также ІІІШІАЧ - значения шума до термоциклирования и после 10 термоциклов, когда происходит достаточно большой разброс значений шума ИС в партии по сравнению с исходным значением (рис. 3.9), представлены в табл. 3.15. Для проверки данного вывода все ИС были подвергнуты 200 термоциклам. Схемы № 2, 8 показали снижение электрического параметра -частоты единичного усиления ниже нормы, установленной техническими условиями, а значение тока покоя в цепи питания у данных схем увеличилось в 2 - 3 раза, в то время как у остальных схем осталось практически без изменений. Таким образом, предложенная методика может быть направлена на повышение достоверности результатов отбраковки потенциально ненадежных ИС с использованием термоциклирования. Введен коэффициент отбраковки на основе шумового параметра, позволяющего судить о потенциальной надежности ИС. Данный способ был успешно опробован на ИС типа ОР37 (аналоговые, выполненные по биполярной технологии), ИС типа К137ЛЕ2 (логические, выполненные по биполярной технологии) и на ИС типа КР537РУ13 (логические, выполненные по МОП технологии).
Разделение аналоговых ИС по надежности с использованием НЧшума и ЭСР
Для эксперимента на биполярных цифровых схемах было отобрано методом случайной выборки 12 ИС типа К137ЛЕ2 (2 элемента ЗИЛИ - НЕ выполненных по биполярной технологии, эмиттерно - связанная логика в 14 выводном корпусе DIP) и КР537РУ13 (статическое ОЗУ выполненное по КМОП технологии с напряжением питания по ТУ 5 В ± 10%). Среднеквадратичное напряжение шума иш измерялось методом прямого измерения [9] на частоте 1000 Гц. Ширина полосы измерения частот равна Af = 200 Гц, время усреднения т = 2с.
Напряжение электростатического разряда подбирается таким образом, чтобы не происходило изменений основных параметров за пределы технических условий. Для ИС типа К137ЛЕ2 опасным по ТУ потенциалом является напряжение 1200В, для КР537РУ13 - 1000В, поэтому в эксперименте применяется допустимый потенциал, или потенциал ЭСР, не превышающий половины опасного, который выбирается ближайшим к одному из наименьших значений: 10; 30; 100; 200; 500; 1000; 2000 В [83], т.е. 500В для К137ЛЕ2 и КР537РУ13. Воздействие ЭСР проводится по модели тела человека [83]. Количество разрядов равно пять одной полярности и пять другой, что принимается за один цикл воздействия ЭСР. Температура отжига 108 - 100С, время отжига 5ч. Режим отжига выбран так, чтобы происходило полное восстановление информативного параметра (рис. 4.4, 4.5). Т.к. уже после 4ч наблюдается восстановление параметра Um, то при 5ч. восстановление наиболее полное для данных типов схем. На основе результатов измерений вычислялись величины относительного изменения интенсивности шумов до, после воздействия ЭСР и после 5ч отжига (таб. 4.3, 4.4). Первый способ оценки надежности основан на зависимости значения интенсивности шума на частоте 1000 Гц от воздействия ЭСР на вход ИС, имеющий наибольшую чувствительность и последующего отжига. Измерения шума поводились на выводах „вход - общая точка" при прямом токе 6мА (середина участка постоянного значения иш в диапазоне питающих прямых токов (рис. 3.4), задаваемых от внешнего источника тока без подачи питания на ИС. Результаты измерений 12 ИС типа К137ЛЕ2 представлены в табл. 4.3, где также даны значения величин К, характеризующих надежность ИС. Из данных таблицы 4.3 можно сделать вывод, что у ИС № 3, 8 значение uL более стабильно, и они будут более надежными при эксплуатации. ИС значение коэффициента которых К і 0,4 будут потенциально ненадежными (ИС № 1, 5). Второй способ разделения цифровых интегральных схем основан на зависимости значения интенсивности шума на частоте 1000 Гц от воздействия ЭСР на выводы ИС „питание - общая точка" (т.е. воздействуя на все электрические цепи ИС) и последующего отжига. Способ является аналогичным второму способу, описанному в разделе 4.1. Результаты измерений 12 ИС типа КР537РУ13 при напряжении питания 5В (середина участка постоянного значения иш в диапазоне питающих напряжений по ТУ (рис. 3.8)) представлены в табл. 4.4, где также даны значения величин К, характеризующих надежность ИС. Из данных таблицы 4.4 можно сделать вывод, что у ИС № 1, 7 значение 11ш более стабильно при внешних воздействиях, и они будут более надежными при эксплуатации. Если выбрать по табл. 4.4 критерий для надежных схем КР537РУ13 значение К2 0,3, то схемы № 4, 12 будут потенциально ненадежными. Эти ИС имеют максимальное значение шума при всех измерениях. При проведении испытаний на безотказность (500ч, 85С) ИС№ 2, 7 типа К137ЛЕ2 (табл. 4.3) и ИС № 4, 12, типа КР537РУ13 (табл. 4.4) имели параметрические отказы. Таким образом, в разработанных способах экспериментально показана перспективность использования шумовых измерений при воздействии „ЭСР + отжиг" для отбраковки потенциально ненадежных цифровых интегральных схем, изготовленных по разным технологиям. На наш взгляд первый способ описанный в разделе 4.1 применим для тщательной отбраковки по надежности ИС средней степени интеграции с дефектами во входных цепях, для БИС более достоверные данные будут по первому способу описанному в разделе 4.2. Второй способ в разделе 4.1 применим для диагностического контроля надежности ИС средней степени интеграции. Разработаны новые способы диагностики логических и аналоговых ИС с помощью измерения НЧ шума и воздействия „ЭСР + отжиг". Правильность выбранных критериев для определения потенциально ненадежных ИС подтверждена при последующих испытаниях на безотказность. На два способа разделения партий ПЛИ по надежности с применением НЧШ до и после воздействия ЭСР получены следующие патенты РФ на изобретения: -№2234104, опубл. 10.08.2004; - №2258234, опубл. 10.08.2005.
В настоящей диссертации изложена научно-техническая разработка, обеспечивающая решение важной прикладной задачи - замене длительных и дорогостоящих отбраковочных испытаний новыми диагностическими методами контроля качества и надежности партий ИС, основанными на измерении собственных шумов, как при производстве, так и на входном контроле у изготовителей радиоэлектронной аппаратуры. В работе рассмотрены НЧ шумы логических и аналоговых ИС, выполненных по биполярной и МОП технологиям.
