Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Закономерности эволюционного изменения конструкции и технологии производства интегральных схем и печатных плат как основных компонентов микроэлектронной аппаратуры, определяющих ее интеграцию 10
1.1. Закономерности эволюционного изменения интеграции и функциональной плотности интегральных схем 10
1.1.1. Дополнительный контроль и испытания компонентов микроэлектронной аппаратуры 17
1.2. Закономерности изменения конструкции и технологии производства печатных плат 27
1.2.1. Влияние защитного покрытия на влагостойкость печатных плат 34
1.3. Комплексный подход к обеспечению качества микроэлектронной аппаратуры 40
Задачи диссертации 47
Глава 2. Причины и механизмы отказов интегральных схем 48
2.1. Зависимость эффективности анализа отказов от оснащенности участка 48
2.2. Причины и механизмы отказов интегральных схем 55
2.2.1. Временное изменение интенсивности отказов интегральных схем
2.2.2. Характер и виды отказов в ИС 56
2.2.3. Модели отказов в ИС 59
2.3. Априорная оценка надежности ИС по коэффициенту выхода годных 64
2.4. Оценка эффективности применения дополнительного контроля и отбраковочных испытаний 72
2.4.1. Пример оценки эффективности применения дополнительного контроля и отбраковочных испытаний 78
Выводы к Главе 2 81
Глава 3. Причины параметрических отказов печатных плат 83
3.1. Факторы, определяющие влагоустоичивость печатных плат 83
3.1.1. Актуальность 83
3.1.2. Методика эксперимента 84
3.1.3. Изменение электрических свойств печатных плат без защитного покрытия 86
3.1.4. Обсуждение результатов 90
3.2. Влияние защитного покрытия на влагоустоичивость печатных плат 96
3.2.1. Изучение влияния защитного покрытия на эксплуатационные свойства печатной платы 96
3.2.2. Обсуждение результатов исследования 100
3.3. Процесс нанесения защитного покрытия 102
Выводы к Главе 3 109
Глава 4. Методическое обеспечение системы менеджмента качества предприятия 110
4.1. Обоснование принятия решения, обеспечивающего повышение эффективности функционирования организации-разработчика и изготовителя интегральных схем 110
Заключение 124
Литература 127
- Дополнительный контроль и испытания компонентов микроэлектронной аппаратуры
- Зависимость эффективности анализа отказов от оснащенности участка
- Изучение влияния защитного покрытия на эксплуатационные свойства печатной платы
- Обоснование принятия решения, обеспечивающего повышение эффективности функционирования организации-разработчика и изготовителя интегральных схем
Введение к работе
-3-
Актуальность темы исследования.
В настоящее время конкурентоспособность любого предприятия, независимо от формы его собственности и размеров, зависит в первую очередь от качества его продукции и соизмеримости ее цены с предлагаемым качеством, те от того, в какой степени продукция предприятия удовлетворяет запросам потребителя Высокое качество продукции, удовлетворяющее ожидания потребителя, соизмеряется современным потребителем со стоимостью (ценой) этой продукции
В условиях современного рынка успех производителя зависит от скорости его адекватной реакции на запрос потребителя Скорость зависит от времени практической реализации хорошо очерченной производителем цели,, обеспечивающей минимальные издержки производства высококачественной -продукции, а, следовательно, и минимальную ее цену для потребителя
Современная космическая микроэлектроника отличается от микроэлектроники для массового применения и является самостоятельным, направлением в производстве Компоненты, применяемые в ней, обладают следующей спецификой широкая функциональная номенклатура, малая серийность, высокие требования к надежности, расширенный температурный диапазон, стойкость к радиационному излучению
Объектом диссертационного исследования являются процессы, обеспечивающие повышение качества (надежности) интегральных схем (ИС) и печатных плат (ПП), применяемых в микроэлектронной аппаратуре (МЭА) военного и космического назначения
Рост интеграции МЭА достигается применением в ней высокоинтегрированных компонентов (интегральных микросхем и печатных плат) и обеспечивается совершенствованием их производства Достигнутый при новой интеграции уровень технологии обеспечивает возможность применения новых топологических норм проектирования компонентов и
компенсацию потерь качества изделий, обусловленную применением этих норм Новый «прорывный» процесс характеризуется более высокой разрешающей способностью, точностью и стабильностью, более низкой повреждаемостью по отношению к «старому» процессу
В связи с тем, что разработчики компонентов более высокой интеграции ИС и ПП делают разработку под общие для ряда предприятий требования к МЭА, а разработчики МЭА руководствуются конкретными техническими заданиями, возможно несовпадение требований к уровню качества компонентов МЭА Таким образом, в различных организациях, выпускающих ИС и ПП, уровень их качества может различаться с требованиями к уровню качества этих компонентов для конкретного изделия МЭА Поэтому требуются дополнительные процессы, направленные на обеспечение повышения качества компонентов до требуемого уровня Обеспечение необходимых методик и процессов реализуется в системе менеджмента качества (СМК) организации-разработчика МЭА
Таким образом, в объекте исследования существует проблема соответствия качества (надежности) компонентов требуемому уровню для МЭА военного и космического назначения Именно поэтому тема диссертации, посвященная разработке методик, улучшающих качество ИС и ПП, применяемых в космической МЭА, является актуальной
В настоящее время в объекте исследования существуют недостатки
Для ИС не установлен преобладающий процесс, приводящий к отказам
Не установлены условия прогнозирования надежности ИС
Отбраковочные испытания применяются потому, что они в априори дадут положительный результат, но нет методик экономического обоснования состава и режимов испытаний
Не определена зависимость результатов анализа отказов компонентов МЭА от выбора технических средств для участка анализа отказов
Не определены факторы, влияющие на влагостойкость ПП и критерии выбора защитного покрытия для печатных плат МЭА
Предметом диссертационного исследования являются методики обеспечения качества и надежности компонентов МЭА требованиям, установленным изготовителем МЭА военного и космического назначения, а также обоснование некоторых требований системы менеджмента качества
Для решения проблемы, существующей в объекте исследования, в диссертации ставились следующие задачи
-
Провести анализ механизмов и причин возникновения отказов в ИС, установить преобладающий процесс, приводящий к отказам
-
Обосновать прогнозирование надежности ИС по ее статистической дефектности (коэффициенту выхода годных) Определить условия прогнозирования
-
Разработать методику оценки эффективности проведения дополнительных отбраковочных испытаний (ДОИ) и диагностического неразрушающего контроля (ДНК) с целью оптимизации состава испытаний
-
Обосновать выбор защитного покрытия ПП по критерию скорости деградации эксплуатационных свойств под воздействием влажной атмосферы Выбрать защитное покрытие по указанному критерию и участвовать в разработке процесса его нанесения
-
Установить зависимость результатов анализа отказов от выбора технических средств для участка анализа Показать, что выбор технических средств, предназначенных для анализа отказов компонентов МЭА, обеспечивает расширение номенклатуры анализируемых объектов и является примером решения, повышающего эффективность функционирования организации
В результате проведенной работы получены следующие новые результаты:
1 На основе обработки результатов анализа отказов установлен преобладающий механизм отказа - диффузия металла по поверхности Предложены изменения ванны отказов для ИС Даны рекомендации по
составу отбраковочных испытаний, выявляющих потенциально ненадежные элементы
-
Показана принципиальная возможность прогнозирования надежности ИС по коэффициенту выхода годных
-
Разработана методика оценки эффективности применения ДНК и ДОИ ЭРИ, основанная на оценке изменения интенсивности отказов в результате испытаний ЭРИ
-
Определены факторы, влияющие на влагостойкость ПП и критерии выбора защитного покрытия для печатных плат МЭА Установлено, что электрическая нагрузка при воздействии на ПП влажной атмосферой приводит к снижению скорости изменения диэлектрических характеристик, что объясняется проявлением процесса самоподсушивания платы вследствие протекания тока между проводниками
-
Определена зависимость результатов анализа отказов компонентов МЭА от выбора технических средств для участка анализа отказов Показано расширение номенклатуры отказавших компонентов от количества функций технических средств участка анализа (степени его оснащенности)
-
Обоснованы вопросы методического обеспечения при разработке технической политики для организации-разработчика и изготовителя ИС
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе результатов проведенных исследований
- Разработана методика оценки эффективности проведения ДОИ и ДНК ЭРИ, обеспечивающих улучшение надежности МЭА за счет исключения потенциально ненадежных ЭРИ Методика позволяет определить оптимальные режимы дополнительных испытаний и ужесточенные допуска для контроля параметров ЭРИ, обеспечивающих снижение интенсивности отказов
- Разработаны методики оценки влагозащищенности печатных плат по их способности противостоять воздействию влажной атмосферы (скорость проникновения влаги) На основе методик был проведен ряд работ по
обеспечению работоспособности выпускаемых изделий в условиях повышенной влажности по комплексу стандартов «Мороз-6» и принято решение о замене лакового покрытия на основе УР-231 на защитное покрытие на основе поли-пара-ксилилена
- Установление преобладающего механизма отказов позволило сделать
рекомендации для программы отбраковочных испытаний по выбору
ужесточенных норм и режимов испытаний, обеспечивающих отказы
потенциально ненадежных элементов по указанному механизму
Разработанные в диссертации методики внедрены и используются на одном из ведущих в области разработки и производства изделий военного и космического назначения предприятии - ФГУП «НИИ «Субмикрон», ООО «НИИ «Компонент»
Достоверность полученных результатов работы подтверждается необходимым объемом, теоретической обоснованностью и корректностью проведенных экспериментов, применением методов статистической обработки, обсуждениями на научно-технических конференциях, применением результатов исследований при разработке и производстве аппаратуры
Методики исследований базируются на теоретических физико-химических основах материаловедения полупроводниковых приборов, интегральном термодинамическом подходе в диагностике и надежности МЭА, математическом моделировании
Апробации работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях
XXXIV Международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT + S&E'07» Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 20 - 30 мая, 2007 г
Семинар «Пути решения задач обеспечения современной радиоэлектронной аппаратуры надежной электронной компонентной базой» ОАО «РНИИ «Электронстандарт», 23-25 января 2008 г
Научно-технический совет ФГУП «НИИ «Субмикрон»
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах в 8 статьях (в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК), 1 тезисе доклада на международной научно-технической конференции IT + S&E'07 и 1 докладе на семинаре ОАО «РНИИ «Электронстандарт»
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержащих 30 рисунков и 22 таблицы, заключения и списка использованной литературы Общий объем работы - 133 страницы
Положения, выносимые на защиту:
-
Методика оценки эффективности проведения ДОИ и ДНК ЭРИ, основанная на оценке изменения интенсивности отказов в результате испытаний ЭРИ, позволяющая оптимизировать состав испытаний
-
Закономерности изменения электрических свойств печатных плат от влажности и времени выдержки, позволяющие оценить степень изменения эксплуатационных характеристик
-
Зависимость номенклатуры анализируемых объектов от степени оснащенности участка анализа отказов
Дополнительный контроль и испытания компонентов микроэлектронной аппаратуры
В существующей практике разработки и изготовления МЭА большое внимание уделяется дополнительным процессам отбраковки элементной базы как одному из способов обеспечения заданного качества, надежности и технического уровня.
Надежность ЭРИ определяется внешними воздействующими факторами (механическими, температурными, климатическими, электрическими, радиационными и другими), режимами эксплуатации и внутренними воздействующими факторами (старение, износ, процессы активизации дефектов и неоднородностей структуры элементов). Показатели надежности МЭА являются функциями параметров ЭРИ и скорости их изменения при воздействии внешних и внутренних факторов. Нарушение функционирования элемента в процессе его эксплуатации объясняется изменением его структуры и в конечном итоге приводит к отказу элемента.
Структура элемента формируется при его проектировании и реализуется технологией его изготовления. В процессе создания элемента невозможно избежать тех или иных отклонений от оптимальной структуры, поскольку всегда существуют дефекты исходных материалов, а также неконтролируемые и неуправляемые отклонения, колебания технологического процесса производства. Любая партия элементов, изготовленная из одних и тех же материалов, на одном и том же оборудовании и по единой технологии, состоит из неидентичных образцов.
Даже если различия элементов несущественны с точки зрения их функционирования в аппаратуре, они могут привести к тому, что показатели индивидуальной надежности элементов будут различаться в широких пределах. На основании имеющихся материалов и опыта применения различных методов выявления потенциальных дефектов, предлагается следующий вариант алгоритма проведения диагностического неразрушающего контроля (ДНК) и дополнительных отбраковочных испытаний (ДОИ) различных ЭРИ и ИС (таблица 1.1).
Задачей диагностического неразрушающего контроля ЭРИ является, по существу, рассортировка их по признакам образца, эталона. При этом элементы иногда достаточно разделить на две группы: более и менее надежные. Рассортировка осуществляется при помощи измерения информативных параметров, выбор которых представляет собой достаточно трудоемкую, весьма ответственную научно-техническую задачу.
Информативными параметрами часто могут быть параметры ЭРИ, указанные в ТУ, но измеренные в специальных режимах (не превышающих режимов, установленных в ТУ). Поведение обычного параметра ЭРИ до и после внешних (неразрушающих) воздействий на него часто является весьма информативным с точки зрения прогнозирования надежности ЭРИ.
Стоит отметить, что изготовителю МЭА зачастую крайне сложно проводить контроль информативных параметров ИС, т.к. для этого необходимо оснащение служб входного контроля автоматизированными тестерными системами, увеличение штата высококвалифицированного персонала. Кроме того, при производстве изделий космического и военного назначения используется очень широкая номенклатура ЭРИ и ИС. Поэтому измерять параметры ИС по ТУ при проведении входного контроля становится экономически нецелесообразным.
Выходом из сложившейся ситуации могут служить другие методы ДНК, основанные на связи статистического параметра с надежностью. Наиболее наглядным среди электрофизических методов неразрушающего контроля является электропараметрический, основанный на исследовании вольт-амперных характеристик (ВАХ). При этом для оценки качества используются как количественные, так и качественные признаки. И в том и в другом случае используются отличия ВАХ от «идеальной» [15].
В большинстве случаев по абсолютной величине измеренных параметров, даже если они отнесены к категориям информативных, можно делать выводы о качестве изделий только при наличии резко выраженных аномалий. Значительно большую информацию можно получить при оценке дрейфа параметров и характеристик, измеренных до и после проведения ДОИ [33]. В отечественной и зарубежной практике находит применение целый ряд методов интенсификации развития потенциальных дефектов. К числу наиболее распространенных относятся: хранение при высокой температуре; испытания на принудительный отказ элемента при высокой температуре; постоянное ускорение; удар; термоциклирование; вибрация с переменной частотой и т.д. [33]
Примерный перечень дефектов ИС и выявляющие их методы отбраковочных испытаний приведены в таблицах 1.2—1.3 [34-37].
Для конкретных типов ИС эффективность отбраковки зависит от того, какие дефекты в них являются основными. Так как дефекты в партии ИС заранее неизвестны, то в программу отбраковочных испытаний включают, как правило, несколько видов воздействий, которые в комплексе позволяют отбраковать изделия почти со всеми видами дефектов. Из таблиц видно, что наиболынее количество дефектов можно отбраковать используя термоциклирование и электротермотренировку (ЭТТ).
Электротермотренировка (ЭТТ) является одним из самых эффективных и доступных способов ДОИ ЭРИ. В зависимости от технологии изготовления и типа компонентов используют три метода ЭТТ:
- статическая (при температуре +125С в течение 168 ч в условиях воздействия на компоненты прямого и обратного напряжений смещения);
- динамическая (выдержка компонентов, находящихся в динамическом режиме при температуре +125С в течение 168 ч);
- комбинированная статическая и динамическая при оговоренный режимах внешних воздействий.
Для выявления дефектов поверхности больше подходит первый метод, дефектов металлизации - второй; сложные микросхемы лучше подвергать комбинированной ЭТТ.
Несмотря на то что ЭТТ является одним из наиболее широко используемых методов отбраковочных испытаний (в силу своей трудоемкости, энергоемкости и временных затрат), она обходится сравнительно дорого [37]. Поэтому задача оптимизации режима ЭТТ весьма актуальна.
Режим ЭТТ характеризуется следующими параметрами: электрическая нагрузка (Е), температура (Т) и продолжительность тренировки ( t ). Оптимальному режиму ЭТТ может соответствовать требование, когда такой режим обеспечивает выявление максимального числа потенциально ненадежных ЭРИ за минимальное время при заданном уровне качества тренированных ЭРИ для работы их в условиях, оговоренных ТУ.
Основной целью разрушающего физического анализа (РФА) является представление информации для технической оценки партии компонентов, основанной на испытаниях и визуальном осмотре внутреннего качества, конструкции и образцов партии. Выборка не предназначена быть статистически важной, поэтому результаты РФА должны быть оценены по критериям прохождения или отказа. При проведении РФА можно использовать метод 5009.1 стандарта MIL-STD-883 или следующую модель (таблица 1.4).
Методы и средства ДНК ЭРИ становятся неотъемлемой частью системы входного контроля приборостроительного предприятия, изготавливающего неремонтируемую аппаратуру с длительными сроками активного существования. Использование на входном контроле эффективных методов и средств ДНК и ДОИ позволит предотвратить попадание в МЭА потенциально ненадежных ЭРИ и таким образом существенно снизить интенсивность отказов МЭА.
Приведенные методы дополнительного контроля и испытаний ЭРИ зачастую используются на отечественных предприятиях-разработчиках и производителях МЭА без учета их эффективности. Ужесточенные нормы и режимы испытаний выбираются или на основе литературных данных или исходя из опыта работы. Однако мы живем в условиях рыночной экономики, поэтому производители аппаратуры военного и космического назначения вынуждены считаться с ее законами. Введение любых дополнительных расходов (к которым относится введения дополнительного контроля и испытаний компонентов МЭА) должно быть экономически оправдано. Оценить эти дополнительные расходы относительно просто. Гораздо более сложным представляется оценка результата от внедрения на предприятии ДНК и ДОИ. Поэтому в настоящее время существует проблема оценки эффективности применения методов ДНК и ДОИ ЭРИ.
Зависимость эффективности анализа отказов от оснащенности участка
Один из этапов жизненного цикла МЭА (рис. 2.1) - анализ отказавших элементов является составной частью комплекса работ по обеспечению надежности аппаратуры. Его цель - установление причин и механизмов возникновения отказов на различных этапах. Информация, полученная в результате анализа, может быть использована для устранения недостатков в конструкции, процессах производства и эксплуатации изделия, а также для повышения производственной культуры исполнителей, т. е. на протяжении всего жизненного цикла выпускаемой продукции.
Получение объективной и достоверной информации 6 причинах и механизмах отказов элементов требует вполне определенной методологии исследований, сложных и, как правило, дорогостоящих диагностирующих средств и квалифицированных инженерно-технических кадров, обладающих достаточными знаниями как в области технологии изготовления элементов, так и в области радиоприборостроения.
Процесс анализа отказавших элементов, в общем случае включает в себя следующие этапы [33]:
- исследования отказавших элементов с целью выявления электрических, физических и химических дефектов, аномалий и других несоответствий, которые могут быть причинами отказов;
- установление корреляции между обнаруженными дефектами (аномалиями, несоответствиями) и типами (видами) отказов с целью сокращения последствий отказа;
- определение механизмов отказов и установление причин (процессов, явлений, обстоятельств), превращающих дефект в отказ;
- разработка и реализация мероприятий по устранению причин отказов.
При анализе конкретных элементов последовательность и объем работ на каждом этапе могут изменяться, однако общая схема справедлива для подавляющего большинства случаев. В табл. 2.1 представлены основные методы диагностики (физико-технические и информативных параметров) типичных дефектов БИС [48].
Ценность информации, полученной при анализе отказов, определяется результатами исполнения принимаемых по ней технических решений, направленных на обеспечение отказоустойчивости разрабатываемых изделий, улучшения их характеристик качества, повышения качества процессов их изготовления. В то же время, объем получаемой информации зависит от степени оснащенности участка анализа отказов. В таблицах 2.2 и 2.3 представлены данные анализа отказов функциональных узлов (ФУ) электронной аппаратуры в различные периоды работы участка. Начальная оснащенность участка позволила производить снятие вольтамперных характеристик (ВАХ) р-п переходов в различных элементах интегральных схем (ИС). При отсутствии сигнала на осциллографе фиксировался отказ. После процедуры освобождения кристалла от корпуса и локализации цепи место отказа наблюдалось при 100-кратном увеличении изображения в микроскопе МБС-9. Это позволило выявить следы оплавления проводника в месте разрыва и идентифицировать причину отказа - перегрузку в цепи питания. По результатам анализа была скорректирована документация, обращено внимание на необходимость контроля напряжения на операции перепрограммирования.
Дополнение участка оборудованием, обеспечивающим наблюдение элементов микросхем при значительном (более чем 1000-кратном) увеличении, проведение рентгеноструктурного анализа при очень малых количествах вещества позволило расширить возможности участка.
В таблице 2.3 приведены примеры результатов анализа, полученных на участке после улучшения его оснащенности. Дефект проявлялся в виде отслаивания полосок Си в гребенчатом конденсаторе и наличии загрязнений по краям дорожек. Оптические фотографии, полученные при увеличении 160-250 крат на оптическом микроскопе, позволяют локализовать дефектный участок и получить надежный ориентир при дальнейшем детальном исследовании в растровом электронном микроскопе (РЭМ). Локальное исследование дефектных участков схемы во вторичных электронах и рентгеновский микроанализ на приборе Leitz-IOOOA позволили сделать вывод, что возможной причиной нарушения адгезии системы Сг-Си может быть наличие С/ на поверхности. Так, загрязнения хлором были ликвидированы введением в технологический процесс операции отмывки подложек, полностью удаляющей следы хлора. Был изменен технологический процесс приклеивания объемных проводников к подложке мастикой ЛН, устраняющий их перегрев более 50С, скорректирована технологическая карта.
Другой пример анализа: в ячейке, состоящей из полиимидной платы, наблюдались дендриты, растущие из медного слоя проводника. Дендриты приводили к замыканию проводников разводки. Рассмотрение проводников под оптическим микроскопом при увеличении 160-250 крат позволило установить, что дендриты черного цвета из рыхлого вещества. Микроанализ состава порошка из дендритов выявил соединение меди и серы. Спецификация состава ячейки позволила установить наличие серы в резиновой прокладке, защищающей ячейку от вибрации. Оказалось, что во время чистки ячейки металлической щеткой, образовывались резиновые крошки, которые попадали на поверхность полиимидной платы. Смена антивибрационной прокладки обеспечила устранение данного вида отказов.
Сравнение эффективности участков анализа отказов с различной степенью оснащенности приведено в таблице. 2.4
Опыт развития промышленных стран показывает, что 70-75% всех мер по обеспечению качества и надежности продукции осуществляется на этапах проектирования, отработки опытных образцов и отладки технологии; 20-25% отводится на контроль технологических процессов и 5-10% - на контроль и испытания готовой продукции.
Таким образом, можно констатировать, что степень полезности информации, получаемой на участке анализа отказов, зависит от его оснащенности. При недостаточной оснащенности практическая ценность принимаемых решений низка. Требуется стратегическое решение руководства организации о дополнительном оснащении участка необходимым оборудованием. При выборе номенклатуры и количества единиц оборудования должны учитываться характерные для данной аппаратуры отказы и финансовые возможности организации. При достаточной оснащенности, информация, получаемая при анализе отказов, зависит от профессиональной компетенции работников и обеспечивает принятие решений, позволяющих повысить отказоустойчивость изделий.
Изучение влияния защитного покрытия на эксплуатационные свойства печатной платы
Как было показано выше, использование печатных плат без дополнительных мер защиты от воздействия влаги неприемлемо для МЭА космического назначения по причине ее недостаточной влагоустойчивости. Поэтому задача выбора защитного покрытия на сегодняшний день являются актуальной. Для этого были проведены испытания платы №2 по методикам, приведенным в разделе 3.1. В качестве критериев отказа были выбраны: электрическое сопротивление изоляции между проводниками сигнальных цепей RH3 109 Ом; емкость между проводниками сигнальных цепей С = Сном ± (5 - 10)%.
Результаты испытаний представлены в таблице 3.3 и на рис. 3.12-3.14. После испытаний плата выдерживалась в н.к.у. без приложения напряжения в течение 24 часов. После этого значения характеристик платы №2 возвратились к первоначальным показаниям: Яиз = 15-1010МОм, Са с= 3,1 пФ, tg5 = 0,01 на всех участках. Внешний вид поверхности платы не изменился.
На рисунке 3.15 приведена зависимость tg5 от частоты, полученная на участке 1 испытываемой платы. Для сравнения здесь приведены потери проводимости, рассчитанные по формуле tg6 = Уд у С Сравнение полученной зависимости tgS = f(y) или tgS = p{f) и потерь проводимости позволяет определить долю в этой величине потерь за счет абсорбционных процессов и потерь за счет проводимости. Из графика видно, что с увеличением частоты степень влияния абсорбционных процессов снижается.
На основании заданных критериев отказа, можно определить время до отказа платы с различными защитными покрытиями: Участок 2 Отказ через 1 час из-за увеличения С (3+0,3) пФ Участок 3 Отказ через 1 час из-за увеличения С (3+0,3) пФ Участок 4 Отказ через 4 часа из-за увеличения С (3+0,3) пФ
Изменения характеристик платы №2 носили обратимый характер. При этом скорость изменения 7?из, Сабс, tg6 различается на участках с различным покрытием.
Наличие изменений характеристик ПП на защищенных лаком участках указывает на то, что лаковые покрытия не обеспечивают полной защиты ПП. Однако они значительно (в 1,5 - 2 раза) снижают скорость изменения Сабс, tg5 относительно участка, не покрытого лаком. При этом снижение скорости происходит последовательно от участка 2 (лак УР-231 2 слоя) к участку 4 (лак на основе поли-пара-ксилиллена).
Как уже было показано ранее, на всех участках 1111 произойдет отказ по выбранным в 3.1. критериям. При разработке МЭА и выборе критериев отказа необходимо учитывать среднее время до отказа у плат с различными защитными покрытиями.
Обоснование принятия решения, обеспечивающего повышение эффективности функционирования организации-разработчика и изготовителя интегральных схем
Как было показано в разделе 1.1, большинство процессов, связанных с развитием микроэлектроники, носит явно выраженный экспоненциальный характер. Это справедливо и для электроники в целом, которая, развиваясь в течение последнего полувека с темпом 15% годовых, в конце 80-х вышла на уровень товарооборота, превосходящий любую другую отдельно взятую отрасль промышленности США [67]. Такого темпа не знало ни одно из направлений научно-технического прогресса (рис. 4.3а). Как известно, экспонента - неумолимо крутая функция, и результат здесь (применительно к электронике) будет увеличиваться 2,3 раза относительно предыдущего состояния приблизительно в каждые шесть с половиной лет.
В табл. 4.1 - табл. 4.2, а также на рис. 4.1 [68] представлены данные эволюционного изменения характеристик качества и показателей производства МЭА. Более подробные данные о временном изменении показателя удельной себестоимости приведены на рис. 4.2
Прогноз до 2015 - 2020 годов также демонстрирует неизменную выполнимость этой тенденции. Косвенно наличие указанной тенденции подтверждается эволюционным изменением аббревиатуры изделий: ИС, БИС, СБИС, УБИС.
Анализ зависимостей, приведенных на рис. 4.1 и 4.2 показал экспоненциальный характер их изменения. По экспоненциальному закону изменяются в сторону уменьшения характеристики: А - работа на единицу информации, т- время переключения (рис. 4.1 в и г), растет объем продаж МЭА (рис. 4.1а). По экспоненциальному закону уменьшается удельная себестоимость изготавливаемых изделий (рис. 4.16). Конструктивным фактором, определяющим эти изменения, является минимальный или характеристический размер элемента ИС - Втіп (рис. 4.3), который также изменяется по экспоненциальному закону годовым спадом 13%.
Таким образом, есть основания считать зависимость Bmin(t) ключевой зависимостью, предопределяющей черты эволюции ИС.
Каждый шаг эволюции (каждый переход на новые топологические нормы проектирования) обеспечивается совершенствованием производства по направлениям: рост диаметра пластины кремния D, снижение плотности дефектов, повреждающих физическую структуру ИС - d (см. табл. 4.1 и табл. 4.2). При этом фиксируется непрерывное экспоненциальное уменьшение удельной себестоимости изделия в пересчете на 1 бит информации (рис. 4.16, рис. 4.2).
Естественно полагать, что зафиксированные изменения, направленные на улучшение характеристик ИС, описываемых экспоненциальным законом развития, являются частью или следствием закона развития общества.
Характерной закономерностью развития общества в целом является эволюционное накопление информации. Проблема эволюционного развития количества информации изучалась "наукометрией" [72]. Этот процесс естественно рассматривать в качестве главного стимулирующего фактора развития ИС. Всякое изменение в количестве электронных компонентов и характеристик их качества необходимо для улучшения средств получения, обработки, хранения и воспроизведения информации.
Такая зависимость прослеживается со времени становления и развития полиграфии при изучении количества информации, заключенного в официальных изданиях.
Современные ИС - это основной инструмент накопления и переработки информации. Это техническая составляющая, обеспечивающая выполнение закона (4.2). Поэтому логично считать, что приведенные выше экспоненциальные закономерности изменения характеристик ИС, такие как интеграции N и быстродействие т , являются следствием потребности в обеспечении закона (4.2). Рост скорости накопления информации обеспечивается ростом производительности инструмента его накопления.
Производительность ИС W = N у пропорциональна числу элементов (транзисторов) N и числу циклов их функционирования в единицу времени обеспечивает технически рост информации Q.
Экспоненциальный рост накопления информации - это потребность всего общества в целом. Он обеспечивается экспоненциальным ростом производительности технического инструмента накопления и переработки информации ИС. Однако сам процесс совершенствования конструкции (параметры Bmin, SKp) и производства изготовления ИС (параметры D и d) должен быть экономически целесообразным для предприятия, разрабатывающего и производящего ИС. При этом затраты на разработку и производство технических средств, обеспечивающих переход на новый диаметр пластин и снижающих плотность повреждающих дефектов, должны покрываться прибылью от продажи новых изделий, характеризующихся большей производительностью накопления и переработки информации. Каждый квадратный сантиметр пластины после перехода на новые топологические нормы проектирования (Bmin - 0) должен обладать более высокой ценой за счет улучшения характеристик качества (более высокой степени интеграции, быстродействия (рис. 4.1г), снижения энергопотребления (рис. 4.1в) и меньшей себестоимостью (рис. 4.16)).
Следующий наиболее важный вопрос - обеспечение долговременного характера тенденции к росту интеграции и функциональной емкости СБИС. Анализ работ в области разработки и производства СБИС позволяет получить ответ на этот вопрос. Препятствием к созданию схем высокой интеграции являются повреждающие физическую структуру СБИС дефекты, а конкретно отсутствие возможности уменьшения размера Bmin, т.е. методов и технических средств, обеспечивающих снижение повреждающих дефектов.
Именно эта характеристика определяет эффективность производства цифровых СБИС. Коэффициент выхода годных цифровых СБИС можно определить по модели, наиболее адекватной современному производству[5 8].
Отсюда можно считать, что объективными факторами, стимулирования разработки и производства ИС более высокой степени интеграции являются факторы экономические — рост цены изделия и снижение его себестоимости. В условиях конкуренции эти факторы являются определяющими в достижении прибыли от продажи продукции.
Таким образом, объективные закономерности развития микроэлектроники, в частности это касается и ИС, обеспечиваются экономическими стимулами. Именно эти стимулы определяют необходимость добиваться снижения характеристического размера элемента. Решения, направленные на выполнение закономерности Вт-т (t), (рис. 4.3) обеспечивают потребность общества, определяемую объективным законом развития (4.2). Исполнение решений позволяет снизить рост удельной себестоимости и увеличить удельную цену ИС.
Следующий вопрос, на который должно ответить руководство организации - как совершенствовать технологический процесс для достижения цели. Рассмотрим отдельные варианты достижения конкурентоспособности ИС, которые некоторые отечественные организации выбрали в качестве направления развития своей продукции.
Одним из вариантов повышения конкурентоспособности продукции провозглашен принцип «отличительных особенностей», который заключается в том, что результат, обеспечивающий конкурентоспособность предприятия, достигается без существенного переоборудования технологического процесса [73]. Например, внедрение элементов микромеханики в ИС при сохранении топологического размера Bmin.
Другой вариант повышения конкурентоспособности продукции -расширение номенклатуры СБИС (сверхбольше интегральные схемы) [74]. В частности, производство мелкими сериями СБИС различного назначения: микроконтроллеры и микропроцессоры по заказной технологии, аналоговые схемы и схемы обработки смешанных сигналов, схемы памяти и др. Подчеркнем, что в организациях, разрабатывающих и производящих ИС, массовую продукцию выпускают по установившимся в производстве нормам проектирования (минимальный размер элемента 1 мкм), что свидетельствует об отсутствии в них разработки новых «прорывных» процессов, в результате которых достигаются лучшие показатели технологического процесса и качества современных СБИС.
