Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Источники влаги в корпусах интегральных схем и методы контроля 8
1.1 Источники влаги в корпусах интегральных схем 8
1.1.1 Внутренние источники влаги в ИС 9
1.1.2 Внешние источники влаги в ИС 11
1.1.3 Технология герметизации и содержание влаги внутри корпусов ИС 15
1.1.4 Способы снижения влажности в объеме корпуса ИС 19
1.2 Методы контроля содержания влаги внутри корпусов ИС 23
1.2.1 Разрушающие методы определения влажности внутри корпуса ИС 24
1.2.2 Неразрушающие методы измерения влажности в корпусах ИС 29
Выводы к главе 1 36
Глава 2 Микроэлектронный датчик влажности поверхностно конденсационного типа 37
2.1 Конструкция датчика влажности 38
2.2 Технология изготовления 44
2.3 Градуировка резисторов и диодов датчиков влажности 48
2.3.1 Градуировка резисторов 48
2.3.2 Градуировка диодов 51
2.4 Контроль измерений по 1ут 55
Выводы к главе 2 60
3 Разработка неразрушающих методов контроля влаги в подкорпусном объеме ИС 61
3.1 Определение количества влаги в подкорпусном объеме ИС типа 1564ИП7 и 1564ЛИ1 по влагозависимым параметрам 61
3.2 Способ контроля содержания влажности в подкорпусном объеме ИС 71
3.3 Метод выявления загрязнений кристаллов различных типов ИС 74
Выводы к главе 3 80
Основные результаты и выводы 81
Список литературы 82
Приложение А 89
- Технология герметизации и содержание влаги внутри корпусов ИС
- Конструкция датчика влажности
- Определение количества влаги в подкорпусном объеме ИС типа 1564ИП7 и 1564ЛИ1 по влагозависимым параметрам
- Метод выявления загрязнений кристаллов различных типов ИС
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие интегральных схем (ИС) связано с увеличением степени интеграции, то есть числа элементов на кристалле, и функциональной сложности, что обеспечивается как уменьшением размеров элементов, в том числе ширины тонкопленочных проводников и зазоров между ними, так и увеличением площади кристаллов При этом площадь, занимаемая межсоединениями, увеличилась с 20% до 80% для сверхбольших интегральных схем (СБИС)
С увеличением степени интеграции повышается чувствительность ИС к процессам, происходящим на поверхности кристалла, большинство которых связано с содержанием влаги внутри корпусов
Сконденсированные или адсорбированные на поверхности полупроводникового кристалла пары воды либо непосредственно участвуют в дегра-дационных процессах, таких как коррозия металлизации, либо косвенно способствуют развитию разного рода механизмов отказа ИС Отказы, связанные с воздействием влаги, составляют 25% от общего их числа для гибридных ИС и 60-80% - для ИС в металлостеклянных и керамических корпусах
Как правило, наличие влаги на поверхности кристалла может вызвать одновременно несколько деградационных процессов с преобладанием одного, чаще всего коррозии Поэтому очевидным стало требование заказчика к технологическому процессу изготовления ИС, что содержание паров воды в подкорпусном объеме при температуре 25С должно быть не более 0,05 объемного процента, что идентично допустимому содержанию паров воды, нормируемому военным стандартом США MIL- STD-883E, равному 500 ррт (ррт - одна часть на миллион)
Учитывая последние технические требования к ИС по надежности сохраняемость не менее 25 лет и наработка не менее 150 тыс ч - особенно важно изучать механизмы отказов, анализ причин и источников попадания влаги в корпуса, на основе чего правильно оценивать мероприятия по снижению ее уровня для повышения надежности ИС Это становится возможным при точной оценке содержания паров воды внутри корпуса ИС
За последние 25 лет в мировой практике накоплен опыт по разработке методов контроля содержания влаги и инструментов для такого контроля, перспективными из которых являются микроэлектронные датчики влажности (МЭДВ), монтируемые непосредственно в корпус ИС вместо кристалла или одновременно с ним
До последнего времени в РФ и странах СНГ не разработано ни одного типа МЭДВ Только в 2004 году группа ученых под руководством профессора М И Горлова разработала датчик влажности поверхностно-конденсационного типа Но применение этого датчика затянулось из-за от-
сутствия заинтересованности руководства предприятий в его изготовлении Лишь в середине 2006 г на заводе «Транзистор» была изготовлена партия этих датчиков, что позволило разработать методику их применения и провести эксперименты по определению содержания влаги в подкорпусном объеме серийно выпускаемых ИС
Поэтому считаем, что практическая проверка применения разработанных МЭДВ и разработка новых способов контроля влаги внутри корпусов ИС являются в настоящее время актуальными задачами
Работа выполнялась по теме ГБ 2001-34 «Изучение технологических и физических процессов в полупроводниковых структурах и приборах» и ГБ 2004-34 «Исследование полупроводниковых материалов, приборов и технологии их изготовления»
Цели и задачи работы. Целью данной работы является исследование методов контроля содержания влаги внутри корпусов, практическое применение нового датчика влажности поверхностно-конденсационного типа, разработка неразрушающих способов контроля влаги в подкорпусном объеме ИС с помощью МЭДВ, или используя элементы ИС как датчики влажности, или по влагозависимым электрическим параметрам схемы и расчет необходимого количества циклов для выявления ИС с загрязнением кристалла
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи
разработать методику определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС микроэлектронными датчиками влажности и практически определить содержание влаги в серийно выпускаемых ИС,
сравнить результаты, полученные датчиком влажности и масс-спектрометрическим способом,
разработать способ опосредованного определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС, используя элементы ИС как датчик влажности, на примере схем ДТЛ, ТТЛ,
разработать способ определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС по влагозависимым электрическим параметрам, применимый для сплошного контроля схем в партии,
рассчитать необходимое количество термоциклов для выявления ИС с загрязнениями кристаллов
Научная новизна работы. В работе получены следующие новые научные и технические результаты
1 Разработана методика определения влаги в подкорпусном объеме ИС с помощью датчика поверхностно-конденсационного типа, на основании которой проведены измерения содержания влаги серийно выпускаемых ИС
-
Разработан способ неразрушающего определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС, используя элементы схемы как датчики влажности
-
Разработан неразрушающий способ сплошного контроля партий ИС по содержанию влаги в подкорпусном объеме по измерению электрических параметров в диапазоне температур (—20—28С)
Реализация результатов работы, практическая значимость.
-
Разработанный датчик влажности поверхностно-конденсационного типа обеспечивает по сравнению с аналогом лучший выход годных датчиков с пластины кремния и возможность использовать его в корпусах любого размера и типа, а также повышенную точность за счет дублирования
-
По разработанному способу определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС рассчитано количество влаги в ИС типа 1564ИП7 и 1564ЛН1 На данный способ получен патент на изобретение (№ 2003131560)
-
Разработан способ сплошного неразрушающего контроля ИС по содержанию влаги в подкорпусном объеме ИС На данный способ контроля ИС подана заявка на изобретение
-
Опробована методика определения необходимого количества термоциклов для выявления ИС с загрязнениями кристаллов на ИС типов 134ИР1, 1505ИМ4, 1505ИД6, 1505ИП4, 1564ИП7, 1505ИПЗ
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
-
Методика определения влаги с помощью датчика влажности поверхностно-конденсационного типа
-
Неразрушающий метод определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС, используя ее элементы как датчики влажности
-
Способ сплошного неразрушающего контроля ИС по содержанию влаги в подкорпусном объеме, используя влагозависимые параметры схем
-
Расчетные данные необходимого количества термоциклов для выявления ИС с загрязнениями кристаллов
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах IX и X Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2003, 2004), XV научно-технической конференции "Датчик-2003" (Севастополь, 2003), Международных научно-методических семинарах "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 2003, 2004), XVI научно-технической конференции " Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Севастополь, 2004), XII и XIII Международных научно-технических конференциях "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2006, 2007), XIII Всероссийской межвузовской научно-
технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2006" (Зеленоград, 2006), XXXXIII - XXXXVII конференциях профессорско-преподавательского состава, студентов, аспирантов и сотрудников ВГТУ (Воронеж, 2003-2007)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ, получен патент и подана заявка на изобретение
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит [1, 2, 14-17] — экспериментальная часть, [3-10] - поиск и разработка принципов новых способов контроля содержания влаги в подкорпусном объеме ИС, [11 - 13] - расчет и обсуждение результатов
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений Основная часть работы изложена на 92 страницах, включая 37 рисунков, 12 таблиц, списка литературы из 71 наименования и приложения на 4 страницах
Технология герметизации и содержание влаги внутри корпусов ИС
Начальный уровень влажности в корпусе ИС зависит от влажности и температуры той среды, в которой происходила герметизация ИС [3, 19]. В связи с этим выполнение герметизации должно проходить в атмосфере с содержанием паров воды не более 50ррт [3], по другим источникам не более 20ррт [12]. Однако, такое требование необходимо, но не достаточно для обеспечения низкого уровня влажности в корпусе. В работе [20] показано, если детали корпусов с кристаллами ИС перед герметизацией тщательно не просушивались, то уровень влаги в корпусах может в десятки и сотни раз превышать эту величину. Например, в корпусе, загерметизированном в атмосфере сухого бокса с уровнем влаги 5 ррт, но без предварительной просушки, содержание паров воды при 100 С составляло порядка 15000 ррт. В другом примере при герметизации в среде с содержанием влаги порядка 40 ррт, но также без просушки деталей корпуса, уровень влажности в корпусе при 100 С составил уже 42000 ррт.
В работе [21] был оценен уровень влажности в объеме металлокера-мических корпусов ИС, герметизированных сваркой при 20 С, для четырех вариантов технологии подготовки корпусов и герметизации при разных условиях:
- вариант 1 - отжиг на воздухе при 150 С в течение 48 ч с последующей герметизацией в атмосфере цеха (40....45 % относительной влажности);
- вариант 2 - то же, но герметизация в среде сухого азота (в боксе при температуре точки росы Тр = - 60 С);
- вариант 3 - отжиг в сухом азоте при 150С в течение 48 ч, перед герметизацией использовалась ИК- сушка при 170 С в течение 20 мин, герметизация проводилась в среде сухого азота;
- вариант 4 - то же, но сушка перед герметизацией в вакууме при 150 С в течение 1ч. Объемное содержание паров воды в таких корпусах, измеренное при 20 С, колеблется в широких пределах в зависимости от условий и режимов термообработки и герметизации корпусов с датчиками.
В другой работе [22] показано влияние условий герметизации корпусных ИС на содержание абсолютной влажности среды в корпусе типа "Такт-256". Чтобы определить количества остаточной влаги был использован датчик-спутник в виде тестовой МОП - структуры [23], чувствительной к изменению состояния поверхности кристалла, возникающему под влиянием воздействий, которым кристалл ИС подвергается в процессе ее сборки.
Проведены исследования следующих режимов герметизации контактно-шовной сваркой в корпусе по 5 тестовых структур:
I - в цеховой среде при температуре 20 С и относительной влажности 45-50%;
II- в цеховой среде с Локальным обдувом сухим азотом (точка росы равна-50 С);
III - в боксе с сухим азотом;
IV - в боксе с сухим азотом с предварительным отжигом основания корпуса с напаянной тестовой структурой в течение 1 ч при 150 С;
V - предварительная сушка в течение 48 ч при 150 С и герметизация в цеховой среде с локальным сухим азотом;
VI - предварительная сушка, в течение 48 ч при 150 С и герметизация в боксе с сухим азотом с предварительным подогревом основания корпуса со структурой в течение 1 ч в сухом азоте.
После этого загерметизированные структуры находились в течение 1 ч при 150 С под напряжением V=-10 В, охлаждались до комнатной температуры без снятия напряжения, после чего измерялась их емкость. В табл. 2 приведены результаты измерений емкости, поверхностного сопротивления ps и рассчитанной абсолютной влажности среды в корпусе.
Из табл. 2 видно, что наиболее эффективным является VI режим герметизации, при котором емкость тестовых структур уменьшилась в три раза, а содержание влаги в корпусе более чем на порядок по сравнению с режимом IV.
Затем тестовые структуры, загерметизированные в боксе с сухим азотом (режим герметизации Ш), выдерживались при 200 С в течение 100 ч. Результаты измерений показывают, что высокотемпературная обработка загерметизированных тестовых структур приводит к существенному увеличению поверхностного сопротивления ps, уменьшению изменения емкости АС и абсолютной влажности среды в корпусе. После 20-часовой выдержки ДС уменьшается более чем в 2 раза, а абсолютная влажность - примерно в 25 раз; после 100-часовой выдержки ДС уменьшается примерно в 3,5 раза, а абсолютная влажность - более чем в 100 раз.
По результатам приведенных экспериментов авторы работы [22], высказывают мнение о целесообразности введения высокотемпературного отжига загерметизированных ИС.
Авторы работы [23], помимо этого, высказывают предположение о обратимости процесса, т.е. увеличении абсолютной влажности при длительном пребывании ИС в нормальной и особенно пониженной температурах.
На двух заводах г. Минска на серийно выпускаемых ИС было замечено, что концентрации паров воды в корпусах типа 401.14-4, герметизированных шовной контактной сваркой в среде азота с точкой росы - 65 С меньше чем в корпусах типа 401.14-5, герметизированных пайкой при температуре 200 - 240 С на автоматах с подачей азота, подогретого до 80 -120 С, в зону пайки с применением припоя ПОС-61 с предварительным подогревом сборок при температуре 130 - 200 С (табл. 3) [12]. Сравнение ИС в корпусах 403.14-4 и 401.14-5 проводится потому, что при разной технологии герметизации габаритные и присоединительные размеры корпусов практически одинаковы, следовательно, и объем свободного пространства в загерметизированных корпусах практически одинаков и при 20 С равен 0,0243 см3.
Конструкция датчика влажности
Предложенный авторами датчик [9, 41] влажности не имеет вышеупомянутых недостатков.
Это достигается тем, что датчик дополнительно содержит сдвоенный термодатчик резистивно-диодного типа и конденсатор, состоящий из двух встречных гребенок металлизации, и выполнен в виде линеек соединенных параллельно датчиков, разделенных линиями для скрайбирования. Имеются контактные площадки, предназначенные для подключения датчика к внешним выводам корпуса [42].
Конструкция датчика поясняется рисунками [43]. На рис. 10 приведена схема топологии датчика, которая содержит: термодатчики (резистор и диод) (1), линейки датчиков влажности (две встречные гребенки металлизации шириной 10 мкм и с шагом 10 мкм) (2), линии для скрайбирования (3), контактные площадки, предназначенные для подключения датчика к внешним выводам корпуса (4), металлизированные дорожки (5). На рис. 11 - топология отдельных элементов. На рис. 12 приведена схема посадки микроэлектронного датчика влажности, состоящего из шести отдельных датчиков в корпус типа 401.14.4 [44, 45].
В процессе производства оказалось, что при скрайбировании металлизированная дорожка (5), параллельно соединяющая емкости датчиков, разработанная авторами работы [43], может закорачивать контактные площадки емкостей и диодов (резисторов). Поэтому нами предложено вместо нее использовать траверсное соединение емкостей датчиков (рис. 13).
Резистор термодатчик (рис. 11 а) выполнен в базовом слое (1) кремниевой пластины. Контакты (2) обеспечивают подключение к шинам металлизации (3). Изоляционный карман (4) - изоляцию от других элементов. Диод термодатчика (рис. И б) выполнен на основе р-п-перехода, сформированного на основе базовой (6) и эмиттерной (7) диффузии. Кон такт (8) к базовой диффузии обеспечивает подключение к шинам металлизации (9).
Конденсатор датчика влажности выполнен с использованием алюминиевых шин металлизации (10) [46].
Конструкция датчика позволяет размещать последний в любом типе корпусов ИС [47, 48]. На рис. 14 показана фотография размещения шести датчиков влажности в корпусах 401.14 [49]. Для этого типа корпуса вырезается кристалл, содержащий шесть отдельных датчиков 2x3. Параллельное соединение конденсаторов на кристалле вертикально расположенных датчиков позволяет повысить точность измерений влаги в подкорпусном объеме. Запараллеливание трех пар конденсаторов также позволяет повысить точность измерений. Дублирование термо датчиков в одном корпусе ИС позволяет поднять выход годных практически до 100%.
В табл. 7 приведено сравнение разработанного датчика с аналогами по основным конструктивным параметрам.
Как видно из табл. 7, данный датчик обеспечивает по сравнению с аналогом лучший выход годных датчиков с пластины кремния и возможность использовать датчик в корпусах любого размера, а также повышенную точность за счет дублирования.
Определение количества влаги в подкорпусном объеме ИС типа 1564ИП7 и 1564ЛИ1 по влагозависимым параметрам
Наиболее просто измерить точку росы влаги в подкорпусном объеме ИС, если можно выделить по выводам схемы диод, как, например, в ИС диодно-транзисторной логики серии 104. Например, на рис. 32 приведена принципиальная электрическая схема ИС типа 104ЛБ4, представляющая собой 4 элемента НЕ с возможностью расширения по И и ИЛИ (номера выводов указаны для корпуса типа 401.14-1) [51].
Обратные токи диодов Д1, Д2, ДЗ, Д4 измеряются напрямую через выводы 9-8; 10-8; 11-8; 7-8 и 5-8.
Найти цепь с одним диодом в более сложной схеме затруднительно. Например, в ИС типа 106ЛБ1, представляющую собой 2 элемента ЗИ-НЕ с возможностью расширения по ИЛИ (рис. 33) (транзисторно-транзисторная логика) диод, образуемый база-коллекторным переходом, можно измерить по выводам 9-10. А по выводам 11-13 можно измерить обратный ток, проходящий через переход эмиттер-база с сопротивлением в цепи базы [52].
Можно определенно считать, что элементы ИС могут служить датчиками влажности путем определения точки росы газа подкорпусного объема ИС [53]. Это предложение основано на том, что документом [54] требуется на стадии опытно-конструкторской разработки проведение испытания по определению точки росы газа подкорпусного объема по методу 211-1 [31]. Эксперимент поставлен следующим образом.
ИС помещают в камеру, температуру которой устанавливают на 10 С выше температуры окружающей среды. На выводы ИС подают напряжение и ток, указанные в технических условиях (ТУ) и непрерывно контролируют ток утечки (например, между шиной питания и общей шиной) или другой информативный параметр (параметры), установленные в ТУ и связанные с состоянием поверхности кристалла. Значение параметра записывают в таблицу соответствия температуры. Температуру в камере понижают до минус 65 С, а затем повышают до повышенной предельной температуры, установленной в ТУ, при этом, чтобы скорость изменения температуры была не более 10 С в минуту [55, 56].
Начало роста влагочувствительных электронных параметров соответствует моменту начала конденсации паров воды, т.е. температуре точки росы Тр. На рис. 34 представлена качественная зависимость электрического параметра от температуры. Характеристика значений параметра от температуры при обратном ходе (т.е. от - 65 С до 125 С) может несколько отличаться от прямой характеристики.
По имеющейся номограмме переводится концентрация влаги, выраженной в ppm, в градусы точки росы и наоборот при разных давлениях газа в корпусе [35]. Давление в корпусе при температуре точки росы рассчитывается по закону Гей-Люссака:
РР=РГ-УТГ, (1)
где Рр - давление в корпусе при температуре точки росы;
Рг, Тг - давление в корпусе ИС и температура среды при ее герметизации;
Тр - температура точки росы, К.
Например, если герметизация корпуса производилась пайкой при температуре 300 С (573 К), а температура точки росы установлена равной -18 "С (255 К), то давление атмосферы в корпусе Рр согласно приведенной формулы будет равно 0,45-10D (при Рг=10 Па) и соответственно объемная концентрация паров воды в корпусе будет составлять примерно 2800 ppm (рис. 35).
Для проведения испытаний методом случайной выборки взято по три ИС типов 1564ЛН1 (6 элементов НЕ) и 1564ИП7 (четырехразрядный приемопередатчик). Данные по этим схемам представлены в табл. 9.
Проведем расчет давления атмосферы и содержания паров воды в корпусе ИС. Давление в корпусе при температуре точки росы рассчитаем по формуле (1). Получим следующие расчетные данные. Для ИС № 1: температура точки росы -15 С (258К), давление в корпусе ИС 101 325 Па, температура среды при ее герметизации 22 С (295К). Давление в корпусе при температуре точки росы равно:
Рр=101325-258/295=0,89-105 Па
Для ИС № 2, ИС № 3: температура точки росы -20 С (253К), давление в корпусе ИС 101 325 Па, температура среды при ее герметизации 22 С (295К). Рр=0,87-103 Па. Объемную концентрацию паров воды определяем по номограмме (рис. 26).
В итоге содержание влаги внутри корпуса ИС типа 1564ЛН1 для схемы № 1 будет 200 ррт для схем № 2, № 3 - 100 ррт.
На рис. 37 изображена схема измерения параметра IIL для ИС типа 1564ИП7.
Получаем, что содержание влаги внутри корпуса ИС 1564ИП7 следующее: ИС № 1, 2 - 180 ppm, № 3 -80 ppm. По номограмме определили, что содержание влаги у всех трех ИС соответствуют требованиям общих технических условий.
Методика, изложенная в данной работе, применима для определения точки росы газа в подкорпусном объеме ИС [58], используя влагочувствительные электрические параметры с несложной схемой измерения.
Для перевода концентрации влаги в градусы точки росы и наоборот (при различных давлениях) требуются выверенные номограммы.
Данный метод, действительно является неразрушающим и позволяет проверять содержание влаги в подкорпусном объеме ИС каждой схемы и, что важно, позволяет перепроверить полученные результаты, т.е. неоднократно проводить измерения.
К недостатку метода можно отнести тот факт, что метод применим для несложных ИС, где можно выделить по выводам схемы диод или резистор. Данный способ затруднительно применять для более сложных схем таких как 588ВР2, 588ВУ2, т. к. зависимость влагочувствительного параметра на нескольких элементах ИС, находящихся между выводами, от температуры будет более сложной.
Метод выявления загрязнений кристаллов различных типов ИС
Известно, что даже в нормальных условиях при длительном хранении ИС (как правило, от трех месяцев до нескольких лет) в отдельных схемах появляются отказы, связанные с разрушением алюминиевой металлизации на кристалле из-за наличия загрязнений и влаги внутри корпуса изделия (электрохимическая коррозия) [65, 66]. Анализ микроскопических проб показал, что в большинстве случаев на участках алюминия, пораженных коррозией, обнаруживаются ионы хлора. Предполагается, что в этом случае возникает коррозия алюминия в соответствии со следующими химическими реакциями[67]:
Эти выражения показывают, что при полном отсутствии влаги внутри корпуса изделия и абсолютной герметичности корпуса коррозия остановилась бы после израсходования начального количества С1 на первую реакцию. Если в составе газов внутри изделия имеются пары воды, то реакции будут идти непрерывно, пока не прореагирует весь алюминий [67].
В случае идеально герметичной ИС не происходит взаимодействия между внутренним объемом корпуса с внешней средой, при этом количество воздуха (газа) во внутреннем объеме остается постоянным, а при изменении температуры корпуса изделия внутри объема происходит повышение или понижение давления. Если ИС не идеально герметична (в этот вариант входят ИС с натеканием, считающимся годными по техническим условиям), то будет происходить взаимодействие внутреннего объема и внешней среды при изменении температуры до сравнивания давления в объеме корпуса с внешним. При этом изменяется только часть внутреннего объема, которая будет пропорциональна изменению температуры.
При увеличении температуры ИС до +125 С соответственно увеличенный внутренний объем корпуса рассчитывается по формуле: где Vj,V2 - внутренние объемы схемы соответственно при температуре Т] иТ2.
При изменении температуры ИС расширение объема газа или его сжатие приводит к изменению давления газа внутри корпуса по формуле: де РЬР2 - давление газа внутри ИС соответственно при температуре Ті и Т2.
Следовательно, в процессе однократного повышения температуры от Т] до Т2 объем газа в негерметичных ИС должен увеличиваться на величину AV=V2-Vi.
Для изделия с натеканием В при однократном изменении температуры от Т] до Т2 выравнивание давлений, т.е. изменение внутреннего газа на объем AV, произойдет за время, которое рассчитывается по формуле [68]: где: у = —, juB и цг - молярный вес воздуха и гелия, равный соответст-венно 28,9 и 4.
Для случая ИС в корпусе 401.14-3 при Тг = 293 К значения V] и Р] будут равны: V, = 0,0243 см3 и Р, = 105 Па; при Т2 = 398 К, V2 = 0,033 см3 и Р2 = 1,36-105 Па. Тогда AV - 0,0087 см3.
Подставляя найденное значение в формулу (5), получим, что время для ИС в корпусе 401.14-3 с натеканием 6,65-10"9 Па-м3/с (5-Ю"5 л-мкм рт.ст/с), гарантируемым по техническим условиям, равно 9,6 ч. Таким образом, если нагреть схему с указанным натеканием до 398 К (125С) и выдержать в течение 9,6 часа, то из корпуса выйдет газ в течение этого времени в объеме AV, затем охладить схему до температуры 293 К (20 С), тогда с внешней стороны ( из атмосферы) в корпус будет поступать воздух с водяными парами в течение 9,6 часа в том же объеме. Нагревание до температуры 125С и выдержку при этой температуре в течение 9,6 часа, затем охлаждение до температуры 20 С и выдержку при этой температуре в течение 9,6 часа примем за один цикл воздействия. Время переноса изделия из одной температуры в другую не имеет значения и не учитывается.
В нормальных условиях в 1 см3 объема находится 2,68-1019 молекул газа, т.е. в данном объеме AV = 0,0087 см3 будет находиться 2,5-1017 молекул газа (воздуха и паров воды).
Если принять относительную влажность окружающего воздуха при температуре 20 С равной 65%, то в нем содержится 11,2 г/м3 водяного пара [69]. Для объема AV соответственно будет 10,4-10"8 г водяного пара.
Для концентрации паров воды на поверхность кристалла, охладим ИС до 0 С и выдержим при этой температуре некоторое время, необходимое для того, чтобы процесс конденсации паров достиг состояния динамического равновесия. Для этого достаточное время будет 0,8 часа, тогда время, необходимое для одного полного цикла, равняется 20 часам.
Примем для ИС в корпусе 401.14-3 (с керамическим дном), что четвертая часть водяного пара конденсируется на кристалле. Так как 14 незащищенных контактных площадок занимают 0,2 площади кристалла, то пять сотых части водяного пара будет участвовать в реакциях подобных реакциям (2). Тогда расчет по формуле реакций (2) дает, что 2,6-10"9 г. алюминия подвергнутся коррозии за один цикл. Согласно расчетам вес алюминия на 14 контактных площадках кристалла, т.е. незащищенный алюминий на кристалле, равен 2,42-10 г. Составляя пропорцию, получим количество циклов, равное 93, за которое алюминий на контактных площадках полностью закоррозирует. Выполняя один цикл в сутки, необходимо 93 суток, чтобы проверить, качественно ли изготовлены ИС, нет ли загрязнений внутри корпуса, способных привести к коррозии алюминия.
Проверяя, например, через каждые 20 циклов статические электрические параметры, в том числе токи утечки, можно своевременно обнаружить ИС с коррозией металлизации.
Количество циклов можно значительно уменьшить, если выдержку изделий при температуре 20 С осуществлять в камере влаги с 80% и более относительной влажности [70, 71].
Аналогично проведена оценка уровней загрязнений кристаллов различных типов ИС в различных корпусах (табл. 12). Из таблицы 12 видно, что чем больше подкорпусной объем, тем меньше температурных циклов необходимо для того, чтобы определить степень чистоты поверхности кристалла и чем больше время одного цикла, за который произойдет изменение внутреннего подкорпусного объема ИС при изменении температуры от Т] до Т2, тем меньше нужно их количество.
Приведем пример применения предложенного метода для отбраковки ИС типа 134ИР1 (цифровые схемы с диэлектрической изоляцией элементов). Для эксперимента взяты 4 серийные партии разной даты выпуска по 100 шт. и 50 ИС, отбракованных по негерметичности на малые или большие течи, и проводили циклы по изложенной выше методике. Проверка статических электрических параметров, в том числе и токов утечки, проводилась через каждые 20 циклов. На первых четырех партиях отказов по электрическим параметрам не наблюдалось даже после 200 циклов. После 100 и 200 циклов из каждой из четырех партий брали по 50 ИС, вскрывали и осматривали под микроскопом состояние поверхности кристалла, особенно при увеличении х200 осматривали контактные площадки. Результаты испытаний показали, что даже после 200 циклов, в два раза превышающее расчетное, признаков коррозии не обнаружено в ИС, изготовленных в серийном производстве.
Отказы по току утечки 50 ИС, отбракованных по негерметичности, но имеющих в начальный замер статические параметры, в т.ч. ток утечки, в нормах технических условий, произошли при следующих измерениях
