Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы неразрушающего диагностического контроля полупроводниковых изделий 7
1.1. Общие требования 7
1.2. Критерии прогнозирования потенциальной ненадежности ИС по внезапным и параметрическим отказам 12
1.3. Использование воздействия электростатических разрядов и последующего отжига в диагностических методах 16
1.3.1. Катастрофические и параметрические отказы полупроводниковых изделий 16
1.3.2. Отжиг электростатических дефектов 21
1.3.3. Пример метода разделения партий ИС по стойкости к электростатическим разрядам23
Выводы к главе 1 26
Глава 2 Влияние электростатического воздействия на транзисторы кп728е1 27
2.1. Конструктивно-технологические особенности транзисторов КП728Е1 27
2.2. Определение допустимого потенциала электростатических зарядов 31
2.3. Стойкость транзисторов к ЭСР различной полярности 32
2.3.1. Методика проведения работы 32
2.3.2. Испытания, проводимые при комнатной температуре .34
2.3.3. Испытания, проводимые при температуре О С и 100 С 36
2.4. Влияние термоциклирования на стойкость к воздействию ЭСР 40
2.5. Работоспособность транзисторов и воздействие ЭСР 41
2.6. Влияние механических воздействий на стойкость к ЭСР 43
2.7. Влияние различных воздействий и ЭСР на поведение электрических параметров транзисторов 48
2.7.1. Ток утечки затвора 48
2.7.2. Остаточный ток стока 49
2.7.3. Напряжение «затвор-исток» пороговое 50
2.8. Способ сравнительной оценки надежности партий транзисторов 54
Выводы к главе 2 57
Глава 3 Методы разделения партий транзисторов по стойкости К ЭСР 58
3.1. Конструктивно-технологические особенности транзисторов типов КТ315 и КТ361 58
3.2. Стойкость транзисторов типов КТ315 и КТ361 к воздействию ЭСР 61
3.3. Разработка способа разделения партий транзисторов по стойкости к воздействию ЭСР67
Выводы к главе 3 73
Глава 4 Выделение из партий ис группы схем повышенной надежности 74
4.1. Конструктивно-технологические особенности ИС типа КР561ЛН2 74
4.2. Стойкость ИС типа КР561ЛН2 к воздействию ЭСР 80
4.3. Разработка метода выделения из партии ИС группы схем повышенной надежности84
Выводы к главе 4 88
Основные результаты и выводы 89
Список литературы 90
- Критерии прогнозирования потенциальной ненадежности ИС по внезапным и параметрическим отказам
- Определение допустимого потенциала электростатических зарядов
- Стойкость транзисторов типов КТ315 и КТ361 к воздействию ЭСР
- Стойкость ИС типа КР561ЛН2 к воздействию ЭСР
Введение к работе
Известно, что надежность любого изделия, заложенная при конструировании, обеспечивается технологическим процессом изготовления. Технологические отбраковочные испытания полупроводниковых изделий (ППИ) (диодов, транзисторов и интегральных схем), объем которых устанавливается изготовителем в зависимости от вида приемки изделий, их конструктивно-технологических особенностей, технических и экономических возможностей изготовителя, служат для повышения надежности партий изделий путем отделения потенциально ненадежных [1]. Отбраковочные испытания ППИ, в первую очередь электротренировка, занимают много времени, требуют сложное громоздкое стендовое оборудование, больших затрат электроэнергии и площадей для его размещения [2].
В связи с этим в настоящее время большое распространение получили так называемые альтернативные диагностические методы отбраковки потенциально ненадежных изделий с меньшими экономическими затратами, но не с менее, а зачастую и более эффективными результатами.
Считается, что любая представительная выборка при выпуске ППИ состоит из трех различных по надежности групп: группа, характеризуемая интенсивностью отказов А, точно соответствующей нормам (требованиям) технических условий (ТУ) на изделия; группа, более надежная, и группа изделий, менее надежная по сравнению с ТУ [3]. Практика показывает, что разброс интегральных схем (ИС) по надежности в партии составляет 2-3 и более порядков. Зачастую потребителю необходимы для особо важной аппаратуры более надежные изделия, а при соответствии по надежности требованиям ТУ - исключение из поставляемой партии изделий, менее надежных.
В настоящее время известно множество диагностических методов отбраковки потенциально ненадежных ППИ: измерение m — характеристик, тепловых параметров, шумовых критериев, критического напряжения питания, использование радиационных методов и др. Все они достаточно полно освещены в литературе [1].
Авторами работ [4,5] впервые обнаружено явление отжига электростатических дефектов параметрического типа у ППИ, подвергнутых воздействиям электростатических разрядов (ЭСР), после временного воздействия нормальной или повышенной температуры или электрического режима. Впервые также показано [6], что на основе открытого явления отжига электростатических дефектов можно разрабатывать диагностические методы оценки надежности ППИ.
Поэтому считаем» что дальнейшая разработка диагностических методов оценки надежности ППИ с использованием воздействия ЭСР и отжига электростатических дефектов является в настоящее время актуальной.
Работа выполнялась по теме ГБ 2001-34 "Изучение технологических и физических процессов в полупроводниковых структурах и приборах".
Цели и задачи работы
Целью настоящей диссертации является разработка новых диагностических методов отбраковки потенциально ненадежных ППИ с использованием электростатических разрядов и последующего отжига электростатических дефектов, способных заменить дорогостоящие и длительные отбраковочные испытания как при производстве ППИ, так и на входном контроле предприятий-изготовителей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а также позволяющих выделить из партии ППИ группу высоконадежных изделий. Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:
1. Провести эксперименты по влиянию электростатических разрядов на транзисторы типа КП728Е1 с целью определения допустимого потенциала ЭСР, стойкости транзисторов к ЭСР различной полярности, изучения влияния температуры, механических и электрических воздействий и испытаний на безотказность на стойкость к ЭСР.
2. Разработать способ сравнительной оценки надежности партий транзисторов.
3. Изучить стойкость транзисторов р-п-р и п-р-п типов к воздействию ЭСР и разработать способ разделения партии транзисторов по стойкости к ЭСР.
4. Изучить стойкость логических МОП ИС к воздействию ЭСР и разработать способ выделения из партии группы схем повышенной надежности.
Научная новизна работы
В работе получены следующие новые научные и технические результаты:
1. Определена величина допустимого значения электростатического потенциала транзисторов типа КП728Е1, равная 200 В, что соответствует третей степени жесткости; транзисторы проявляют наибольшую стойкость к воздействиям ЭСР отрицательной полярности на вывода пары "затвор-сток" и наименьшую стойкость к воздействию ЭСР чередованием полярностей.
2. Показано, что механические, климатические и электрические воздействия и испытания на безотказность снижают стойкость ПЛИ к ЭСР.
3. Разработан способ сравнительной оценки надежности партий транзисторов.
4. Разработан способ разделения партии транзисторов по стойкости к воздействию ЭСР.
5. Разработан способ разделения партии ИС на группы схем по надежности.
Реализация результатов работы, практическая ценность
1. Величина допустимого значения электростатического потенциала введена в технические условия АДБК.432140.520 на транзисторы типа КП728Е1.
2. Разработанный способ сравнительной оценки надежности партии транзисторов позволяет оценить на выборке транзисторов от партии, какая партия более надежная путем последовательной подачи на транзисторы ЭСР возрастающей величины. На способ сравнительной оценки надежности партии транзисторов подана заявка на изобретение.
3. Разработанный способ разделения партии транзисторов по стойкости к воздействию ЭСР позволяет осуществить разделение путем измерения зависимости коэффициента усиления по току от тока коллектора до, после воздействия ЭСР и после термического отжига. На разработанный способ получен патент на изобретение (№ 2204143 от 10.05.2003).
4. Разработанный способ разделения партии ИС на группы схем по надежности основан на зависимости критического напряжения питания от температуры до и после воздействия ЭСР и после термического отжига. Способ позволяет разделить ИС по надежности на три группы: пониженную, соответствующую техническим условиям и повышенную. На данный способ подана заявка на изобретение.
Основные положения и результаты, выносимые на зашиту
1. Снижение стойкости НИИ к ЭСР после воздействия внешних дестабилизирующих факторов.
2. Способ сравнительной оценки надежности партий транзисторов.
3. Способ разделения партии транзисторов по стойкости к воздействию ЭСР.
4. Способ разделения партии ИС на группы схем по надежности.
Апробация работы и публикации
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: международных научно-технических семинарах "Шумовые и деградацией -ные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 2000, 2001 гг.); научно-технической конференции "Современные аэрокосмические техноло (» гии" (Воронеж, 2000 г.); всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (Красноярск, 2002 г.); VI всероссийской научной конференции студентов и аспирантов "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления" (Таганрог, 2002 г.); 40-43 научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 2000-2003 гг.).
Основные результаты работы изложены в 14 публикациях, в том числе в монографии "Диагностические методы контроля качества и прогнозирующей оценки надежности полупроводниковых изделий" (Мн.: Белорусская наука, 2003 г.) и двух патентах.
В совместных работах автору принадлежит экспериментальная часть, поиск и разработка принципов новых диагностических методов оценки надежности ППИ, обсуждение результатов.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа содержит 96 страниц текста, включает 35 рисунков, 21 таблиц и библиографию из 50 наименований.
Критерии прогнозирования потенциальной ненадежности ИС по внезапным и параметрическим отказам
Весьма представительным опытом, осуществленным на сотнях тысяч ИС различных типов, установлено, что наивысшим уровнем надежности характеризуются ИС, тяготеющие к технологически предопределенному значению диагностических параметров.
Отвлекаясь от процедуры отбора, в работе [15] указывается, что первый критерий отбора определяется нормой \Xi-Xi , где Xi - значение /-го информативного (диагностического) параметра; Xi - математическое ожидание /-параметра. В зависимости от жесткости стратегии отбора, от числа диагностических параметров норма может быть различной. При увеличении числа параметров норма по каждому параметру увеличивается. Имеет смысл выбирать норму, кратную ахп то есть среднеквадратическому значению /-го параметра.
Второй критерий отбора устанавливается для ИС внутри отобранной партии. Дело в том, что для ряда экземпляров ИС может иметь место "кратковременная нестабильность", выявляемая не во времени и не вследствие воздействия внешних факторов, а при смене теста, в результате чего интегральная схема меняет свое место в распределении по данному параметру.
Если различие составляет величину, превышающую 4ст измерений (критерий бесспорного промаха), такая ИС признается нестабильной, "мигрирующей".
Если освободить партию ИС, отобранную по первому критерию, от ИС, отобранных по второму критерию, то оставшаяся совокупность с высокой степенью уверенности может рассматриваться, как обладающая наивысшей степенью надежности в партии ИС, из которой осуществляется отбор.
Сам же уровень надежности партии тем выше, чем менее отклоняются значения математического ожидания диагностических параметров от технологически предопределенных для данного типономинала, а также чем стабильнее форма распределений диагностических параметров в партиях. Вопрос выбора диагностических параметров для разных типов ИС нуждается в отдельном обсуждении.
Эффективность различных методик, базирующихся на первом и втором критериях, оценивалась на представительном статистическом материале цифровых интегральных схем логики, оперативных запоминающих устройств (ОЗУ), микропроцессоров (серии 564, 537, 587). Сравнивались примерно равные количества ИС, прошедших отбор (85779) и не проходивших отбор (82602). ИС были серийного изготовления, т.е. одинакового качества в состоянии поставки. Отбор ИС логики привел к уменьшению частоты отказов аппаратуры на них примерно в 3,5 раза, ОЗУ и микропроцессоров соответственно в 5 и 10 раз. Эффективность оценивалась по минимальному числу диагностических параметров - одному критерию, но при двух и более тестах (для отбора по второму критерию). Увеличение числа диагностических параметров, почти не увеличивая трудоемкость диагностирования, должно повысить эффективность отбора.
Установлено, что в поставках попадаются партии с полимодальными или равномерными распределениями диагностических параметров. В ряде случаев резко отличаются от среднестатистических значений математические ожидания диагностических параметров отдельных партий. Такие партии даже не подвергались отбору, а выбраковывались целиком. Опыт испытаний показал, что такие аномальные партии характеризуются пониженной надежностью.
Для сложной невосстанавливаемой электронной аппаратуры с длительным сроком активного существования оказывается существенной проблема надежности по постепенным (параметрическим) отказам, обусловленным долговременной нестабильностью параметров элементов.
Для оценки надежности по параметрическим отказам в теории надежности таких устройств с достаточным основанием принимается гипотеза о нормальном законе распределения параметров элементов. Пусть для простоты выходной параметр устройства совпадает с соответствующим параметром ИС. Минимально и максимально допустимые значения параметров ИС должны быть оценены математическим или физическим моделированием аппаратуры. В этом случае, зная время t работы аппаратуры и условия ее эксплуатации S и задаваясь величиной вероятности безотказной работы по параметрическим отказам, можно предложить третий критерий отбора - допустимый параметрический тренд ИС. Тренд целесообразно оценивать при воздействии наиболее значимых влияющих факторов с соответствующей организацией испытаний (термотренировка, повышенное и пониженное напряжение питания и т.д.). На испытания должны ставиться только ИС, прошедшие отбор по 1-му и 2-му критерию. Исходя из гипотезы постоянства выявленного параметрического тренда на всем временном интервале работы аппаратуры, можно осуществить отбор ИС по третьему критерию. Эффективность отбора по третьему критерию оценивалась при испытаниях линейных ИС, для которых постепенные отказы являются превалирующими, хотя и внезапные отказы также нередки. Испытаниям подвергались ИС операционных усилителей и компараторов (серии 140, 153, 544 и др.). Поскольку скорость деградационных процессов ИС в нормальных условиях эксплуатации невелика и возрастает при увеличении температурных и электрических нагрузок, вызывая рост постепенных отказов, были проведены форсированные испытания в три этапа:термоциклирование при температурах минус 60 и 150 С с выдержкой при каждой температуре по 1 часу (8 циклов);термотренировка в течение 250 часов при максимально допустимой по ТУ температуре кристалла;электротермотренировка в течение 350 часов при максимально допустимых по ТУ температуре и напряжении питания.
В результате испытаний с высокой достоверностью было показано, что наивысшей параметрической стабильностью обладают ИС, прошедшие отбор по 1-му и 2-му критерию. Среди ИС, не удовлетворяющих этим критериям, несколько ИС при испытаниях имели катастрофические отказы и значительный процент характеризовался высокой параметрической нестабильностью. Физический анализ таких ИС с помощью растрового электронного микроскопа с рентгеноспектральным анализатором выявил некоторые свойственные им механизмы отказов, проявляющиеся при наличии загрязняющих примесей в коррозионных изменениях металлизации и контактных площадок кристалла ИС, а также в нестабильности ионного заряда в оксидной пленке. Спектрограмма продуктов коррозии показала наличие на контактных площадках ИС активных загрязнений, содержащих хлор, который и привел к коррозии.
Таким образом было подтверждено, что технологические нарушения при изготовлении ИС ведут к деградационным изменениям диагностических параметров ИС, а в дальнейшем к постепенным и катастрофическим отказам. Но главное состоит в том, что предложенный отбор на основе параметрической диагностики обладает способностью обнаружения потенциальных дефектов на ранней стадии использования ИС, когда катастрофические последствия потенциальных дефектов весьма отдалены во времени.
Очевидно, что 2-ой и 3-ий критерии взаимосвязаны. И к отбору по 3-му критерию необходимо прибегать лишь в случаях, когда вероятность параметрических отказов аппаратуры становится заметной. Кроме того, следует иметь в виду, что отбор по третьему критерию приводит к внешним воздей ствиям на ИС, что неизбежно связано с расходованием жизненного ресурса ИС. Обычно при определении предмета технической диагностики подчеркивают в качестве существенной черты ограниченность информации об объекте диагностирования. Следует подчеркнуть и необходимость ограничения воздействий на объект. На знаменах технической диагностики, как и медицины должно быть начертано: «Не навреди».
Определение допустимого потенциала электростатических зарядов
Испытания на воздействия ЭСР проводились в соответствии с отраслевыми стандартами [33, 34]. Оборудование (стенд С4-М2.70011) по электронной принципиальной схеме соответствовало чертежу пункта 2 Приложения 3 к ОСТ 11 073.062-84 [33]. До испытаний на 15 транзисторах КП728Е1 были измерены основные электрические параметры: ток утечки затвора 1зут , остаточный ток стока Icocml пороговое напряжение затвор-исток l/зипор- Эти же параметры измерялись и в процессе испытаний при ЭСР различных напря жений. ЭСР подавались на выводы: сток-исток (5 транзисторов); затвор-исток (5 транзисторов); затвор-сток (5 транзисторов). Указанные пары выводов подвергались воздействию пяти ЭСР положительной и пяти отрицательной полярности, что соответствует требованиям ОСТ 11 073.062-84. Напряжения ЭСР подавались следующих значений: 65; 150; 200; 220; 260; 280; 300; 320; 340; 360 и 380 В.
По полученным результатам можно сделать следующие выводы:
При воздействии ЭСР на различные пары выводов критичным оказалась пара «затвор-сток», при воздействии на которую ЭСР напряжением 380 В имел место катастрофический отказ, что определяет значение опасного потенциала. Отказов при тех же воздействиях на другие пары выводов не наблюдались. Поэтому в соответствии с ОСТ 11 073.062-84 допустимое значение электростатического потенциала для транзисторов КП728Е1 равно 200 В, что соответствует III степени жесткости.
Воздействие ЭСР от 65 до 380 В не приводило к катастрофическим, параметрическим отказам по парам выводов: сток-исток, затвор-исток, а по паре выводов «затвор-сток» -до 360 В. Значение электрических параметров Ізут, Icocm, Іізипор после воздействия ЭСР различных полярностей (суммарно ПО воздействий ЭСР на каждую пару выводов) по данным эксперимента практически не изменялись.
Испытания проводились в соответствии с отраслевым стандартом ОСТ 11 073.062-84. Оборудование по электронной принципиальной схеме соответствовало чертежу пункта 2 Приложения 3 к ОСТ 11 073.062-84. В качестве информативного параметра использовалось пороговое напряжение затвор-исток 11зиюр измеряемое при значении тока стока /с=250 мкА (в соответствии с ТУ на данный тип транзистора). Ток стока контролировался на приборе В7-21 с точностью до ±3 мкА, пороговое напряжение измерялось на цифровом мулътиметре MY-61 с точностью 0,5 % через каждые 5 импульсов ЭСР. Напряжение ЭСР прикладывалось к выводам затвор-сток. За положительную полярность принималась такая полярность, при которой на затвор подавался «+». Отказ считался катастрофическим, если значение порогового напряжения выходило за пределы диапазона, оговоренного в ТУ (2..4 В).
Результаты испытаний на воздействие ЭСР транзисторов КП728Е1 различных партий (п. 1, 2, 3) представлены в табл. 2.4, из которой видно, что при меньших значениях напряжения ЭСР происходят катастрофические отказы транзисторов, что связано с наличием скрытых дефектов, затем через некоторый интервал напряжения разряда начинаются параметрические отказы только по параметру ІІзипор, которые во время испытаний по пп. 1, 2 и 3 до 800 В ЭСР не переходят в катастрофические.
Поведение группы транзисторов, подвергавшейся при каждом напряжении 50 воздействиям ЭСР следующее: катастрофические отказы произошли при 380 В, затем от 560 до 600 В ЭСР происходили параметрические отказы по параметру ІІзипор-, после чего появились катастрофические отказы при 620-680 В ЭСР. Появление катастрофических отказов при напряжении ЭСР, равном 380 В, связано с наличием скрытых дефектов у транзисторов.
В соответствии с пп. 3, 4, 5 программы исследований влияния электростатического 35 воздействия на транзисторы типа КП728Е1 снимались зависимости количества разрядных импульсов положительной полярности (9 транзисторов: № 1, 2, 3, 4, 5, 21, 23, 28, 30; 7эо =300-ь700 В), отрицательной полярности (6 транзисторов: № 6, 7, 8, 9, 10, 29; /30 300 1400 В), чередование положительной и отрицательной полярностей (5 транзисторов: №11, 12, 13, 14, 15, 24; tA cr=300 4- 500 В), приводящих к катастрофическим отказам, от напряжения разряда (рис. При воздействии положительной полярностью на выводы "сток-затвор" имел место плавный переход параметрических отказов в катастрофические. Исключение составил транзистор № 4, вышедший из строя после первой серии пяти воздействий ЭСР при напряжении разряда 450 В (U3nnop с 2,5 В снизилось до 0,1 В). Поскольку данный случай можно связать с наличием у транзистора № 4 производственного дефекта, исследования влияния разрядного напряжения С?ЭСР = 450 В было повторено для другого транзистора (№ 30).
При воздействии отрицательным напряжением ЭСР от 300 до 500 В катастрофических отказов не наблюдалось вплоть до числа ударов, равного 750 (транзисторы № 6, 8, 9, 10) за исключением транзистора № 7, катастрофический отказ которого имел место при количестве воздействий ЭСР, равном 550. Наблюдались лишь незначительные колебания V unop в сторону увеличения (не более, чем на 6 %).
Чтобы наблюдать катастрофические отказы при отрицательной полярности, диапазон напряжений ЭСР был расширен на 500 В в сторону увеличения. При подаче импульсов ЭСР полярностью «±» катастрофические отказы на всем диапазоне исследуемых напряжений разряда наблюдались раньше, чем в случае когда подавались импульсы положительной полярности
Стойкость транзисторов типов КТ315 и КТ361 к воздействию ЭСР
Эксперимент по воздействию ЭСР проводился на установке, соответствующей требованию стандарта [34] по модели тела человека. Воздействия ЭСР осуществлялись как положительной, так и отрицательной полярности. Максимальное значение ЭСР, получаемое на установке, равно 8000 В.
Для проведения эксперимента по воздействию ЭСР на транзисторы KT3I5P и КТ361ГІ, использовалась методика, согласно которой испытания начинались с предварительных замеров В АХ транзисторов и затем подавались импульсы ЭСР отдельно на каждый переход: коллектор-база одного транзистора, коллектор-эмиттер другого и база-эмиттер третьего, начиная с подачи 5 импульсов положительной полярности напряжением, соответствующим предельно допустимому по ТУ или ниже, при которых не наблюдается изменений в функционировании изделия. После подачи 5 импульсов проводилась проверка В АХ. При отсутствии изменения В АХ меняли полярность источника на обратную, вновь подавали на выводы этого изделия 5 импульсов ЭСР того же потенциала. При отсутствии изменений В АХ увеличивали потенциал и вновь воздействовали 5 импульсами ЭСР положительной полярности и т.д. Потенциал разрядного импульса увеличивали до значений, при которых начинались необратимые изменения В АХ, а затем катастрофический отказ.
Аналогично проводили эксперимент, начиная с воздействия разрядными импульсами отрицательной полярности, причем для этого использовали другую выборку транзисторов.
По изложенной выше методике получены результаты воздействия ЭСР на транзисторы, которые даны в табл. 3.4, 3.5.
При проверке электрических параметров транзисторы, отказавшие из-за превышения воздействия ЭСР, показали "короткое замыкание" во всех переходах. Типичные кривые ВАХ, полученные во время эксперимента, показаны на рис. 3.2-3.5, из которых видно, что после воздействия ЭСР может наблюдаться: снижение выходного тока, резкое возрастание коллекторного тока, стремящегося к короткому замыканию, а также возрастание обратных токов.
В результате анализа отказавших транзисторов КТ315Р после разгерметизации установлено: в транзисторах №№ 1, 2 произошло разрушение эмиттерного термокомпрессионного соединения (отслоение эмиттерного шарика от контактной площадки) вследствие образования интерметаллического соединения золото-алюминий-кремний, металлизация контактных площадок оплавлена, герме-тик на поверхности кристалла обуглен (рис. 3.6); в транзисторе № 3 эмиттерное проволочное соединение расплавлено и оборвалось вблизи термокомпрессионного шарика, металлизация контактных площадок оплавлена, вблизи эмиттерного шарика виден кратер от выгорания кремния (рис. 3.7); в транзисторе № 4 внешних проявлений превышения электрического режима при осмотре кристалла под микроскопом не обнаружено, т.е. произошло микропроплавление областей р-п переходов.
В ряде случаев, когда отказы ПЛИ от статического электричества занимают доминирующее место, к ним предъявляются высокие требования по стойкости к электростатическим разрядам. В партии ПНИ всегда есть некоторое количество изделий, имеющих пониженную чувствительность к ЭСР . В этом случае может оказаться целесообразным ввести предварительное (на стадии изготовления или входного контроля) разделение таких НИИ на две партии с различной величиной стойкости к ЭСР.
Известна методика испытаний с использованием разрядов малых потенциалов, разовое воздействие которых не приводит к отказу ИС, но может вызвать изменение информативного параметра, по которому партия схем разделяется на группы с различной стойкостью к ЭСР [39, 40]. Снижение надежности при этом не происходит, так как влияние единичного ЭСР на электрические параметры схем компенсируется отжигом при повышенной температуре, который был обнаружен в ПЛИ, в том числе и в ИС [4, 5].
Опробование данной методики разбраковки ИС по стойкости к ЭСР применительно к транзисторам не дало необходимых результатов, так как измерение информативного параметра в одной точке не позволяет судить о состоянии внутренней структуры транзистора.
Предложена и опробована методика разделения партии транзисторов на две группы, различающихся стойкостью к ЭСР. Эксперименты проводились на кремниевых биполярных транзисторах КТ315Р (п-р-п типа) и КТ361Г (р п-р типа) в два этапа [41-45].
Переход коллектор-база каждого транзистора подвергался воздействию пяти импульсов ЭСР положительной и отрицательной полярности по модели " тело человека". Напряжение ЭСР составляло половину от величины опасного потенциала. Величина последнего была получена путем стандартных испытаний в режиме, указанном в отраслевом стандарте [33]. Экс 68 периментально полученная величина опасного потенциала составила 2,9 кВ для транзисторов КТ315Р и 3,5 кВ для транзисторов КТ361Г.
Блок испытания, предназначенный для подсоединения транзистора к установке имитации ЭСР и измерителя характеристик Л2-56А, представляет собой экранированное контактное устройство, в которое вставляется транзистор на колодке, припаянной к фольги нированному текстолиту для защиты от наводок и помех. Присоединительные провода имеют минимальную длину и также экранированы.
В качестве информативного параметра использовался коэффициент усиления по току }і2із в схеме с общим эмиттером (измерялся до и после воздействия ЭСР с точностью 1 % на измерителе характеристик полупроводниковых приборов Л2-56А при Цю=10 В), точнее, его зависимость от тока коллектора (рис.3.8), которая наиболее полно характеризует работу транзистора и незначительно изменяется под воздействием ЭСР напряжением ниже опасного. Нижняя граница диапазона изменения коллекторного тока определяется шумами и различного рода наводками (1ктт = 0,1 мА), верхняя - максимально допустимой рассеивающей мощностью {1ктах 50 мА).
Партия транзисторов каждого типа предварительно разделялись на две группы по коэффициенту деградации Ks: где Sr площадь под кривой h2j Jt) до воздействия ЭСР; S2 - площадь под кривой Игізі h) после воздействия ЭСР.
Транзисторы, у которых коэффициент деградации не выходил за пределы допуска, причислялись к первой группе ( более стойкая к ЭСР). Пределы допуска Ks для транзисторов КТЗ 15Р устанавливаются не более 20 %, для КТ361Г - 15% так, чтобы в первой группе оказалось порядка 60% всех транзисторов.
Дрейф коэффициента усиления транзистора в сторону уменьшения его значения после воздействия ЭСР можно объяснить увеличением составляющей эмиттерного тока, обусловленной рекомбинацией электронно-дырочных пар на поверхности базы транзистора в формуле для случая п-р-п-транзистора [28 где 1„э, 1пк — эмиттерные токи эмиттерного и коллекторного р-п переходов;
Стойкость ИС типа КР561ЛН2 к воздействию ЭСР
Известно, как остро стоит проблема статического электричества при производстве и эксплуатации ПЛИ и РЭА [16]. Наибольшее воздействие ЭСР производят на МОП ИС, что обусловлено их конструктивно-технологическими особенностями. В этой связи необходимо знать значения допустимых потенциалов статического электричества для конкретных типов приборов, зависимость этих значений от различных факторов, а также уметь прогнозировать стойкость ИС к разрядам статического электричества.
Были проведены эксперименты, целью которых служило определение допустимого значения ЭСР для кремниевых МОП ИС типа К561ЛН2, исследование влияния температуры на стойкость ИС к воздействию ЭСР, а также исследование связи стойкости к воздействию ЭСР ИС, имеющих различные значения критического напряжения питания (КНП), т.е. минимального значения напряжения питания, при котором схема продолжает функционировать
Испытания проводились на установке, позволяющей получать импульсы ЭСР по модели "тела человека" как положительной так и отрицательной полярности величиной до 8 кВ. Перед проведением испытаний у всех ИС были измерены статические параметры и значение КНП.
Выявлены наиболее опасные пути прохождения ЭСР через ИС. Для этого импульсы ЭСР положительной и отрицательной полярности, амплитуда которых увеличивалась с каждым последующим шагом, подавались на следующие выводы различных ИС: вход-выход, вход-общая точка, выход-общая точка, питание-общая точка. Таким образом, было установлено, что для ИС типа КР561ЛН2 наиболее чувствительными путями прохождения ЭСР через ИС являются следующие: вход-выход (С/эс/- + 4000 В), вход-общая точка (JJOCP = + 5000 В). Так как путь вход-общая точка представляется наиболее вероятным местом воздействия в реальных условиях, то все дальнейшие испытания проводились именно с этой последовательностью выводов.
Построена зависимость числа импульсов ЭСР, приводящих к отказам ИС, от величины ЭСР для импульсов различной полярности (рис. 4.5). Оказалось, что наиболее опасным для ИС является чередование полярности воздействующих импульсов ЭСР (на рис. 4.5 обозначено как "+/-"). Дальнейшие испытания проводились с использованием чередования полярности импульсов ЭСР "+/-«.
Аналогичным образом построены зависимости при различной температуре окружающей среды (рис. 4.6). Видно, что с повышением температуры увеличивается вероятность повреждения разрядами статического электричества.
Большой интерес представляет зависимость числа импульсов ЭСР ог напряжения для ИС, имеющих различное значение КНП (рис. 4.7). Оказалось, что наибольшей стойкостью к воздействию ЭСР обладают схемы, имеющие наибольший запас по напряжению питания, т.е. те ИС, у которых значение КНП наименьшее. Таким образом, величина КНП может служить критерием, позволяющим производить разбраковку ИС по стойкости к ЭСР.
После проведения экспериментов было произведено вскрытие микросхем с последующим фотографированием характерных электростатических дефектов Как известно [30], любая выпускаемая партия ИС состоит из трех под-партий, имеющих различную надежность: ниже надежности, указанной в технических условий (ТУ), соответствующую требованиям ТУ и выше требований по надежности, указанных в ТУ.
Целью работы [46] явилось выделение партии ИС повышенной надежности с высоким уровнем достоверности в процессе производства, а также на входном контроле на предприятиях — изготовителях радиоэлектронной аппаратуры.
Известны способы, позволяющие разделить партию ИС на две с использованием различных внешних воздействий и информативных параметров. Недостатком данных способов является невозможность выделения партии ИС, имеющих повышенную надежность с высоким уровнем достоверности, необходимых для ответственной аппаратуры и, следовательно, не позволяющих полностью заменить дорогостоящий процесс электротермотрени-ровки в процессе производства ИС и на входном контроле.
Предложен способ выделения из партии ИС схем повышенной надежности, включающий снятие зависимости КНП от температуры и воздействия электрическим разрядом. Суть способа поясняется схемой (рис. 4.10) [47].
На первом этапе проводили разделение ИС по методу КНП на две партии, имеющие соответственно пониженную надежность и надежность не ниже, чем по ТУ, следующим образом. Снималась зависимость КНП исследуемой ИС от температуры в интервале от 10 до 100 С и регистрировались значения КНП с использованием информативного параметра. Вычислялась площадь под кривой и сравнивалась с площадью эталонной кривой (рис. 4.11):
Если ASj О, то надежность ИС не ниже, чем по ТУ; если AS/ 0, то надежность ИС пониженная. После первого этапа выбиралась группа ИС с надежностью не ниже, чем по ТУ.
На втором этапе на эту партию ИС воздействовали потенциалом ЭСР, составляющим половину опасного. Затем проводили разделение ИС методом КНП следующим образом. Снималась зависимость КНП исследуемой ИС от температуры при 10-100 С и регистрировались значения КНП с использованием информативного параметра. Затем температуру повышали до максимальной температуры перехода и выдержи вали их в течение 24-48 ч, т.е. производили отжиг дефектов, и вновь измеряли зависимость КНП. Далее вычислялась площадь под кривой после отжига и сравнивалась с площадью под кривой, полученной после воздействия ЭСР (рис. 4.11). где Sncau - площадь под кривой зависимости КНП от температуры для ИС после воздействия ЭСР; Sncau — площадь под кривой зависимости КНП от температуры для ИС после термического отжига.
Если /L% 0, то надежность ИС повышенная; если Л% 0, то надежность ИС не ниже, чем по ТУ.
Предложенная методика разделения была апробирована на ИС типа КР561ЛН2. После разделения партии ИС, состоящей из 100 схем, было получено, что партия ИС, имеющая пониженную надежность, составляла около 2 %, партия с соответствующей ТУ надежностью - 70 %, с повышенной надежностью - 28 %.
При испытаниях на безотказность в течение 500 ч всех 100 схем (Г= 100 С, Ршх) отказов не наблюдалось, но у двух ИС, имеющих по определению пониженную надежность, электрические параметры резко измени- лись, приближаясь границам норм ТУ. На 98 ИС, соответствующих по надежности ТУ и повышенной надежности, таких изменений параметра не наблюдалось
