автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Повышение надежности интегральных схем серии 142 в процессе серийного производства

Воронежский завод полупроводниковых приборов

На правах рукописи

БОЙКО Владимир Иванович

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ СЕРИИ 142 В ПРОЦЕССЕ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05.27,01 - Полупроводниковая электроника, микроэлектроника и наноэлектроника

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 1995

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Петров Б.К.

кандидат технических наук Удовик Д.П.

Ведущая организация: ДО "Томилинский завод полупроводниковых приборов"

Защита состоится 26 декабря 1995 г. в 14 часов на заседанш диссертационного совета Д 0'6..'. .01 при Воронежском го с у дарствен ног Техническом университете (394026, г. Бороне»;, Московский пр., 14 конференц-гал).

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомить« в библиотеке Воронежского государственного технического университета.

Диссертация в виде научного доклада разослана ¿5 ноября 1995 г

Ученый секретарь диссертационного совета

0

Горлов М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. В условиях отсутствия централизованного планирования производства и сбыта продукции предприятия электронной промышленности вынуждены сами искать потребителей своей продукции. Потребность в электронных изделиях среди стран СНГ в настоящее время значительно сократилась, и многие предприятия пытаются выйти со своей продукцией на рынки дальнего зарубежья, где аналогичную продукцию высокого качества реализуют передовые фирмы СПИ, Японии, Южной Кореи. Поэтому для устойчивого сбыта своих изделий з уловиях жесткой конкуренции предприятиям необходимо обеспечить их высокие технико-экономические показатели.

В общем объеме мирового производства полупроводниковых приборов <ПП) и интегральных схем (ИС> постоянно растет доля изделий з пластмассовых корпусах. Это вызвано, в основном, сравнительной простотой автоматизации процесса их сборки и испытаний, меньшей стоимостью по сравнению с приборами в герметичных корпусах, удобством монтажа.

В то же время ПП и ИС в пластмассовых корпусах, вследствие их конструктивно-технологических особенностей, свойственны специфические виды отказов: обрывы выводов, коррозия алюминиевой металлизации, деградация электрических параметров, связанная с проникновением Благи.

Освоение серийного производства наиболее массовой схемы из серии 142 типа КР142ЕЖ2 - регулируемого стабилизатора напряжения -было начато в конце -1991 года. При этом в существовавшем конструктивно-технологическом исполнении, ИС имела интенсивность отказов на уровне МО 1/ч. Для обеспечения конкурентоспособности, снижения себестоимости ИС данного типа необходимо было найти не требующие больших затрат пути к способы повышения процента выхода годных ИС и уровня надежности не хуже 5-10 1/ч с тем, чтобы в конце -1993 года начать поставки данных ИС на экспорт в США, Англию, Тайвань.

Основная трудность при этом состояла в том, что задача повышения качества и надежности ставилась для ИС, выпускаемых массово, в процессе их серийного производства.

Известно достаточно много методов повьшения надежности ИС. В соответствии со служебными обязанностями автора, интерес представляли методы, реализуемые в сборочном цехе. По своему харак-

теру это конструкторско-технологические методы и методы контроля и управления качеством. Хотя многие такие нетоды неоднократно обсуждались в литературе, особенности их применения к конкретным условиям, оценка затрат и ожидаемой эффективности по своей сложности зачастую выходят за ранки обычных инженерных задач.

Тема диссертации является частью комплексной работы, проводимо в соответствии с "Целевой программой повышения качества продукции на 1990-95 гг." АООТ "ВЗПП".

Целью работы является разработка и внедрение конструктивных и технологических методов повышения надежности ИС серии 142, а также методов контроля и управления качеством в процессе С9рИЙН0Г0 производства.

Исходя из данной цели, в работе определены следующие задачи исследования с

совершенствование конструкции ИС на основе рассмотрения многофакторной зависимости надежности от конструкции с учетом достигнутого передового отечественного и зарубежного опыта;

совершенствование технологического процесса сборки ИС для повышения его управляемости и стабильности;

разработка автоматизированной системы контроля и управления качеством ИС в процессе серийного производства;

разработка метода выравнивающей технологии с целью повышения надежности партий изделий;

оценка эффективности разработанных и внедренных конструктивных и технологических решений.

Научная новизна. В результате работы над диссертацией получены следующие новые научные и технические результаты:

теоретически обосновано и практически показано, что при сложившемся техническом уровне производства только за счет совершенст вования и оптимизации конструкции корпуса и технологии сборки и испытаний надежность ИС серии 142 в процессе их серийного производ ства может быть повышена не менее чем в два раза;

на основе исследований с помощью тензометрии впервые получены численные значения механических напряжений в кристаллах, напаянных на выводные рамки из различных материалов для ИС данной серии; на основании исследований качества напайки кристаллов в водород

<1 вакууме на рентгенотелевизионном микроскопе впервые установлено, по капиллярный способ напайки кристаллов в вакууме дает снижение •гористости паяного шва в 6 раз;

выявлены закономерности проникающей способности пластмассы при использовании датчика заполнения пресс-формы и разработана методика выбора оптимальных режимов герметизации пластмассой, основанная ча применении специальной тест-кассеты:

разработана методика отбраковки потенциально-ненадежных, из-за дефектов напайки кристаллов, ИС серии 142, основанная на оценке импульсной мощности ИС:

разработан метод выравнивающей технологии для повышения надежности изделий, основанный на проведении дополнительных испытаний 1артий ИС, имеющих на определяющих операциях процент выхода годных значительно ниже установленного;

разработана система контроля и управления качеством ИС в про-дессе производства, основанная на статистической обработке информации о характере брака на технологических операциях и отличающаяся использованием результатов ускоренных испытаний и метода выравнивающей технологии.

Практическая ценность. Предложенные в работе научные и технические решения, направленные на повышение качества и надежности ИС серии 142, позволили повысить процент выхода годных с 56,6 до 60,6 %, довести процент ИС, поставляемых на экспорт до 97 %, увеличить надежность более чем в 2 раза. Предложенные альтернативные технологические отбраковочные испытания позволили снизить трудоемкость выпуска данных ИС на 15 %.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты диссертации реализованы в Й00Т "ВЗПП" при производстве ИС серии •142.

Экономический эффект от внедрения результатов диссертации составил в 1995 г. более 5?. миллионов рублей.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях: "Проблемы качества и надежности изделий электронной техники, радиоэлектронной аппаратуры и средств управления" (Минск, 1У58); "Развитие и совершенствование телевизионной техники" (Львов, 1990): "Состоя-

ние и перспективы развития гибридной технологии и гибридных интегральных схем в приборостроении" <Ярославль, 1991); 5-9 отраслевых научно-технических конференциях "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов" (Воронеж, 1991,1993,1994,1995; Новгород, 1992); 32-34 научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов БГТУ (1993-1995),

Публикации. По результатам исследований опубликовано 22 работы. Содержание диссертации достаточно полно отражено в 15 основны: публикациях, список которых приведен в конце диссертации.

Во всех работах, выполненных с соавторами, автору принадлежит постановка задачи, проведение экспериментов, анализ и обсуждение результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. АНАЛИЗ КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ ИС СЕРИИ 142, СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕСС/ СБОРКИ, ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОТБРАКОВОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ [3, 6, 8, 11 , 13, 15]

ИС серии 142 - кремниевые биполярные аналоговые микросхемы третьей степени интеграции, содержащие 276 элементов, в том числе 129 транзисторов, использующие изоляцию элементов р-п переходом. Площадь кристалла схемы составляет 5.7 мм2. Микросхемы выпускаются в трехвыводнон пластмассовом корпусе КТ-28. ИС типа КР142ЕН12 являются полным аналогом ИС типа Ш317Т (СИ).

Анализ пооперационного процента выхода годных, изучение распределения технологических потерь, анализ причин отказов при испытаниях и эксплуатации, сравнение с достигнутым отечественным и зарубежным уровнен позволили выявить "слабые" места данных ИС. Так, в процессе технологических отбраковочных испытаний,отказывало до!5 %Ш, из-за обрывов внутренних выводов; при проведении факультативных испытаний в автоклаве в течение суток отказывало до80 %ИС (также из-за обрывов внутренних выводов). Имелись отказы при испытаниях на безотказность из-за пробоев ИС.

Для устранения таких отказов проведены следующие конструктивно-технологические разработки.

!.■!. Совершенствование конструкции выводной ранки и топологии внутренних проволочных соединений

Исходя из полученной зависимости процента обрывов внутренних выводов ИС от величины разного рода механических воздействий на теплоотвод ИС, исследованы следующие направления снижения такого типа отказов ИС: увеличение механической прочности корпуса ИС. оптимизация топологии внутренних проволочных соединений.

Для увеличения механической прочности корпуса рассмотрены следующие варианты: введение дополнительного клеевого шва на границе пластмасса-теплоотвод; использование различных материалов для выводной рамки: использование различных пресс-материалов для опрес-совки выводной рамки! изменение конструкции "замка" выводной рамки.

Оценка влияния дополнительного клеевого шва с применением различных материалов - анаэробного герметика ЙН-81С, лака 0П-730, клея БК-32-200 - на механическую прочность корпуса ИС показала, что прочность корпуса с дополнительным клеевым швом возрастает на 5-10 причем лучшие результаты дает,применение лака ЭП-730. ИС, герметизированные пресс-материалом К£м39С с дополнительным клеевым швом, имеют меньше отказов из-за обрывов внутренних выводов и лучшую влагостойкость, чем ИС без дополнительного клеевого шва. Последующие исследования показали, что при использовании пресс-материалов с, улучшенными характеристиками (как правило, более дорогих), например МЭП-1Т, необходимость применения клеевого шва отпадает.

Оценка влияния различных материалов для выводных рамок проведена по следующим параметрам: механическая прочность корпуса, механические напряжения, возникающие в кристалле после напайки на рамку, тепловое сопротивление о-п переход-корпус, электрические параметры ИС.

Кроме серийно применяемого материала (медь Моб-1.2), были изготовлены выводные рамки из алюминия ЙМЦ-1.0 и стали Ст.10-1.2, по -крытые никелем. Проверка усилия разрушения корпуса после опрессовки замок пресс-материалом К3139С показала, что материал выводной рамки практически не влияет на механическую прочность корпуса. Средняя величина усилия разрушения корпуса колебалась от 36 до 40 Н.

Проведена оценка механических напряжений, возникающих в кристалле после монтажа на рамки из этих материалов. Для получения численных значений механических напряжений применялись тензодат-чики на основе тензорезисторов (рис.1).

3/

л

и

и

у-

V

* 2 £ МЛ

Рис.1. Расположение тензодатчиков:

а - в тестовом кристалле: б - на элементарном модуле; Е1, Е2, ЕЗ - тензорезисторы ■ Деформация, которой подвергались датчики в исходном состоянии и после напайки на выводные рамки из разных материалов, определялась по формуле с: - <

где Е;. - сопротивление 1-го тензорезистора; л Ее- изменение со -противленияз.-го тензорезистора;' К - коэффициент чувствительности тензорезистора <К=86 для данной конструкции).

Пользуясь законом Гука, определялся уровень механических на -пряжений в кристалле по формуле Е-1 ,

где Е - модуль упругости полупроводникового материала (для кремни Е4; = 1,87-11/кПа).

Получены следующие максимальные механические напряжения для кристаллов площадью 5,7 мм2 - 30, 100 и 20 МПа.соответственно, для медной, алюминиевой и стальной выводных рамок. Следовательно, в стальных конструкциях кристаллы испытывают меньшие механиче -ские нагрузки.

Оценка тепловых сопротивлений р-п переход-корпус выполнена по формуле , у Ж

' А ,

где - толщина слоя соответственно кристалла, припоя, выводной рамки; Рс - площадь слоя; к - теплопроводность слоя.

Получены следующие значения Кга%= 4,8; 5,9; 10,0 "С/Вт соответственно для медной, алюминиевой и стальной выводных рамок. Применение выводной рамки из алюминия позволяет выполнить требование технических условий (ТУ > <: 6 С/Вт, но величина Кга-к возрастает на 23 %,по сравнению с этим параметром у ИС с выводной рамкой из меди. Стальная рамка без дополнительных мер по снижению Я г а.к для сборки ИС 142 серии применяться не может.

Электрические параметры ИС, собранных на выводных рамках из

алюминия, соответствовали требованиям ТУ, а микросхемы со стальной выводной рамкой имели коэффициент стабилизации по току в 2 раза хуже, чем указано в ТУ. Причиной ухудшения коэффициента стабилизации по току явилось увеличение сопротивления внешних выводов стального корпуса по сравнению с медными на 0.003 Ом.

Следует отметить, что стальная рамка с медным держателем кристалла, обеспечивающим снижение теплового сопротивления, после данных исследований наша применение для сборки мощных транзисторов.

Таким образом, замена материала выводной рамки для ИС серии 142 не позволяет улучшить характеристики ИС и нецелесообразна, но может быть рекомендована для мощных транзисторов.

Проверка влияния марки пресс-материала на прочность корпуса показала, что материалы типа К8139С, МЭП-1Т обеспечивают практически одинаковую прочность корпуса. В то же время пресс-материал МЭП-1Т имеет более низкий коэффициент линейного термического расширения и более высокую температуру стеклования, меньшее содержание примесей, чем пресс-материал К8139С. Поэтому ИС, загерметизированные пресс-материалом ЮП-1Т, имеют меньший процент обрывов внутренних выводов, лучшую способность выдерживать перепады температур, лучшую влагостойкость чем ИС, загерметизированные пресс-материалом К8139С. В результате данного исследования для герметизации ИС выбран пресс-материал МЭП-1Т.

Щ| Щ;

; 1,71 П р : ! 1рТп 1ЙГА ;

•о ! П ; П I «) Г \\\

Рис.2, Конструкции выводных рамок и топологии внутренних соединений ИС КР142ЕН12 Проанализировав конструкции выводных рамок, применяемые в мировой практике, проведя сборку и испытания опытных партий ИС различной конструкции (рис.2), оптимизирована конструкция "замка" выводной рамки для ИС серии 142 с тем, чтобы опрессовка пластмассой была более прочной. Выбрана конструкция, приведенная с различной топологией внутренних соединений на рис. 26,в. При этом получено увеличение прочности корпуса на разрыв с 35 - 39 Н до 54 - 59 Н,

что дало снижение процента брака ИС по обрывай на 20 %.

йнализ отказов ИС из-за обрывов внутренних выводов показал, что наиболее часто обрываются вывода 1,2 и 3, приваренные на теп-лоотвод выводной рамки (рис.2а). Отличительной особенностью ИС являлось то, что сварные соединения этих выводов на теплоотводе были расположены на незначительном удалении от края пластмассы <0.40.7 мм), что не способствовало хорошей защите их от внешней среды , а при механических или термомеханических нагрузках на корпус ИС пластмасса отрывалась, в первую очередь, в месте расположения сварных точек на теплоотводе. С целью снижения механических кв -грузок на внутренние вывода испытано два новых варианта топологии внутренних выводов (рис.2 б,в). Испытания показали снижение количества обрывов внутренних выводов по сравнению с первоначальным вариантом на 25 и 30 % соответственно для вариантов рис.26 и рис.2в. Исходя из полученных результатов, внедрена топология внутренних выводов, приведенная на рис.Йв.

1.2. Совершенствование технологического процесса сборки ИС 1.2.1. Оптимизация процесса герметизации пластмассой Облой, образующийся на выводной ранке при герметизации ИС пластмассой, приводит не только к ухудшению внешнего вида ИС, но также может вызывать обрывы внутренних выводов из-за механических нагрузок, возникающих при его удалении. Поэтому рассмотрена задача снижения величины облоя за счет оптимизации процесса герметизации пластмассой.

С целью выбора оптимального режима герметизации пластмассой (дав ления литья, скорости опускания плунжера пресса, температуры пресс-формы) для конкретной партии пресс-материала разработана тест-кассета, позволяющая производить оценку качества герметизации без использования выводных рамок по следующим критериям: по проценту заполненных ячеек, внешнему виду отлитых корпусов-пустышек, по проникающей способности пресс-материала. Количественная оценка проникающей способности пресс-материала производится по заполнению специальных литников различного сечения (0,05x3 мм2; 0,1x3 мм2; 0,15x3 мм2). Исполз зуя тест-кассету по результатам пробных запрессовок выбирают оптимальный режим герметизации для конкретной партии пресс-материала, обеспечивающийЮО % заливкувсех ячеек при минимальной проникающей способности.

Для снижения влияния на величину облоя колебаний величины навое-

ки пресс-материала, наличия зазоров между выводной рамкой и пресс-фориол и высокой текучести пресс-материала разработан датчик заполнения пресс-формы. Сигнал с датчика используется для отключения движения плунжера пресса в момент заполнения последней ячейки пресс $орны. при этом весь избыточный пресс-материал остается в загрузочной камере пресс-формы и не проникает в зазоры. Получены зависимости проникавшей способности пластмассы от давления литья и текучести тоесс-материала при помощи тест-кассеты с включенным и отключенным датчиком заполнения пресс-формы. Наибольшее снижение проникающей :пособности (более 20 %) при полном заполнении ячеек с включенным 1,атчиком получено в канале с сечением 0,05x3 ми2, при низкой теку-гести пресс-материала к низком давлении литья.

Применение тест-кассеты для выбора оптимальных режимов герметизации ИС, использование датчика заполнения ячеек пресс-формы юзволило снизить количество ИС. требуюших удаления облоя.

1.2.2. Повышение качества напайки кристаллов

Одним из путей повышения надежности ИС является снижение рабо-гей температуры кристалла за счет уменьшения теплового сопротив-тения переход-корпус. Для этой цели на рентгенотелевизионном мик-5оскопе МТР-7 проведена оценка качества паяного шва из припоя ЮС-40, полутемного при капиллярной напайке кристаллов в водороде :Т - 39040 °С) и в вакууме (Т - - 430i40 "С, Р » 0.133 Па).

d результате установлено, что при водородной напайке кристаллов шяный шов имеет поры. распределенные по всей площади спая, сум-гарная площадь пор может достигать 39 %, средняя суммарная площадь юр составляет 12 %.При вакуумной напайке кристаллов в паяном шве 1меются только единичные поры суммарной площадью до 3-9 средняя умиарная площадь пор составляет 2 %.

Таким образом, капиллярная напайка кристаллов в вакууме позво-яет повысить качество паяного шва за счет повышения его монолит-ости и снизить тепловое сопротивление переход-корпус. Указанное вилось основанием для внедрения вакуумной напайки криталлов в тех-ологический процесс сборки ИС.

1.2.3. Повышение эффективности отбраковочных испытаний

При проведении электротернотренировок (GTT) и испытаниях а безотказность. одним из видов отказов был пробой регулирующе-о транзистора НС. Анализ отказавших ИС показывал, как правило,

наличие несноченных припоем участков кристалла или выводной рамки. Для исключения данного вида отказов разработана следующая методика оперативного контроля качества НС. !

При подаче на испытуемую ИС импульса мощностью 15 Вт (входное напряжение 35 В, выходное напряжение 1,25 В, ток нагрузки 0,44 А, длительностью 100 мс )) достаточного для разогрева структуры кристалла до температуры 130-150" С, производится контроль выходного напряжения. ИС забраковывается в случаях нарушения стабилизации выходного напряжения (напряжение меньше 1,2 В при срабатывании тепловой защиты из-за перегрева кристалла при некачественной напай ке или больше 1,3 В при пробое регулирующего транзистора). Кроме того, проверяется защита ИС от короткого замыкания на выходе при входном напряжении 35 В и длительности импульса 50 ис .

Для реализации предложенной методики осуществлена доработка тестера 14ТКС-Ю0, позволяющая при работе с сортировщиком произвс дить неразрушающий контроль качества ИС с высокой производительностью. Проверка ИС по предложенной методике позволила отбраковывать до!,5 % потенциально-ненадежных ИС, в том числе до I % ИС с нефункционирующей защитой от короткого замыкания на выходе и до 0.5 %ИС, имеющих дефекты напайки кристаллов.

Значительную трудоемкость представляла проверка ИС при повышенной температуре из-за наличия ручных операций. Для отбраковки ИС при повышенной температуре +125сС разработан и внедрен полуавтомат контроля ИС с контактным разогревом, обладающий производительностью до 14 тысяч штук в смену.

Предложенные дополнительные испытания позволили повысить надежность выпускаемых ИС и снизить трудоемкость контрольно-испытательных операций на 15 %.

В целом , модернизация конструкции ИС, совершенствование техно| логического процесса сборки, разработка методики и соответствую-, щего оборудования для оперативного контроля качества ИС позволив ли повысить процент выхода годных с 56.6'^ до60,6 ^.уменьшить его.' разброс по партиям в два раза, снизить трудоемкость контрольно-испытательных операций на 15 %.

2. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА ИС СЕРИИ 142 [1, 2, 4, 5, 6, 9, 12]

2.1. Разработка метода выравнивающей технологии

Задачей метода является обеспечение заданной надежности пь I партиях, имеющих пониженный процент выхода годных.

Надежность Р ИС в партии из /V штук при приемосдаточных испытаниях определяется наличием некоторого количества л\/г негод-шхИС. p^iidpUL

Технологический процесс обычно состоит из некоторого числа M шределяющих операций, завершающихся процессом контроля парамет->ов и выбраковкой негодных ИС. Техническая надежность Л«.' этих >пераций определяется процентом выхода годных ИС

Р»,= "6, £=1,...".

■де M - число ИС в партии на i'/л/ операции, - число годных 1С на с*ой операции.

Надежность % изготавливаемых ИС после определяющих операций, следствие выбраковки, то есть полного исключения негодных, должна быть близка к 1. ,, ,

р. JltJ.- - 1 ' = , л/

~ А'; - /f»/,-<" ' I ». . • ,

~де №/.-; - количество негодных выбракованных ИС, 1 соответственно надежность выпускаемых партий Р = Рх-Р,- ... Р„ = 1. Однако данное благоприятное соотношение нарушается из-за ряда факторов: дрейфа параметров ЙС до момента приемосдаточных испытаний, ошибок контроля и других.

Рассмотрим , как влияет на надежность процесс дрейфа параметров, который состоит в некотором их "уходе".

Предположим, что контролируется один параметр Тг который в данной партии из /К' ИС имеет распределение платности вероятности i^ifj. Пусть у, - это порог, раэделящий годные ("f ? ~fc) и негодные ИС.

Тогда математическое ожидание выхода годных <М-;> и негодных (бракуемых) < М,/,-, ) ИС можно найти по формулам

^ /Vn > = M f Z>lf) df < > - M"/ y.

7-

Вследствие дрейфа параметров к моменту приемосдаточных испытаний распределение плотности вероятности параметра Y от своего исходного вида ' Г Т< Г»

<Лч('f) - u>(-f), если

где К. - нормирующий коэффициент (К \ 1), деформируется ("расплывается") к виду uJ'(y) (рис. 3). При этом появляется некоторое количество /[/¿/г негодных ИС,

непосредственно влияющих на показатели надежности.

и)., (т\

Г

Рис. 3. Распределение плотности вероятности параметра 7"

Сопоставляя и анализируя соотношения для > и <И/»л->,

можно сделать вывод, что во многих случаях (не всегда), чем больше негодных ИС выбраковывается, тем больше негодных ИС может появиться при последующих испытаниях. Такое явление может наблюдаться и при ошибках контроля параметров ИС.

Указанное явление положено в основу разработки метода выравнивающей технологии, суть которого состоит в том, что при резком увеличении количества забракованных ИС после некоторой определяющей операции принимается решение о необходимости проведения дополнительных контрольно-испытательных операций, обеспечивающих отбраковку потенциально ненадежных ИС в данной партии.

2.2. Разработка статистической системы контоля и управления

Для ИС серии 142 разработана система контроля и управления качеством, структурная схема которой показана на рис.4. Система • включает в себя обработку статистических данных о характере брака с помощью разработанных программ для ПЭВМ "Электроника МС0585", I предусматривает проведение дополнительных ускоренных испытаний, | не предусмотренных ГУ, и применение метода выравнивающей технолот гии на участке технологических отбраковочных испытаний.

Сбор данных на участках сборки и испытаний ИС осуществляется более чем с 10 технологических операций, на каждой из которых можно учитывать до 15 видов брака. Данные собираются с каждой единицы оборудования, по каждому оператору и.обновляются в зависимости от их характера ежедневно, еженедельно, ежемесячно.

С помощью ПЭВМ получают распределение брака на разных операциях, процент выхода годных ИС на отдельных операциях, видах обору-

качеством ИС в процессе производства

Операции по выравнивании иаде>ности

Разделение пластин на кристаллы

Сборка ИС

Технологические

отбраковочные

испытания

Лриемо- Готовые

сдаточные —Г*" надели«

испытаиив {

Сбор ванных о количестве и к арактере брака гри проверке внешнего вида кристаллов.

Сбор данных о количестве к характер? брака после операций: напайка кристал; приварка выводов; герметизация; контроль обрывов.

Обработка данных на П)ВП

Сбор данных о количестве и характере брака посде операций:

1 класс щнкади»;

проверка эл.парам.при+125;

проверка мощности;

2 к!асси|икаци1;

проверка вмевнего вида ИС.

Ускоренные исгштанив (615 вт.в квартал):

Цитирование;

Автоклав;

ИТ;

ТТ.

Выработка корректи-рущих «роприиий

Анализ отказов

т—

Рис. 4. Система контроля и управления качеством НС серии 142 .ования, по конкретным исполнителям, на участках и по цеху.

Полученные результаты могут быть представлены в виде таблиц, ■истограим, контрольных карт. При получении результатов исполь-)уются статистические методы обработки данных.

В совокупность дополнительных ускоренных испытаний, способных зыявить характерные отказы для изделий в пластмассовых корпусах, жлшены следующие контрольные испытания ИС: испытания на воздействие изменения температуры среда (100 термоциклов -60,».+125 °С,

00 ИС>; испытание о автоклаве (влажность 100 давление юдяных паров 0.2 МПа, 48 ч , 15 ИС): ЭТТ ( 1.0 Вт, 168 ч, 250 1С); термотренировка <150*0, 168 ч, 250 ИС).

На участке отбраковочных испытаний усовершенствован маршрут движения партий ИС с учетом положений метода выравнивающей техно-югии. На определяющих операциях - первая классификация, измерение электрических параметров при повышенной температуре, вторая клас-:ификация - установлены предельные проценты выхода годных (соответственно 78,8, 86,1, 90,8 Когда партия ИС имеет процент выхода -одных ниже предельного, то она подвергается дополнительным испытаниям для повышения надежности, в число которых входят 10 термо-(иклов (-60.,.+125 °С), термотренировка, при +125 "С, проверка по ющности, проверка электрических параметров при температуре 25

1 125 °С.

Использование разработанной системы контроля и управления ка-юствои ИС в процессе серийного производства позволило, в частность выявить причины обрыЕов внутренних выводов, низкую влагостой-

I____

кость, низкую стойкость ИС к термоциклам, а также при относительно небольших затратах на проведение дополнительных операций по выравниванию надежности выпускаемых партий ИС снизить процент отказов на приемосдаточных испытаниях в 1.7 раза,

3. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗРАБОТАННЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИИ £7, 10, 14]

При оценке эффективности различных конструктивно-технологиче -ских изменений ИС КР142ЕН12 рассматривались 5 вариантов исполнения ИС (табл. 1). Учитывая повышенную чувствительность ИС к воздействию изменения температуры среды и влажности, испытания ИС проводились б режимах термоциклирования и повышенной влажности.

Таблица 1

I 1 I Процент отказов

I 1 1 на испытаниях

Вариант Конструкция! Топология 1 Марка 1 термоциклы 1 автоклав

исполне- выводной (внутренних 1 пресс- 1-60..+125 "С1 121 "С

ния ИС рамки Соединений 1 материала! 1в течение

I 1 180 ц.1120ц.124 ч148ч

1 Рис.2а I Рис. 2а 1 К8139С 165.0 179.0 186.71100

2 Рис.2а I Рис. ¡45 СП I К8139С 132.0 155.0 164.21100

о Рис.2в I Рис. 26 1 К8139С 117.0 134.0 129.3197.7

4 Рис.2в 1 Рис. 2в 1 KS139C 112.0 116.0 1 - 1 -

5 Рис.2в 1 Рис. 26 I МЭП-1Т 117.0 117.0 I 5.СИЗО.0

Испытанию температурными циклами (-60..>+125 0 С) подвергались выборки от партий изделий по 100 ИС. Контроль электрических J параметров проводился после каждых 10 циклов. Накопленный процент отказов после 80 и 120 циклов приведен в табл.1, Анализ причин отказов показывает, что основной характер отказа - это обрывы внутренних выводов. С изменением схемы разварки внутренних выводое (вариант 2) наблюдалось снижение процента отказов после 120 термоциклов с 79 до 55 дополнительное изменение конструкции выводной рамки (вариант 3) снижает процент обрывов до 34 %. Применение новой конструкции выводной рамки и изменение топологии внутренних соединений (вариант 4) позволяет сократить процент отказов ИС после 120 темпе-

ратурных циклов до 16 %.

В автоклаве при 100 % влажности и температуре 121 С после 4° часов в процессе испытаний отказали ИС практически всех вариантов изготовления, герметизированные пресс-материалом К8139С (табл.Л. После 48 часов испытаний в автоклаве ИС наиболее существенный вклад в снижение отказов вносит марка пресс-материала.

По результатам данных исследований в производство внедрена выводная рамка с топологией соединений выводов, соответствующей варианту 4, герметизируемая пресс-материалом МЭП-1Г.

Оценка надежности ИС проводилась как путем прямых испытаний на долговечность, гак и расчетным. В технических условиях на ИС типа КР142ЕН12 гарантируется интенсивность отказов в течение наработки не выше 1-10 1/ч .

Испытания на надежность ИС КР142ЕН12 проведены при мощности подаваемой на ИС 1.0 Вт без установки ее на теплоотвод, при температуре окружающей среды 25°С. Температура корпуса ИС достигала температуры предельно допустимой по ТУ (100 ""С). Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2

Вариант I Количество I Наработано I Количество Интенсивность отка-

исполнения I испытанных 1приборо- 1 отказов 1зов при достовернос-

по табл. 1 1 схем 1 часов 1 ти 0,6; А -10* 1/ч

1 1 480 1 500000 1 1 1 4.0

5 1 510 1 500000 I 0 1 1.8

Проведены расчеты интенсивности отказов по методу анализа на' -грузки на элементы (по стандарту СШЙ МИ-НГ)ВК-217) и методу расчетно-экспериментального прогнозирования надежности (по РД 110755-90) ИС типа КР142ЕН12 до и после проведения работ по повышению надежности этих ИС в процессе серийного производства для температуры окружающей среды +70^С. Полученные данные представлены в табл. 3.

Из табл, 2 и 3 видно, что надежность ИС серии 142 в результате проведенных работ увеличилась более чем в 2 раза, что доказывает эффективность конструкторско-технологических решений, полу-

Таблица ?>

Расчетное значение интенсивности отказов ,И0*1/ч

до начала работ......... f .ДР.С.Л?. Рычания _ра_б от

по MIL I по РД I по MIL I по РД

5.4 I 7.2 I 1.5 I 3.0

ченных в процессе выполнения данной работы.

Основные результаты работы

1. Решена научно-техническая задача повышения качества и надежности ИС серии 142 в процессе серийного производства в два раза, что позволило сделать эти схемы конкурентоспособными на мировом рынке.

2. Исследовано влияние различных материалов для выводных рамок на качество ИС. Показана нецелесообразность применения алюминиевые и стальных выводных рамок для ИС серии 142,как более дешевых,чем медные. Усовершенствована конструкция "замка" выводной рамки и топология внутренних выводов, позволившие уменьшить процент обрывов внутренних соединений в 1.6 раза и повысить стойкость ИС к тер моциклам.

3. Внедрен новый технологический процесс капиллярной напайки кристаллов в вакууме, позволяющий снизить пористость паяного шва по сравнению с водородной напайкой и уменьшить тепловое сопротивление переход-корпус.

4. Разработаны и внедрены датчик заполнения пресс-формы и тест-; кассета для выбора по определенной методике оптимальных режимов герметизации пластмассой, позволяющие уменьшить величину облоя I при герметизации выводной рамки, а также снизить механические ! нагрузки на выводную рамку при удалении облоя.

5. Конструктивно доработан тестер контроля электрических пара- ■ метров 14ТКС-100 в направлении реализации методики отбраковки по- ; тенциально-ненадежных ИС, основанной на оценке импульсной мощности ИС. Разработан и внедрен полуавтомат проверки ИС при повышенной температуре +125 "С. Указанные разработки позволили снизить трудоемкость испытания ИС на 15 %.

6. Разработан и внедрен в процесс серийного изготовления ИС се-

рии 142 метод выравнивающей технологии для повышения надежности ИС.

7. Разработана статистическая система контроля и управления качеством ИС серии 142 в процессе производства, отличающаяся использованием результатов ускоренных испытаний и метода выравнивающей технологии. Система позволила выявить причины обрывов внутренних выводов и другие недостатки конструкции. Внедрением данной системы достигнуто снижение отказов на приемосдаточных испытаниях в 1.7 раза,

Результаты, полученные в работе, внедрены в производство инте -•ральных схем серии 142, а также могут быть использованы при выпуске других ПП и ИС в корпусе КТ-28,

Основные публикации по теме диссертации:

1. Горлов М.И., Саморуков В.Д., Бойко В.И. Повышение надежности полупроводниковых изделий электронной техники путем использования выравнивающей технологии // Проблемы качества и надежности изделий электронной техники, радиоэлектронной аппаратуры и средств управления: Тез. докл. науч.-техн. конф.- Минск, 1988.- С. 18-19.

2. Горлов М.И., Саморуков В.Д., Бойко В.И. Повышение надежности изделий электронной техники методом выравнивающей технологии // Электронная промышленность,- 1989.- Вып. 8.- С. 41-42.

3. Бойко В.И., Щербаченко В.П. Использование метода селективной технологии при изготовлении транзисторов в пластмассовом корпусе типа КТ-28 // Развитие и совершенствование телевизионной техники: Тез. докл. межотрасл. науч.-произв. конф.- Львов, 1990.-

С. 224-225.

4. Бойко В.И.. Шукалов В.В. Система сбора и обработки информации для управления качеством изготовления транзисторов // Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов: Тез.докл, 5 науч.-техн. отрасл. конф.- Воронеж. 1991.- С. 38.

5. Горлов М.И., Грищенко В.Т., Бойко В.И., Щукалов В.В. Управление надежностью гибридных интегральных схем путем использования выравнивающей технологии // Состояние и перспективы развития гибридной технологии и гибридных интегральных схем в приборостроении: Тез. докл. 3 Всесоюз. науч.-техн. конф.- Ярославль, 1991.-

С. 28-29.

6. Бойко В.И. Применение ЭВМ для управления процессом сборки ИС /7 Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов: Тез. докл. 6 науч.-техн. отрасл. конф.- Новгород, 1992,-С. 32-36.

7. Бойко В.К.. Королев С.Ю. Исследование эффективности финишных операций, используеиык при изготовлении мощных интегральных схем "Енисей" // Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов-. Тез. докл. 7 науч.-техн. отрасл. конф.- Воронеж, 1993.- С. 36-37.

8. Бойко В.И.. Золотухина О.М., Шукалов В.В. Новые конструктивные решения упаковки полупроводниковых мощных приборов с уче- , том механических напряжений в кристаллах /V Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов: Тез. докл. ? науч.-техн. отрасл. конф.- Воронеж, 1993.- С. 37-38.

9. Горлов К.И., Бойко В.И., Королев С.®. Примерь; применения метода выравнивающей технологии в производстве ИЭТ и на входном контроле // Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов: Тез. докл. 8 науч.-техн. отрасл. конф,- Воронеж, 1994.-

С. 45-47.

10. Бойко В.И., Королев С.Ю. Оценка эффективности отбраковочных испытаний, используемых при изготовлении мощных интегральных схем КР142ЕН18 // Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов: Тез. докл. 8 науч.-техн. отрасл. конф.- Воронеж, 1994.- С. 49.

11. Бойко В.И., Королев С.Ю., Тищенко В.В. Использование специального держателя кристаллов в корпусе КТ-28 // Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов: Тез. докл. 8 науч.-техн. отрасл. кокф.- Воронеж, 1994.- С. 51.

12. Горлов М.И., Бойко В.И., Королев С.Ю. Применение метода выравниващей технологии при изготовлении ИС серии 142 // Электронная промышленность.- 1995.- Вып. 2.- С. 58-60.

13. Бойко В.И. Конструкторско-технологические решения, повышающие надежность ИС 142 серии // Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов: Тез. докл. 9 науч.-техн. отрасл. конф.-Воронеж, 1995.- С. 36.

14. Бойко В.И. Надежность ИС серии 142 // Состояние и пути повы шения надежности видеомагнитофонов: Тез. докл. 9 науч.-техн. отрас. конф.- Воронеж, 1995.- С. 47.

15. Бойко В.И. Способы, повышающие качество герметизации изделий литьем под давлением // Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов: Тез. докл. 9 науч.-техн. отрасл. конф.- Воро-

ЙВТОРСКИЕ СВИДЕТЕЛЬСТВА

■I. А. с. 1396408 СССР. Проволока и способ ее получения /' В.И. Бойко и другие.- 1988.

2. н. с. 1453934 СССР. Сплав на основе алюминия для микропроволоки / В.И. Бойко и другие.- 1985.

3. Д. с. 1750803 СССР. Штамп для обработки деталей / В.И. Бойко и другие.- 1992. __.

Са ^ .—а

ЛР №020419 от 12.02.г. Подписано к печати 15.11.95 г.Усл.печ.

л. 1,0.Тираж 100 экз. Заказ № ЗУ.9

Воронежский государственный технический университет

394026,Воронеж,Московский пр.,14.Участок оперативной полиграфии

ВГТУ.