Введение к работе
Актуальность темы.
Среди множества проблем современной полупроводниковой электроники особое место занимает проблема качества и надежности выпускаемой продукции. Страны с развитой электронной промышленностью (США, Япония и др.) ежегодно затрачивают огромные средства на повышение качества и надежности своей продукции.
Одной из особенностей производства изделий электронной техники (ИЭТ) является то, что в каждой выпускаемой партии изделий, полностью соответствующей по качеству требованиям технических условий (ТУ), имеются изделия, различающиеся по надежности на два и более порядка, то есть присутствуют изделия со скрытыми дефектами, которые могут отказать как в период приработки, так и в период нормальной работы, и изделия, которые обладают повьшіенной по сравнению с основной массой изделий надежностью. Для устранения из партии потенциально-ненадежных ИЭТ проводятся сплошные отбраковочные испытания, включающие испытания при повышенных и пониженных температурах, термоциклирование, электротермотрени-ровку (ЭТТ) и т.п.
Мечтой производственников является нахождение такого метода отбраковки ИЭТ (в том числе интегральных схем (ИС)) в процессе их производства, который позволял бы, во-первых, отбраковать потенциально-ненадежные изделия; во-вторых, заменить длительные и дорогостоящие отбраковочные испытания, например ЭТТ, на диагностические методы, которые были бы не менее эффективными, но более дешевыми.
В настоящее время известно множество диагностических методов отбраковки потенциально-ненадежных ИС (использование m-характеристик, тепловых характеристик, шумовых критериев и др.), но достоверность этих методов недостаточна для того, чтобы внедрить один из них в технологический процесс изготовления ИС вместо дорогостоящих отбраковочных испытаний. Поэтому главной задачей в разработке новых и модификации известных методов диагностирования ИС является повышение их достоверности до уровня не менее 90-95%, что требуют национальные стандарты стран с развитой электронной промышленностью.
Наиболее перспективным методом диагностирования ИС из-за простоты его реализации, на наш взгляд, является метод критического напряжения питания (КНП). Но достоверность этого метода составляет порядка 50%, а его известные модификации позволяют повысить достоверность данного метода только до 70-80%.
Зачастую на производстве возникает необходимость не только отбраковки потенциально-ненадежных ИС, но и выделения из партии группы схем с повышенным уровнем надежности. Методы выделения схем с повышенной надежностью в технической литературе не описаны.
Поэтому считаем, что поиск модернизаций метода КНП с целью повышения достоверности отбраковки потенциально-ненадежных ИС до уровня не менее 90-95%, что позволило бы внедрить его в производство вместо ЭТТ, с одновременной возможностью диагностического выделения из партии ИС группы схем, имеющей повышенный уровень надежности, является в настоящее время весьма актуальным.
Работа выполнялась по теме ГБ 96-34 "Исследование и моделирование физических процессов в полупроводниковых материалах и приборах".
Цели и задачи работы.
Целью настоящей диссертации является разработка новых диагностических методов отбраковки потенциально-ненадежных ИС на основе метода КНП с достоверностью не ниже 90-95%, способных заменить дорогостоящие и длительные отбраковочные испытания как при производстве ИС, так и на входном контроле предприятий-изготовителей радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), а также позволяющих выделить из партии ИС группу высоконадежных схем. Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие задачи:
-
Разработать новые методы диагностирования потенциально-ненадежных кремниевых биполярных ИС серии 142, основанные на методе КНП, определить критерии оценки и проверить достоверность получаемых по ним результатов.
-
Определить возможность применения разработанных методов для выделения группы ИС серии 142 повышенной надежности.
-
Обосновать и экспериментально подтвердить возможность диагностики качества и надежности ИС серии 142 методами, основанными на оценке характеристик нелинейности энергопотребления.
-
Провести анализ взаимозависимости новых методов диагностики ИС, сравнение их по однородности и по достоверности, получаемых по ним результатов, используя различные статистические методы.
Научная новизна работы. В работе получены следующие новые научные и технические результаты: 1. На основе метода непосредственного измерения критического напряжения питания разработаны новые методы, суть которых в следующем:
по сравнению температурных зависимостей КНП исследуемой ИС с эталонной зависимостью для данного типа схем и сравнению температурных зависимостей исследуемой ИС до и после проведения термоциклирования отбраковываются потенциально-ненадежные ИС с достоверностью не ниже 95% (метод "термо-КНП").
по зависимости величины КНП от величины подаваемого на ИС тока проводится оценка качества напайки кристалла на кристаллодержателъ с достоверностью не ниже 90% (метод "ток-КНП");
-
Показана возможность выделения из партии ИС группы схем с повышенной надежностью методом "термо-КНП".
-
Применен к ИС серии 142 метод электрофизического индивидуального диагностирования, основанный на компьютерном моделировании аналоговых сигнатур нелинейности вольт-амперных характеристик.
-
Разработана методика сравнительной оценки новых диагностических методов.
-
Разработана универсальная программа расчета плошади петли гистерезиса, являющаяся необходимой составной частью методов диагностики ИС: "термо-КНП", "ток-КНП" и написанная в среде программирования "Delphi-3.0".
Реализация результатов работы, практическая ценность.
-
Разработан диагностический метод отбраковки потенциально-ненадежных ИС серии 142, получивший название "термо-КНП", обладающий высокой достоверностью (не ниже 95%), что позволяет внедрить его в технологический процесс изготовления схем вместо ЭТТ или на входном контроле при изготовлении РЭА. Определены критерии, по которым по методу "термо-КНП" можно выделить группу ИС (не менее 10%), обладающих повышенной надежностью. На метод "термо-КНП" подана заявка на изобретение.
-
Разработанный метод "ток-КНП" позволяет с достоверностью не ниже 90% отбраковывать ИС с дефектами напайки кристаллов на основание корпуса с производительностью в несколько раз большей, чем по прямому измерению теплового сопротивления кристалл-корпус. .
-
Метод электрофизического индивидуального диагностирования ИС серии 142 по характеристикам нелинейности энергопотребления (метод "XI1Э") позволяет сделать не только общий вывод о состоянии с качеством и надежностью исследуемой схемы, но и указать область нахождения скрытых дефектов схемы.
-
Проведенный сравнительный анализ диагностических методов с натурными испытаниями ИС серии 142 на безотказность показал высокую достоверность методов "термо-КНП" (не ниже 95%) и "ток-КНП" (не ниже 90%). Разработанная методика сравнительной оценки диагностических методов, основанная на использовании различных статистичесыгх методов, может применяться специалистами, занимающимися проблемой надежности, при всестороннем анализе разрабатываемых методов диагностики или их сравнении с известными диагностическими методами.
-
Разработанная универсальная программа расчета площади петли гистерезиса, написанная в среде программирования "Delphi-З.О", зарегистрирована в государственном фонде алгоритмов и программ Российской Федерации.
Результаты работы использованы на предприятиях ГП "ВНИПС" и АООТ "РИФ" при организации входного контроля ПС серий 142, 533, 765, что дало суммарный условный экономический эффект 75 тыс. руб. (в ценах 1998 г.).
4 Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
-
Метод диагностического контроля ИС серии 142, позволяющий сравнением температурных зависимостей КНП исследуемой схемы с эталонной зависимостью в сочетании со сравнением температурных зависимостей КНП исследуемой ИС до и после проведения термоциклирования отбраковать с достоверностью не ниже 95% потенциально-ненадежные ИС, а также выделить из партии группу схем, имеющих повышенную надежность (метод "термо-КНП").
-
Метод диагностического контроля напайки кристаллов ИС на кристаллодержатель или основание корпуса (метод "ток-КНП").
-
Метод электрофизического индивидуального диагностирования ИС серии 142, позволяющий не только определять потенциально-ненадежные схемы, но и указать область нахождения дефектов в ИС (метод "ХНЭ").
-
Методика сравнительной оценки различных диагностических методов по взаимозависимости, по однородности и достоверности результатов.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-технических семинарах "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 1995-1997 гг.), межвузовских научно-технических конференциях "Микроэлектроника и информатика" (Москва, 1996-1997 гг.), VIII международной крымской микроволновой конференции "КрыМиКо-98" (Севастополь, 1998 г.), 1Х-Х отраслевых научно-технических конференциях "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов" (Воронеж, 1995-1996 гг.), XXXV-XXXVI11 научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ВГТУ (Воронеж, 1995-1998 гг.).
Основные результаты работы изложены в 14 публикациях, в том числе в монографии "Обеспечение и повышение надежности полупроводниковых приборов и интегральных схем в процессе серийного производства" и программном средстве, зарегистрированном в государственном фонде алгоритмов и программ Российской Федерации. Подана заявка на изобретение.
В совместных работах автору принадлежит поиск и разработка принципов новых методов, проведение экспериментов, анализ и обобщение результатов. Объем и структура Оиссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Работа содержит 163 страницы текста, включая 57 рисунков, 35 таблиц и библиографию из 106 наименований.
