автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Метод диагностирования БМК по температурным режимам

На правах рукописи

Цырлов Андрей Михайлович

МЕТОД ДИАГНОСТИРОВАНИЯ БМК ПО ТЕМПЕРАТУРНЫМ

РЕЖИМАМ

Специальность 05.11.13. - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий.

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОРЕЛ - 2004 г.

Работа выполнена в Орловском государственном техническом университете на кафедре "Проектирование и технология электронных и вычислительных систем".

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук, доцент

Корнеев Евгений Федорович

Официальные оппоненты

■ доктор технических наук, профессор Данилов Владимир Леонтьевич - кандидат технических наук, доцент Ногачёва Татьяна Ивановна

Ведущая организация

ЗАО " Электротекс" (г. Орел)

Защита состоится "

2004 г. в

/а

сов на засе-

дании специализированного Совета Д 212.182.01 в Орловском государственном техническом университете по адресу: 302020, РФ, г. Орел, Наугорское шоссе, 29

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Орловского государственного университета

£в "

Автореферат разослан Отзывы на авто-

реферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу Совета университета: 302020, РФ, г. Орел, Наугорское шоссе, 29.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Мировой кризис электронной промышленности и обострение конкуренции производителей электронных компонентов требуют адаптации микроэлектронного производства к новым реалиям. Решение проблемы находится в снижении себестоимости и обеспечении качества изделий. В силу этого современный этап развития производства характеризуется в первую очередь внедрением энергосберегающих технологий с целью снижения себестоимости продукции. В тоже время качество и надежность продукции определяются как конструктивно-технологическими особенностями, позволяющими изделию функционировать в диапазоне температур и внешних факторов, так и достоверностью производственных испытаний. Данные испытания по контролю работоспособности в диапазоне температур и по тепловому стимулированию дефектов требуют создания надлежащих температурных условий, которые по определению являются энергозатратным, что создает противоречие между обеспечением качества продукции и снижением ее себестоимости.

Актуальность проблемы особенно проявляется для изделий электронной техники (ИЭТ), так как основным требованием, определяющим потребительскую стоимость, является обеспечение надежности, как основного показателя качества, в том числе путем испытаний. Проблема обеспечения качества для ИЭТ усугубляется практической неремонтопригодностью изделий, что не предполагает возможность устранения неисправности у потребителя. Особую сложность обеспечения качества представляет разработка и производство интегральных микросхем (ИС), характеризующихся большим количеством элементов конструкции, сформированных в монолитном кристалле, и большим количеством функциональных и физических параметров, требующих контроля.

На данное противоречие между обеспечением качества ИС и их низкой себестоимости накладываются проблемы, вызванные новыми требованиями к элементной базе, основными из которых являются сокращение сроков освоения, малая серийность, финансирование НИОКР за счет собственных средств.

При реализации заказных ИС в рамках традиционных подходов возникают проблемы рентабельности разработки и производства, объясняемые тем, что временные затраты на цикл разработки и изготовления микросхемы, оценки её качества способны затянутся до этапа морального старения изделия. Определенную свободу действий предоставляет система реализации ИС на базовых матричных кристаллах (ГОСТ 27394). Дополнительная свобода действий предоставляется для модернизации микросхем, освоенных в серийном производстве, по которым накоплена статистика контроля качества.

Процесс разработки и изготовления полузаказных ИС на основе базового матричного кристалла (БМК) вследствие формализации проектирования и стандартизации технологических процессов имеет ряд преимуществ над проектированием и изготовлением заказанных схем. БМК характеризуется устойчивостью конструкции и технологии изготовления. Изготовление разных типоно-

РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА СП» * ОЭ

миналов микросхем на БМК можно рассматривать в рамках одного технологического процесса с распространением показателей надежности на все типоно-миналы ИС по результатам испытании одного. Накапливаемая статистика результатов испытаний, в том числе температурных, позволяет произвести замену трудоемких прямых методов контроля диагностическими.

Таким образом, обеспечение низкой стоимости микросхем на БМК, определяемой конструктивно-технологическими особенностями БМК, и поддержание высокого уровня качества возможно применением в производстве методов математической статистики и технического диагностирования.

Целью работы является повышение эффективности процессов контроля качества и надежности ИС на основе БМК.

Основные задачи исследований.

1. Разработка и исследование методики сквозного диагностирования качества ИС на БМК в процессе проектирования и изготовления.

2. Разработка и исследование модели теплофизических характеристик ИС в рамках предельно-допустимых режимов эксплуатации.

3. Разработка и исследование модели многомерной области работоспособности изделия от значений конструктивно-технологических параметров и температуры.

4. Разработка метода и средств диагностирования по температурным режимам.

5. Разработка и исследование тестовых модулей конструктивно -технологических элементов, тестовых схем для анализа характеристик ИС.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные исследования. Теоретические исследования основаны на решении уравнений физики МДП транзистора, зависимостей параметров ИС от температуры и параметров технологического процесса. Теоретические результаты получены с помощью методов математического анализа, аналитических и численных методов решения уравнений. Математическое моделирование проводилось по унифицированным и оригинальным алгоритмам в специализированных программных пакетах. При обработке расчетных данных использовались методы математической статистики, корреляционного и регрессивного анализа. Экспериментальные исследования проведены на оригинальных средствах измерения с использованием современных измерительной аппаратуры и устройств сбора данных, ориентированных на ПЭВМ. Программное обеспечение включает в себя автоматизированный контроль параметров ИС, расчет корреляционных характеристик, управление периферийным оборудованием, ведение статистической базы данных измерений.

Научная новизна.

1. Разработана методика сквозного диагностирования качества ИС на БМК на всем цикле разработки и изготовления ИС.

2. Разработан метод контроля параметров и характеристик ИС при контролируемом саморазогреве.

3. Разработала модель многомерного анализа электрофизических характеристик ИС, выхода годных изделии по параметрам технологического процесса и внешних воздействующих факторов, включая температурные воздействия.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс контроля и статистического анализа ИС и тестовых модулей, ориентированный на ПЭВМ и обеспечивающий максимальную оперативность и минимальную себестоимость разработки ИС.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Практическая ценность работы состоит во внедрении в систему разработки и постановки на производство микросхем на базовых матричных кристаллах системы технического диагностирования, позволяющей:

1.обеспечить оптимальный процент выхода годных.изделий с прогнозируемыми характеристиками;

2. ввести в технологические испытания метод диагностирования ИС при контролируемом саморазогреве и исключить дорогостоящие и долговременные методы контроля параметров и испытания ИС при внешнем нагреве;

3. на основе модели многомерной области работоспособности прогнозировать на всех этапах технологического процесса электрофизические характеристики готовой ИС;

4. использовать в технологическом процессе изготовления ИС на БМК программно-аппаратный комплекс, существенно снижающий трудоемкость изготовления и себестоимость изделий;

5. проводить оперативный анализ годных и бракованных ИС в программно-аппаратном комплексе, вести архив и протоколирование результатов контроля;

6. исключить дублирование испытаний конструкции отдельных типоно-мнналов ИС на БМК за счет накопления статистических данных по результатам испытаний.

Изложенные в работе результаты использованы при изготовлении ИС в ОАО "ОКБ "Протон", ТОО "БМП", ЗАО "Синтэк", ЗАО "Протон-Оптоэлектроника", ОАО "Протон", ЗАО "Протон", ЗАО "Протон-Импульс", ООО "Фирма "Додэка" - серия ИС управления ЦЗИ (КР1580ХМЗ-7773, 7773М, 7773Р, 7774, 7776, 4511, 7777, 7777А, 4000, 4000.1, 4000А, 4000.1А, 4100, 4100А, 0000, 7771, 7772, 05Кв, 05Кви, 05БС, 058С, 10Кв10, 10Кв20, 8Кв10, 10КвКв), семейство ИС для управления мнемоническими, индикаторами (КР1580ХМ5-Магк1, Магк2, МагкЗ, Магк4, 05КБ, 05КБ, КР1580БЦ1Т), семейство таймеров (КР1580ХМЗ-0001, 0002, 8Ипо1, Бйп, 0019, 0020, 0022, 0024), семейство ИС драйверов для ЭПРА (КР1580ХМ3-00078, 0007У, 0035, 0035А).

Разработанный диагностический комплекс введен в эксплуатацию в ООО "Фирма "Додэка" (г. Москва), ООО "Альфа-СИ" и ЗАО "Синтэк" (г. Орел).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика сквозного диагностирования качества ИС на БМК при разработке и изготовлении ИС.

2. Метод контроля параметров и характеристик ИС при контролируемом саморазогреве. Метрологические характеристики метода. Статистическая оценка эффективности замены ЭТТ диагностированием ИЭТ по температурным режимам.

3. Модель многомерного анализа электрофизических характеристик ИС, выхода годных изделии по параметрам технологического процесса и внешних воздействующих факторов, включая температурные воздействия. Результаты моделирования и экспериментальных исследований.

4. Программно-аппаратный комплекс контроля и статистического анализа ИС и тестовых модулей.

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на 4-ой Международной конференции "Распознавание-99" (г. Курск , 1999), Всероссийской научно-технической конференции "Диагностика веществ, изделий и устройств" (г. Орел, 1999), Международной научно-технической конференции "Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем" (г. Тамбов, 2000); 5-ой Всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (г. Красноярск, 2003) на научно-методических семинарах и конференциях кафедры ПТЭиВС ОрелГТУ.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ и получено 4 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 20 таблиц. Состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка используемых источников, включающего 98 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и основные задачи исследований, приведены краткие аннотации глав диссертации.

В первой главе приведен обзор диагностического обеспечения ИС; описаны тестовые ячейки, классификация параметров микросхем, схем функционального контроля; проанализированы режимы испытаний. Проведен анализ дефектов и механизмов отказов микросхем в процессе производства, испытаний и в эксплуатации; рассмотрены вопросы стимулирования дефектов. Особое внимание уделено статистическим методам анализа надежности как при описании жизненного цикла ИЭТ, так и при распределении дефектов. При описании автоматизированного контроля и анализе контролепригодности ИС рассмотрены вопросы роста требований к измерительному оборудованию в процессе развития технологий изготовления ИС. В главе приведен функционально-стоимостной анализ испытаний с учетом возрастания их роли в производстве. При рассмотрении интеграционных процессов разработки и производства подняты вопросы системного анализа цикла постановки изделия на производство.

По результатам рассмотрения вопросов диагностического обеспечения качества ИЭТ сформулирован вывод, что работа по обеспечению качества должна вестись по двум направлениям - обеспечение качества на этапе разработки с учетом опыта ведения серийного производства и исключение дефектной продукции на этапе производства. В связи с невозможностью определения всех скрытых дефектов в производстве прямыми методами контроля выявление дефектных изделий возможно методами диагностирования - стимулированием развития дефекта. Основным стимулирующим фактором является температура.

Одновременно обратная связь этапов разработки и производства посредством использования статистических данных производственного процесса возможна в рамках универсальных конструкций. Наибольшую универсальность конструкции представляет применение БМК для реализации ИС.

Во второй главе представлена методика сквозного диагностирования качества микросхем, реализуемых на БМК, в процессе разработки и изготовления ИС. Структурная схема методики представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Структурная схема методики сквозного диагностирования

В рамках данной методики процесс изготовления изделия отслеживается сквозным моделированием самого процесса и параметров изделия.

В силу унифицированных конструкции и технологии изготовления ИС на БМК в основу методики положены устойчивые статистически воспроизводимые параметры КМДП пары - N - и Р-канальных транзисторов (блок 1): длина и ширина канала - Wи L; пороговое напряжение - VI; тол шина подзатворного

окисла - Юх; подвижность основных носителей - и др. На основании данной статистической базы разрабатываются топологическая база библиотечных элементов (блок 2), реализуемая в дальнейшем в физической структуре кристалла, и база библиотечных элементов (блок 3), применяемая в электронной САПР моделирования электрической схемы.

На следующем уровне методики в рамках процесса изготовления формируется топология готовых изделий (блок 4): собственно функциональной ИС; тестовой ИС (ТИС - для анализа элементов конструкции кристалла и параметров технологического процесса) и диагностической ИС (ДИС - для анализа надежностных характеристик). В рамках процесса моделирования разрабатывается электрическая схема на основе иерархического использования библиотечных элементов (блок 5). Результаты анализа позволяют оценить степень соответствия ИС требованиям, предъявляемым к микросхеме.

На технологическом уровне в рамках процесса изготовления физически реализуются кристаллы функциональной ИС; тестовой ИС и диагностической ИС - блоки 6-8. Процесс изготовления кристаллов унифицирован, и их функциональная реализация осуществляется на заключительных технологических операциях. В процессе изготовления кристаллов осуществляется анализ конструктивно-технологических параметров в ключевых точках технологического процесса (блок 9). В первую очередь производится изготовление тестовой ИС, по которой также производится анализ конструктивно-технологических параметров партии. Результаты анализа используются в процессе анализа многомерной области работоспособности изделия (блок 10) для оценки степени соответствия ИС требованиям, предъявляемым к микросхеме. По результатам данного анализа формулируются корректирующие воздействия для технологического процесса.

Собранные в процессе изготовления диагностическая и функциональная ИС (блоки 11 и 12) поступают на уровень испытаний. Диагностическая ИС используется в периодических испытаниях с распространением результатов испытаний на всю партию (блок 13). Функциональная ИС подвергается температурным диагностированиям параметров и надежности (блоки 14 и 16) с учетом результатов моделирования в блоке 15.

Основой предлагаемой методики является физическая модель взаимосвязи параметров ИС, позволяющая моделировать режимы эксплуатации ИС, определить многомерную область работоспособности изделия в координатах конструктивно-технологических параметров, параметров конструкции ИС и внешних воздействующих факторов, в том числе температуры.

Анализ и моделирование выполнены для микросхем, реализуемым на БМК, в связи с чем, уделено внимание вопросам исполнения БМК серии КР1580ХМЗ - рассмотрены конструкция, библиотечные элементы, технологии изготовления, корпусные исполнения микросхем, электрические параметры ИС. Для этапа проектирования в САПР разработаны модели элементарных N н Р-канальных транзисторов. На их основе построены иерархические модели

библиотечных элементов - логических элементов, триггеров, схем сравнения, счетчиков, регистров, что позволяет проводить машинный анализ схемы на уровне блоков. На этапе изготовления кристаллов проводится контроль технологических параметров с целью внесения корректирующих воздействий. Основными операциями являются операции имплантации, диффузии и окисления. Основной закон, управляющий процессом переноса i-ой примеси, определяется уравнением непрерывности. Кинетика процесса окисления относится к классу одномерных задач и, как функция времени, определяется.квадратичной функцией. Расчет профиля легирования в процессе ионной имплантации проводится по теории Линхарда, Шарфа и Шиотта, определяющей полную потерю энергии при прохождении ионом кристалла. Решение данных уравнений выполнено численными методами с применением программы FACT v.26.06.92. Выходные данные расчета являются входными для расчета электрических параметров ИС по электрофизическим параметрам структуры. Математическая модель рассчитывается с применением MathCAD 2000 и Borland Delphi 6.

Для. расчетов температурной зависимости выходного тока применена следующая модель. Для N-канального транзистора выходной ток в крутой области описывается выражением:

гдегд, - подвижность носителей; IV - ширина канала; Ь - длина канала; С()х -емкость подзатворного окисла; Ус, - текущее напряжение на затворе транзистора; Ут- пороговое напряжение; У о - текущее напряжение на стоке.

Температурная зависимость подвижности определяется по рисунку 2.

Рисунок 2 - Температурная зависимость подвижности Удельная емв

Хо\ Ео

1

(3)

где: £}д- - удельная проницаемость оксида; Хо\ - относительная диэлектрическая проницаемость оксида; £ц -диэлектрическая проницаемость вакуума; t(>\ -толщина оксида.

Пороговое напряжение определяется по формуле:

1 (Л

(4)

где: Cor- удельная емкость оксида, определяемая по (3).

В выражении (4) фр - напряжение Ферми - зависит от температуры:

где к - постоянная Больцмана; q - заряд электрона; Np - концентрация примеси (см. также рисунок 2); п,- собственная концентрация носителей.

В выражении (4) 0„ - пространственный заряд - определяется как: Q» = -tf'V.m • (6)

■ толщина обедненного слоя:

В свою очередь Wmav

<7Л о

(7)

В соответствии с моделью (1) - (7), рисунком 2 проведена настройка выходного тока К-канального транзистора. Данная модель позволяет провести многомерный анализ выходных характеристик изделия в зависимости от параметров структуры и технологического процесса. Модель позволяет при уходе параметров технологического процесса оценить характеристики изделия на выходе технологического процесса и провести корректирующие воздействия на последующих технологических операциях, исправляющие ситуацию.

На этапе отбраковочных испытаний проводится двухстадийное диагностирование надежности изделия. Производство кристаллов ИС носит массовый характер со статистически совпадающими характеристиками. Оценка параметров элементов готового изделия по выборке на соответствие расчетным параметрам позволяет сделать вывод о пригодности пластин для изготовления кристаллов ИС. Оценка параметров проводится по тестовому модулю, включающему следующие элементы: резистор А1-Ы+ (15-25 кОм), резистор А1-Р* (50-60 кОм), резистор "А1 по1 рельефу" (90-110 Ом), резистор А1-ро1у81 (40-60 кОм). Тестовый модуль также включает Р и К-канальные транзисторы. Контроль параметров тестового модуля позволяет судить об устойчивости технологии и пригодности кристалла к реализации электрической схемы ИС.

Оценка БМК и диагностирование соответствия требованиям, предъявляемым в целом к семейству БМК (таблица 1), проводится на тестовой микросхеме. Тестовая микросхема имеет 100 процентное заполнение кристалла, а также все входы и выходы включены в электрическую схему. Таким образом, все остальные типономиналы микросхем имеют параметры не хуже параметров тестовой микросхемы, так как содержат меньшее количество элементов.

Таблица 1 - Электрические параметры БМК в нормальных условиях

Наименование параметра Обозначение Н01 )ма Режим измерения Температура, "С

£ s Ucc, ß III. В L'ih, ß Io, мА

1. Максимальное выходное напряжение низкого ) ровня. В Uol 1.0 12.0 2.4 8.4 10.0 +25 -10.+85

2. Максимальное выходное напряжение высокого уровня. В Uoh 11.0 12.0 2.4 8.4 10.0 +25 -10.+85

3. Выходной ток утечки низкого уровня, мкА lozl 0.5 12.0 0.0 12.0 - +25

5.0 -10,+85

4. Выходной ток утечки высокого уровня. мкА lozh 0.5 12.0 0.0 12.0 - +25

5.0 -10,+85

5. Входной ток низкого уровня. мкА Iii 0.1 12.0 0.0 - - +25

1.0 -10,+85

6. Входной ток высокого уровня, мА lih 1.0 12.0 - 12.0 - +25

1.0 -10,+85

7. Ток потребления, мкА Icc 10.0 12.0 0.0 12.0 - +25

50.0 -10,+85

На этапе готового изделия задачей контроля является замена трудоемких и энергоемких методов отбраковки потенциально ненадежных изделий методами косвенного контроля. Стандартным методами отбраковки, имеющими наибольшую трудоемкость в осуществлении, являются контроль статических параметров при повышенной температуре, электротермотренировка (ЭТТ).

Для контроля параметров ИС при повышенной температуре и замены ЭТТ предложен метод, основанный на анализе режимов эксплуатации ИС. Рассеиваемая мощность ИС, складывается из:

Рассеиваемая мощность в основном определяется выходными токами ИС. В АХ выходов ИС KP1580XM3-0007S представлены на рисунке 3.

500

700 600 500 400 300 200 100 О

0 12 3 4

5 6 7 ивых. В

в 9 10 11 12

400 300 200 100 О

i

Ф p

* 's

* , г V

0 12 3 4

5 6 7 ивых. В

8 9 10 11 12

•1Лж=5В — — UOC-10B- - -Ucc»12B

»Ucc=5 В — — Uce=10B - - - Ucc=12B

а) б)

Рисунок 3 - Зависимость выходного тока: а) - низкого, б) высокого уровня

В соответствии с ВЛХ и (8) рассеиваемая мощность микросхемы при напряжении питания 5,0 - 12,0 В в зависимости от тока в нагрузке представлена на рисунке 4 а.

4000

Й 3000 5 2000

£

1000 о

4

» /

.¿и

г- 1

.г" Т 1 1

250

?по

О

Я 150

а- 100

50

0

! .1 ^

У

» а 1-1-}-

и-г | !

О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Нагр, мА

50 100 150 200 250 300 ктагр. мА

— - -Цсс=12В- - - -ЦСС=10В.

•Ртах

— - -Цсс=12В- - - -Цсс=10В-

-Траб

а)

б)

Рисунок 4 - Рассеиваемая мощность (а) и температура микросхемы (б) в зависимости от тока нагрузки

Из анализа зависимостей следует, что для уменьшения рассеиваемой мощности ИС следует ограничивать ток при их = 10-12 В величиной в 150 мА. В противном случае происходит чрезмерный разогрев кристалла. Расширение диапазона предельно-допустимых режимов эксплуатации микросхемы возможно за счет применения мер по снижению теплового сопротивления корпуса (увеличение предельно-допустимой мощности рассеивания):

ь-та

(9)

где: / - толщина материала; X - коэффициент теплопроводности; 5 - площадь рассеивания.

Температура ИС при окружающей температуре Токр рассчитывается по:

Р •/

Гр1С 1 т

' НС Д £ т 'окр

(10)

Оценка температуры ИС KP1580XM3-0007S в зависимости от тока нагрузки приведена на рисунке 3 б. Данные оценки представляют меры по расширению области работоспособности ИС, но и являются инструментом к обеспечению качества ИС. Применение саморазогрева ИС увеличением выходного тока позволяет снизить стоимость испытаний. Однако остается задача непрерывного контроля микросхем во избежание их выхода из строя. Точность поддержания температуры обеспечивается индивидуальным подходом к каждой микросхеме применением температурной зависимости из модели (1) - (7), рисунок 2 и итерационными методами. Определение начального значения тока микросхемы в нормальных условиях производится контролем импульсного значения выходного тока. Минимальная длительность импульса определяется по максимальной частоте (10 МГц). Максимальная длительность импульса оп-

ределяется тепловыми характеристиками микросхемы. Тепловое сопротивление R-т по (9) и теплоемкость ИС Ст определяют тепловую постоянную времени:

Таким образом, процесс контроля параметров микросхемы при повышенной температуре за счет саморазогрева определяется следующим алгоритмом:

1. Контроль импульсного значения выходного тока ИС в нормальных условиях при длительности импульса от 100 не до Tj во избежание разогрева ИС.

2. Уточнение параметров модели (I) - (7), рисунок 2: геометрических размеров транзисторов - для соответствия реальному значению тока.

3. Расчет значения выходного тока по модели (I) - (7), рисунок 2 для обеспечения требуемой температуры саморазогрева.

4. Задание и стабилизация выходного тока ИС.

5. Контроль электрических параметров микросхемы в диапазоне времени до во избежание остывания микросхемы.

ЭТТ требует меньшей точности задания температуры, поэтому применение резистора нагрузки обеспечивает и электротренировку и саморазогрев ИС.

Исключение из расчета режима саморазогрева элементов внутренней структуры правомочно, так как их саморазогрев составляет 0,001 °С (против 60 °С выходных транзисторов), и рассеиваемая мощность составляет 10 мкВт (против 500 мВт выходных транзисторов). В модели не учитывается пространственное расположение элементов кристалла, так как различие в коэффициентах теплопроводности кристалла и корпуса составляет не менее 100 - распределение температуры в кристалле можно считать однородным.

Во третьей главе рассмотрены вопросы практической реализации системы технического диагностирования и диагностического обеспечения (автоматизированные аппаратные и программные средства), рассчитаны метрологические характеристики диагностического метода.

Сохранившиеся в эксплуатации средства контроля ИС имеют недостатки в силу морального и физического устаревания. Конкурентом функционально -параметрического контроля ИЭТ становятся измерительные лабораторные карты (LabCard), встраиваемые в ПЭВМ. Для контроля параметров ИЭТ использована плата ACL-8216. Структурная схема измерителя приведена на рисунке 5.

Для расчета температурных зависимостей параметров ИС по модели (1) -(7), рисунок 2 в среде Borland Delphi 6 разработана программа IDrain.

В третьей главе приведены результаты реализации программно-аппаратного комплекса (ПАК) для проведения измерительных и испытательных процессов на микросхеме KP1580XM3-0007S. Для диагностического испытания ИС предложена схема включения, представленная на рисунке 7.

Испытания проводятся в нормальных условиях, температура микросхем обеспечивается саморазогревом. Контроль микросхем происходит непрерывно в мультиплексном режиме.

Рисунок 5 - Структурная схема измерителя

Структурная схема управляющей программы представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Структурная схема управляющей программы

Рнсунок 7 - Схема температурного диагностирования микросхем

Абсолютная погрешность косвенного диагностического метода, основанного на определении температуры по формуле:

пои соответствующих расчетах и подстановке конкретных значений составляет: ДГЖ. = ^(АТокР)2 +{996-А1(С)2 +(4,2-ЛЛ„)г + 2 • (2390 • Л/,,,)2 (13)

Результат расчета показал абсолютную погрешность косвенного метода измерения 2,96 °С, что укладывается в требования к поддержанию температуры в процессе испытаний 6,0 °С (± 3 0С).

В четвертой главе приведены результаты практической реализации ПАК; разбраковки ИС, изготовленных с применением методики сквозного диагностирования, и анализа тепловых режимов.

Разработанный ПАК в составе с зондовой установкой и интерфейсами связи был применен для разбраковки кристаллов KP1580XM3-0007S.

Полученный выход годных кристаллов - значительно выше среднего. При изготовлении микросхем без диагностирующих и корректирующих мероприятий процент выхода годных составлял 30 - 60 %, как в рамках одной партии (от пластины к пластине), так и от партии к партии. Внедрение сквозного диагностирования не только повысило процент выхода годных, но и сократило разброс выхода годных от пластины к пластине в рамках одной партии.

• Анализ тепловых режимов ИС производился на ПАК с контролем температуры микросхемы термопарой. ИС включалась заданием напряжения питания 12 В, нагрузка 160 мА на выход подавалась от внешнего генератора с изменяемой длительностью импульса. Значения с термопары снимались аналоговым входом ACL-8216. Сигналы с термопары и от генератора были синхронизированы по времени, что позволило уточнить расчет теплового сопротивления и постоянной времени (9}-{11). Результаты эксперимента приведены на рисунке 7, постоянная времени нагрева микросхемы составляет значение 850 - 900 мс.

Исследованиям подверглась выборка из 100 микросхем, контрольная температура на всех укладывалась в диапазон

Статистическая оценка температурных диагностических испытании проведены в соответствии с РД 11 0591-88 (Оценка эффективности замены элек-тротермотренировки методами диагностического контроля (ДК)). Оценка основана на косвенном сравнении доли дефектных изделий и характера распределения отказов.

Рисунок 7 - Результат разогрева ИС импульсной нагрузкой

Оценка проведена для распределения Вейбула с доверительной вероятностью 0,6. ДК проведен на 100 микросхемах при напряжении питания 12.0 В по схеме рисунка 6, сопротивление нагрузки - 80,6 Ом. Испытания проводились до 5 процентов отказов (5 ИС), которые вышли из строя в течение 24 часов испытаний. Испытания на безотказность на выборке из 11 микросхем, прошедших ДК, закончились успешно, что подтверждает правильность метода ДК.

Анализ характера и распределения отказов, проявляющихся при проведении ЭТТ и диагностирования саморазогрева, показал большую достоверность диагностирования метода саморазогрева.

Технико-экономический анализ так же указывает на преимущества метода саморазогрева, заключающихся в сокращении сроков диагностирования, в снижении энергозатрат на испытания и финансовых затрат на испытательную оснастку, в организации проведения испытаний.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Решением задачи обеспечения качества и надежности интегральных микросхем является интеграция циклов разработки и изготовления в единый про-

иесс. Действенной мерой обеспечения качества готовых изделий выступает проведение технологических диагностирующих испытаний, заключающихся в стимулировании развития дефектов ИЭТ с последующим отсевом брака по механизмам проявления. Основным ускоряющим фактором развития дефектов является воздействие температуры.

В ходе практической реализации данных положений получены следующие результаты.

1. Разработана методика сквозного диагностирования качества ИС на БМК на всем цикле разработки и изготовления ИС.

2. Разработан метод контроля параметров и характеристик ИС при контролируемом саморазогреве. Метрологические характеристики метода с применением г программно-аппаратного комплекса обеспечивают требования точности поддержания температуры (при норме 6,0 °С фактическое значение составляет 2,96 °С). Подтверждена статистическими методами эффективность замены ЭТТ методом контролируемого саморазогрева ИС.

3. Разработана модель многомерного анализа электрофизических характеристик ИС, выхода годных изделий по параметрам технологического процесса и внешних воздействующих факторов, включая температурные воздействия.

Данная модель позволяет определить область работоспособности в координатах параметров и факторов, внести изменения (коррективы) в технологию для реализации конкретных требований по электрическим параметрам. Изменения (уход) параметров отдельных технологических операций позволяют средствами САПР рассчитать корректирующие воздействия для стабилизации параметров конструкции БМК.

Для контроля качества технологии и конструкции разработаны тестовая и диагностическая ИС. Тестовая ИС позволяет оценить качество изготовленных структур по базовым элементам конструкции. Диагностическая ИС позволяет испытать наихудший вариант реализации ИС на БМК со 100 процентным заполнением кристалла с распространением результатов испытаний, в том надежностных, на все типономиналы ИС.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс контроля и статистического анализа ИС и тестовых модулей, ориентированный на ПЭВМ и обеспечивающий максимальную оперативность и минимальную себестоимость разработки ИС. Программно-аппаратный комплекс, построенный на базе ПЭВМ и встраиваемой измерительной платы ЛСЬ-8216, позволяет производить полнофункциональный контроль микросхем. Уточнены режимы саморазогрева микросхем для контроля параметров при повышенной температуре. Возможность хранения данных измерения и их статобработки позволяет производить диагностирование надежности и качества как отдельно взятой микросхемы, так и целой партии ИС по статистическим данным измерений.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Цырлов A.M., Корнеев Е.Ф. Исследование параметров микросхем при контролир>емом саморазофеве // Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник материалов 5-ой всероссийской научно-технической конференции. -Красноярск, 2003, с. 355-360.

2. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M. Диагностический тестовый контроль БМК // Диагностика веществ, изделий и устройств: Материалы всероссийской научно-технической конференции - Орел, 1999, с. 122.

3. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M. Разработка функционального ряда микросхем управления символьными индикаторами на базовом матричном кристалле (БМК) КР1580ХМЗ // Распознавание-99: Сборник материалов 4-ой международной конференции - Курск, 1999, с. 228.

4. Цырлов A.M., Корнеев Е.Ф. Интеллектуальные индикаторы и средства отображения информации// Телекоммуникации, № 2,2001, с. 39 - 43.

5. Авторское свидетельство СССР № 1641171 , кл. Н 03 М 7/14 , 8.12.90 . Преобразователь двоичного кода в код семисегментного индикатора/ Проворов СВ., Цырлов A.M.

6. Авторское свидетельство СССР №1615879, кл. Н 03 К 21/38 , 12.08.90 . Счетчик с начальной установкой / Цырлов A.M., Проворов СВ.

7. Корнеев Е.Ф., Барановский Д.М., Цырлов A.M. Программно-аппаратный комплекс контроля изделий электронной техники // Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем ИТ ПМПС-200: Сборник материалов международной научно-технической конференции. - Тамбов, 2000. - с. 90.

8. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M. Диагностическая электротермотрениров-ка микросхем драйверов при контролируемом саморазогреве // Телекоммуникации, № 6,2003 - с. 30 - 33.

9. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M. Программно-аппаратные средства контроля ИЭТ // Контроль. Диагностика, 2001, № 2, с. 20-23.

10. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M. Особенности контроля параметров микросхем для электротехнических устройств // Телекоммуникации, № 7, 2003 - с. 28-31.

11. Авторское свидетельство СССР № 1582372, кл. Н 03 К 19/094 , 1.04.90. Формирователь двухполярных сигналов / Афонин Г. С , Ашмаров Ю.В., Коробков B.C., Цырлов A.M.

12. Авторское свидетельство СССР№ 1582352, кл. Н 03 К 19/094, 1.04.90. Логический элемент / Афонин Г.С , Цырлов A.M., Ашмаров Ю.В. , Коробков B.C.

13. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M., Якушкин Д.В. Автоматизация контроля параметров ИЭТ // Проектирование и технология электронных средств, 2001, № 3, с 44-47.

14. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M. Метод контроля температурных режимов ИС // Контроль. Диагностика, 2004, № 1, с. 3 - 6.

Сдаио в набор 2004 г. Подписано в печать 2004 г.

Орловский государственный технический университет

* 97 60

Введение

ГЛАВА 1 ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ИС

1.1 ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ИС

1.2 АНАЛИЗ ДЕФЕКТОВ И МЕХАНИЗМОВ ОТКАЗОВ

1.3 СТАТИСТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ОТКАЗОВ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ

1.4 ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЕПРИГОДНОСТЬ ИС

1.5 ФУНКЦИОНАЛЬНО-СТОИМОСТНОЙ АНАЛИЗ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

1.6ИНТЕГРАЦИЯ РАЗРАБОТКА - ПРОИЗВОДСТВО

1.7 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА СКВОЗНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНТРОЛЕПРИГОДНОСТИ ИС НА БМК

2.1 КОНТРОЛЕПРИГОДНОСТЬ И РАСЧЕТОПРИГОДНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ БМК КР1580ХМЗ

2.2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ МИКРОСХЕМ НА БМК

2.3 МОДЕЛИ КОМПОНЕНТОВ ИС

2.4 ТЕСТОВАЯ И ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ ИС

2.5 МОДЕЛЬ МНОГОМЕРНОГО АНАЛИЗА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИС

2.6 МЕТОД КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ИС ПРИ КОНТРОЛИРУЕМОМ САМОРАЗОГРЕВЕ

2.7 РЕАЛИЗАЦИЯ МИКРОСХЕМ НА БМК КР1580ХМЗ

2.8 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 3 СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ КОНТРОЛЯ

3.1 ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС

3.2 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

3.3 МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МЕТОДА

3.4 ВЫВОДЫ

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

4.1 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПАК

4.2 АНАЛИЗ КРИСТАЛЛОВ ИС, ИЗГОТОВЛЕННЫХ В РАМКАХ МЕТОДИКИ СКВОЗНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

4.3 ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ ИС

4.4 АНАЛИЗ И ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЗАМЕНЫ

ЭТТ МЕТОДАМИ ДК

4.5 ВЫВОДЫ

Актуальность темы. Современный этап развития отечественного производства характеризуется широким внедрением энергосберегающих технологий с целью снижения себестоимости продукции. В тоже время качество и надежность продукции определяются ее конструктивно-технологическими особенностями, позволяющими изделию функционировать в широком диапазоне температур и внешних факторов. Процесс отбраковочных испытаний изделия как по контролю его работоспособности в диапазоне температур, так и по стимулированию скрытых дефектов, требует создания соответствующих температурных условий. Эти испытания по определению являются энергозатратным, что создает противоречие между обеспечением качества продукции и снижением ее себестоимости.

Актуальность проблемы наиболее отчетливо проявляется для изделий электронной техники (ИЭТ), так как основным требованием, определяющим потребительскую стоимость данной продукции, является обеспечение надежности. Основным фактором обеспечения надежности является неремонтопригодность ИЭТ. Особая сложность обеспечения качества проявляется при разработке и производстве интегральных микросхем (ИС), характеризующихся большим количеством элементов конструкции, сформированных в монолитном кристалле, и большим количеством функциональных и физических параметров, требующих контроля.

Следует отметить, что на противоречие между обеспечением высокого качества ИС и их низкой себестоимости накладываются проблемы, вызванные возникновением новых требований к элементной базе, основными из которых являются сокращение сроков освоения, малая серийность производства и финансирование НИОКР за счет средств изготовителя.

В рамках традиционных подходов к реализации заказных микросхем, соответствующих требованиям приемки гражданской продукции или продукции военного назначения [1-4], основные требования не реализуемы в силу нерентабельности, так как временные затраты на цикл разработки и изготовления ИС, оценки её качества способны затянутся до этапа морального старения изделия [5]. Преодоление традиционных подходов при проектировании заказных ИС практически невозможно в рамках существующей системы постановки изделий на производство [6].

В то же время определенную свободу действий предоставляет система реализации ИС на базовых матричных кристаллах (БМК) [7]. Также известная свобода действий предоставляется для корректировки и модернизации ИС, освоенных в серийном производстве, по которым накоплена достаточная статистика контроля качества [1-4].

Процесс разработки и изготовления полузаказных ИС на БМК вследствие формализации проектирования и стандартизации технологических процессов имеет ряд преимуществ над проектированием и изготовлением заказанных схем, что позволяет получить выигрыш в сроках проектирования и освоения ИС. БМК характеризуется устойчивостью конструкции и технологии изготовления. В частности, ИС на БМК серии КР1580ХМЗ сохраняют исходные параметры базовых элементов кристалла (реализация типономина-ла ИС определяется одним из десяти фотошаблонов), все типономиналы изготавливаются в рамках единой технологии. Сборочное производство ИС на БМК в силу неизменных размеров кристалла также стабильно, ИС изготавливаются практически в трех корпусных исполнениях. То есть, изготовление разных типономиналов ИС на БМК можно рассматривать в рамках одного технологического процесса с распространением показателей надежности и результатов испытаний на все типономиналы ИС по результатам испытаний одного. Кроме того, накапливаемая статистика результатов испытаний, в том числе температурных, позволяет произвести научно и технически обоснованную замену трудоемких прямых методов контроля диагностическими (в соответствии с [1-4]).

Обозначенные проблемы актуальны также в силу того, что большая номенклатура ИС на БМК, изготавливаемых в рамках единого технологического процесса, характеризуется рядом оригинальных электрических параметров и функциональных характеристик. Снижение трудоемкости контрольно-измерительных операций достигается внедрением диагностических методов контроля.

Дополнительно необходимо отметить, что воспроизводимость конструкций кристалла и микросхем, реализуемых на БМК, в течение всего производственного цикла и статистическая применимость результатов позволяет говорить о возможности сквозного диагностирования ИС: начиная от разработки, в процессе изготовления, и заканчивая отбраковочными испытаниями.

Таким образом, обеспечение низкой стоимости ИС на БМК, определяемой конструктивно-технологическими особенностями БМК, и поддержание высокого уровня качества возможно применением в производстве методов математической статистики и технического диагностирования.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процессов контроля качества ИС на основе БМК.

Область исследования.

1.Исследование неразрушающих методов диагностирования ИЭТ по температурным режимам.

2.Разработка методики диагностирования ИС на БМК.

3.Разработка метода диагностирования ИС на БМК КР1580ХМЗ по температурным режимам.

4.Исследование и разработка средств диагностирования по температурным режимам.

5.Разработка программно-технического обеспечения средств диагностирования по температурным режимам и обработки экспериментальных результатов диагностирования.

Основные задачи исследований.

1. Анализ и моделирование конструктивно-технологических факторов надежности.

1.1. Разработка методики диагностирования качества ИС на БМК КР1580ХМЗ в процессе разработки и изготовления.

1.2. Разработка и исследование физической модели теплофизических характеристик ИС в рамках предельно-допустимых режимов эксплуатации.

1.3.Разработка физической модели выхода годных изделий от значений конструктивно-технологических параметров и температуры. Установление в рамках модели многомерной области работоспособности изделия в координатах параметров технологического процесса и внешних воздействующих факторов, включая температурные воздействия.

2. Исследования и экспериментальный анализ.

2.1. Анализ результатов изготовления ИС с применением методов диагностирования в процессе разработки и изготовления.

2.2. Исследование теплофизических характеристик ИС, зависимости параметров ИС от температуры и режимов эксплуатации ИС.

2.3. Разработка метода и средств диагностирования по температурным режимам. Статистический анализ эффективности замены электротермотре-нировки (ЭТТ) методом температурного диагностирования. Определение метрологических характеристик метода и средств диагностирования.

2.4. Статистический анализ работоспособности модели выхода годных изделий по результатам исследования параметров тестовых модулей в диапазоне параметров режима и температур. Разработка тестовых модулей конструктивно-технологических элементов. Проектирование и реализация тестовых схем анализа входных, выходных и передаточных характеристик ИС. Измерение и контроль параметров тестовых модулей и микросхем в диапазоне параметров режима и температур.

Методы исследования. В работе применялись теоретические и экспериментальные исследования. Теоретические исследования основаны на решении уравнений физики МДП транзистора, зависимостей параметров ИС от температуры и параметров технологического процесса. Теоретические результаты получены с помощью методов математического анализа, аналитических и численных методов решения уравнений. Математическое моделирование проводилось по унифицированным и оригинальным алгоритмам в программных пакетах FACT, PAROM, PCAD 4.5, MathCAD 2000, OrCAD v.9.2. (PSpice), Borland Delphi 6. При обработке расчетных данных использовались методы математической статистики, корреляционного и регрессивного анализа. Экспериментальные исследования проведены на оригинальных средствах измерения с использованием современных измерительной аппаратуры и устройств сбора данных, ориентированных на ПЭВМ. Программное обеспечение реализовано в среде Borland С 3.1 и включает в себя автоматизированный контроль параметров ИС, расчет корреляционных характеристик, управление периферийным оборудованием, ведение статистической базы данных измерений.

Научная новизна.

1. Разработана методика сквозного диагностирования качества ИС на БМК на всем цикле разработки и изготовления ИС.

2. Разработан метод контроля параметров и характеристик ИС при контролируемом саморазогреве.

3. Разработана модель многомерного анализа электрофизических характеристик ИС, выхода годных изделий по параметрам технологического процесса и внешних воздействующих факторов, включая температурные воздействия.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс диагностирования и статистического анализа ИС и тестовых модулей, ориентированный на

ПЭВМ и обеспечивающий максимальную оперативность и минимальную себестоимость разработки ИС.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Практическая ценность работы состоит во внедрении в систему разработки и постановки на производство ИС на БМК системы технического диагностирования, позволяющей:

1.обеспечить оптимальный процент выхода годных изделий с прогнозируемыми характеристиками;

2.внедрить в технологический процесс изготовления ИС на БМК измеритель параметров и средства испытания, существенно снижающие трудоемкость изготовления и себестоимость изделий;

3.исключить дорогостоящие и долговременные методы контроля параметров и испытания ИС при внешнем нагреве за счет высокой достоверности, обеспечения полноты диагностирования при контролируемом саморазогреве;

4.проводить оперативный анализ годных и бракованных ИС в программно-аппаратном комплексе контроля параметров ИС, вести архив и протоколирование результатов контроля;

5.исключить дублирование испытаний конструкции отдельных типо-номиналов ИС на БМК за счет накопления статистических данных по результатам испытаний;

6. проводить анализ электрофизических параметров и процента выхода годных ИС по текущим параметрам технологического процесса и прогнозируемым температурным воздействиям.

Изложенные в работе результаты использованы при изготовлении ИС в ОАО "ОКБ "Протон" , ТОО "БМП" , ЗАО "Синтэк", ЗАО "Протон-Оптоэлектроника", ОАО "Протон", ЗАО "Протон", ЗАО "Протон-Импульс", ООО "Фирма "Додэка " - серия ИС управления ЦЗИ (KP1580XM3-7773 , 7773N, 7773Р, 7774, 7776, 4511, 7777, 7777А, 4000, 4000.1, 4000А, 4000.1 А,

4100, 4100А, 0000, 7771, 7772, 05RG, 05RGU, 05DC, 05SC, 1 ORG 10, 10RG20, 8RG10, 10RGRG), семейство ИС для управления мнемоническими индикаторами (КР1580ХМ5 - Markl, Mark2, МагкЗ, Mark4, 05RD, 05RF, КР1580БЦ1Т), семейство таймеров (КР1580ХМЗ - 0001, 0002, Stinol, Stin, 0019, 0020, 0022, 0024), семейство микросхем драйверов для ЭПРА (КР1580ХМЗ - 0007S, 0007Y, 0035, 0035А). Разработанный диагностический комплекс введен в эксплуатацию в ООО "Фирма "Додэка" (г. Москва) и ЗАО "Синтэк" (г. Орел).

Апробация результатов работы . Основные положения диссертации доложены, обсуждены и одобрены на: 4-ой Международной конференции "Распознавание-99" (г. Курск, 1999), Всероссийской научно-технической конференции "Диагностика веществ, изделий и устройств" (г. Орел, 1999), Международной научно-технической конференции "Информационные технологии в проектировании микропроцессорных систем" (г. Тамбов, 2000), 5-ой Всероссийской научно-технической конференции "Современные проблемы радиоэлектроники" (г. Красноярск, 2003) на научно-методических семинарах и конференциях кафедры ПТЭиВС ОрелГТУ.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 печатных работы и получено 4 авторских свидетельства на изобретения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика сквозного диагностирования качества ИС на БМК при разработке и изготовлении ИС.

2. Метод контроля параметров и характеристик ИС при контролируемом саморазогреве. Метрологические характеристики метода. Статистическая оценка эффективности замены ЭТТ диагностированием ИЭТ по температурным режимам.

3. Модель многомерного анализа электрофизических характеристик ИС, выхода годных изделий по параметрам технологического процесса и внешних воздействующих факторов, включая температурные воздействия. Результаты моделирования и экспериментальных исследований.

4. Программно-аппаратный комплекс диагностирования и статистического анализа ИС и тестовых модулей.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Решением задачи обеспечения качества и надежности интегральных микросхем является интеграция циклов разработки и изготовления в единый процесс. Действенной мерой обеспечения качества готовых изделий выступает проведение технологических диагностирующих испытаний, заключающихся в стимулировании развития дефектов ИЭТ с последующим отсевом брака по механизмам проявления. Основным ускоряющим фактором развития дефектов является воздействие температуры.

В ходе практической реализации данных положений получены следующие результаты.

1. Разработана методика сквозного диагностирования качества ИС на БМК на всем цикле разработки и изготовления ИС.

2. Разработан метод контроля параметров и характеристик ИС при контролируемом саморазогреве. Метрологические характеристики метода с применением программно-аппаратного комплекса обеспечивают требования точности поддержания температуры (при норме 6,0 °С фактическое значение составляет 2,96 °С). Подтверждена эффективность замены ЭТТ методом контролируемого саморазогрева ИС. Статистическая оценка подтверждена анализом распределения отказов (большей достоверностью метода диагностирования) и организационно-экономическими аспектами проведения испытаний.

3. Разработана модель многомерного анализа электрофизических характеристик ИС, выхода годных изделий по параметрам технологического процесса и внешних воздействующих факторов, включая температурные воздействия.

Данная модель позволяет определить область работоспособности в координатах параметров и факторов, внести изменения (коррективы) в технологию для реализации конкретных требований по электрическим параметрам. Изменения (уход) параметров отдельных технологических операций позволяют средствами САПР рассчитать корректирующие воздействия для стабилизации параметров конструкции БМК.

Для контроля качества технологии и конструкции разработаны тестовая и диагностическая ИС. Тестовая ИС позволяет оценить качество изготовленных структур по базовым элементам конструкции. Диагностическая ИС позволяет испытать наихудший вариант реализации ИС на БМК со 100 процентным заполнением кристалла с распространением результатов испытаний, в том надежностных, на все типономиналы ИС.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс контроля и статистического анализа ИС и тестовых модулей, ориентированный на ПЭВМ и обеспечивающий максимальную оперативность и минимальную себестоимость разработки ИС. Программно-аппаратный комплекс, построенный на базе ПЭВМ и встраиваемой измерительной платы ACL-8216, позволяет производить полнофункциональный контроль микросхем. Уточнены режимы саморазогрева микросхем для контроля параметров при повышенной температуре. Возможность хранения данных измерения и их статобработки позволяет производить диагностирование надежности и качества как отдельно взятой микросхемы, так и целой партии ИС по статистическим данным измерений.

Разработанный подход позволил реализовать семейство микросхем на БМК КР1580ХМЗ. Результаты разбраковки микросхем показали удовлетворительный процент выхода годных с небольшим разбросом параметров, что говорит об оптимальности конструкции и действенности мероприятий в процессе разработки и сквозного диагностирования ИС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. ГОСТ 18725. Микросхемы интегральные. Общие технические условия.

2. ОСТ В 11 073.041. Микросхемы интегральные. Общие технические условия.

3. ОСТ В 11 0398. Микросхемы интегральные. Общие технические условия.

4. ОСТ В 11 0998. Микросхемы интегральные. Общие технические условия.

5. И.Я. Козырь. Качество и надежность интегральных микросхем. — М.: Высшая школа, 1987. — 144 с.

6. ГОСТ 15.001. Продукция производственно-технического назначения. Система разработки и постановки продукции на производство.

7. ГОСТ 27394. Микросхемы интегральные заказные и полузаказные. Порядок разработки и распределения работ между заказчиком и исполнителем.

8. Ефимов Е.И., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. М.: Высшая школа, 1986.-464 с.

9. Власов В.Е., Захаров В.П., Коробов А.И. Системы технологического обеспечения качества компонентов микроэлектронной аппаратуры — М.: Радио и связь, 1987. 160 с.

10. Дубовой Н.Д., Осокин В.И., Очков А.С. и др. Измерения и контроль в микроэлектронике / Под ред. А.А. Сазонова М.: Высшая школа, 1984. -367 с.

11. П.Эйдукас Д.Ю., Орлов Б.В., Попель Л.М. и др. Измерение параметров цифровых интегральных микросхем / под ред. Д.Ю. Эйдукаса, Б.В. Орлова М.: Радио и связь, 1982. - 368 с.

12. Werren S. Das Testen integrierter Schaltungen bein Hersteller Bull. ASE/UCS 72(1981) 15, 8 aout, s.s. 826-828.

13. Вай Г., Юэ Г. Проблемы ранних отказов: Обзор современного состояния вопросов тренировки // ТИИЭР, 1983, т. 71, № 11, с. 33 — 44.

14. M.Foster R.C. Why consider screening, burn-in, and 100-percent testing for commercial devices // IEEE Trans. Manufac. Technol., vol. MFT-5, 1976, no. 3, pp.52-58.

15. Stitch M., Johnson G.M., Kirk B.P., Brauer J.B. Microcircuit accelerated testing using high temperature operating test // IEEE Trans. Rel., vol. R-25, 1975, no. 4, pp. 238-250.

16. Hanlon E. Burn-in // Circuits Manufac., vol. 20, 1980, no. 7, pp. 56-67.

17. Могэб К., Фрейзер Д., Фичтнер У., Парильо Л., Маркус Р., Стейдел К., Бртрем У. Технология СБИС. В 2-х книгах. Т. 2 Л под ред. Зи С. М.: Мир, 1986, 456 с.

18. Мангир Т.Э. Источники отказов и повышение выхода годных СБИС и восстанавливаемые соединения в СБИС и СБИС-пластинах : Часть 1 . Источники отказов и повышение выхода годных СБИС // ТИИЭР, 1984, т.72, № 6, с.36-55.

19. Холтон У.С., Кевин Р.К. Перспективы развития КМОП-технологии // ТИИЭР, 1986, т.74, № 12, с. 56 83.

20. Вудс М.Х. Надежность и выход годных изделий при производстве СБИС по МОП-технологии // ТИИЭР, 1986, т. 74, № 12, с. 132-150.

21. Авиженис А., Лапри Ж.К. Гарантоспособные вычисления: от идей до реализации в проектах // ТИИЭР, 1986, т. 74, № 5, с.8-21.

22. Fantini F., Vanzi М. VLSI Failure Mechanisms // Proceedings of the International Conference on Computer Technology, Systems and Applications, 1, IEEE, Hamburg, 1987, p. 937-943.

23. Готра З.Ю., Николаев И.М. Контроль качества и надежность микросхем М.: Радио и связь, 1989. - 168 с.

24. Васенков А.А., Сретенский В.Н., Федотов Я.А. Три проблемы электроники твердого тела // Микроэлектроника и полупроводниковые приборы / под ред. А.А. Васенкова и Я.А. Федотова. М.: Советское радио. -1977. - Вып. 2. -с.З.

25. Goldstein L.N. Controllability. Observability analysis of digital circuits // IEEE Trans. Circuits Syst. -1979, v. CAS-26, № 9, p. 685-693.

26. Savir T. Good, controllability and observability do not guarantee good testability // IEEE Trans. Comput. 1983, v. C-32, № 12, p. 1198-1200.

27. Горяшко А.П. Синтез легко тестируемых схем: идеи, методы, реализация // Автоматика и телемеханика, 1984, № 7, с.5-35.

28. Stewart J.H. Future testing of large LSI circuits cords // Dig. 1977 semicond. test symp. oct. 1977, p. 6-17.

29. Andro H. Testing VLSI with random access scan // Dig. сотр. conf. feb. 1980, p. 342-346.

30. Savir T. Syndrome-testable design of combinational circuits // IEEE Trans, comput. 1980, v. C-29, № 6, p.442-451.

31. Susskind A.K. Testing by verifying Walsh coefficients// Prog. 11-TH Annu. symp. on fault tolerant computing, 1981, p.206-208.

32. Leblang J.J. Locst: a built-in self-test Technique // IEEE Design and test, 1984, № 2, p. 232-241.

33. Mccluskey E.J., Bozorgui-Nesbat S. Design for autonomous test // IEEE Trans, comput., 1981, v.C-30, № 11, p. 866-875.

34. Люлькин A.E. Построение тестовых наборов для МОП-схем // Микроэлектроника, 1993, Т. 22, вып. 5, с.20.

35. Пити, Адаме, Карелл, Джордж, Вэлек. Слагаемые надежности полупроводниковых приборов // ТИИЭР . 1974 . Т. 62 , № 2 . - с.6.

36. Лорранджер Дж. Термоэлектротренировка компонентов и ее технико-экономическая оценка // Электроника, 1975, т. 48, № 2, с. 24-32.

37. Plesser K.T., Field Т.О. Cost-optimized burn-in duration for repairable electronic systems// IEEE Trans. Rel., vol. R-26, 1977, no. 3, pp. 195-197.

38. Washburn L.A. Determination of optimum burn-in time a composite criterion // IEEE Trans. Rel., vol. R-19, no. 4, 1970, pp. 134-140.

39. Высоцкий Б.Ф., Головин А.И., Марков B.B. и др. Конструирование микроэлектронной аппаратуры / под ред. Высоцкого Б.Ф. — М.: Советское радио, 1975.

40. Роль инженера-разработчика в обеспечении качества продукции // Экспресс-информация, надежность и контроль качества, 1988, № 24, с.13.

41. Холтон У.С., Кевин Р.К. Перспективы развития КМОП-технологии // ТИИЭР, 1986, т. 74, №12, с. 56 83.

42. Вудс М.Х. Надежность и выход годных изделий при производстве СБИС по МОП-технологии // ТИИЭР, 1986, т. 74, № 12, с. 132-150.

43. Флейгенбаум А. Контроль качества продукции. М.: Экономика, 1986, 471 с.

44. Мангир Т.Э. Источники отказов и повышение выхода годных СБИС и восстанавливаемые соединения в СБИС и СБИС-пластинах: Часть 1. Источники отказов и повышение выхода годных СБИС // ТИИЭР, 1984, т.72, № 6, с.36-55.

45. Дорошевич К.К., Качанов С.А., Критенко М.И. Принципы обеспечения качества изделий на этапе разработки // Микроэлектроника, 1993, Т. 22, № 3, с.71-82.

46. Гнатюк Н.З., Васильков В.Е., Захаров В.П., Коробов А.И. Автоматизированные системы контроля, анализа и управления качеством разработки и изготовления БИС // Электронная техника, сер. 3, Микроэлектроника, 1982, вып. 3, с.99.

47. Титов О.А. Методы повышения отказоустойчивости КМДП интегральных микросхем. Обзор по материалам отечественной и зарубежной литературы за 1979 — 1988 г.г. Серия VII. № 100. М.: Изд-во ЦНТИ "Поиск", 1989, 40 с.

48. Мур У.Р. Обзор методов обеспечения отказоустойчивости, повышающий выход годных интегральных схем // ТИИЭР, 1986, т. 74, № 5, с. 76-93 .

49. Иыду К.А. Надежность, контроль и диагностика вычислительных машин и систем М.: Высшая школа, 1989 .

50. Лазер И.М., Шубарев В.А. Устройство цифровых микроэлектронных устройств М.: Радио и связь, 1983 .

51. Caruso М. Design consideration for CMOS semiconductor // New Electronics, 1987, v. 20, № 19, p. 18-19.

52. Шишонок H.A., Репкин В.Ф., Барвинский Л.Л. Основы теории надежности и эксплуатации радиоэлектронной техники — М.: Советское радио, 1964,552 с.

53. Файзулаев Б.Н., Шагурин И.И., Кармазинский А.Н.и др. Быстродействующие матричные БИС и СБИС. Теория и проектирование / Под общей редакцией Файзулаева Б.Н.и Шагурина И.И. М.: Радио и связь, 1989.-304 с.

54. Алюшин М.В. Обзоры по электронной технике: Современное состояние и перспективы развития базовых кристаллов для цифровых БИС на МДП-транзисторах // Электронная техника, Сер. 3, Микроэлектроника, Вып. 5, с. 54.

55. Броудай И., Мерей Дж. Физические основы микротехнологии М.: Мир, 1985,496 с.

56. Интегральные схемы на МДП-приборах // Под ред. Кармазинского А.Н. М.: Мир, 1975. - 528 с.

57. Росадо JI. Физическая электроника и микроэлектроника. — М.: Высшая школа, 1991.-352

58. Цырлов A.M., Корнеев Е.Ф. Исследование параметров микросхем при контролируемом саморазогреве // Современные проблемы радиоэлектроники: Сборник материалов 5-ой всероссийской научно-технической конференции. Красноярск, 2003.

59. Особенности теплового расчета импульсных силовых каскадов. Компоненты и технологии. 2002 г. №1.

60. Преснухин Л. Н., Шахнов В. А., Кустов В. А. Основы конструирования микроэлектронных вычислительных машин. М: "Высшая школа", 1976.-408 с.

61. Лакшминарайянан В. Методы повышения надежности электронных систем. Chip News. 2000 г. № 8, 9.

62. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M. Диагностический тестовый контроль БМК // Диагностика веществ, изделий и устройств: Материалы всероссийской научно-технической конференции Орел, 1999, с. 122.

63. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M. Разработка функционального ряда микросхем управления символьными индикаторами на базовом матричном кристалле (БМК) КР1580ХМЗ // Распознавание-99: Сборник материалов 4-ой международной конференции Курск, 1999, с. 228.

64. Цырлов A.M., Корнеев Е.Ф. Интеллектуальные индикаторы и средства отображения информации// Телекоммуникации, № 2, 2001, с. 39 — 43.

65. Проворов С.В. , Цырлов A.M. Преобразователь двоичного кода в код семисегментного индикатора. Авторское свидетельство СССР № 1641171 , кл. Н 03 М 7/14 , 8.12.90 .

66. Цырлов A.M. , Проворов С.В. Счетчик с начальной установкой. Авторское свидетельство СССР № 1615879 , кл. Н 03 К 21/38 , 12.08.90 .

67. Сорокин С.И. Аппаратные средства. Обзор // Современные технологии автоматизации, 1998, № 1.

68. Total Solution for PC-based Industrial Automation . Advantech Data Book, 1997, p.5-16.

69. ACL-8216 High resolution Multifunction Data Acquisition Card, ADLink Technologies Inc. Manual, 1998, 86 p.

70. Индустриальные системы сбора данных и управления. Справочник L-Card, 1998, 28 с.

71. Универсальный адаптер аналого-цифрового ввода/вывода NVL031 для IBM PC. Техническое описание, инструкция пользователя. Кооператив "Сигнал", 1991, 18 с.

72. Казначеев В.А., Кирюхин И.С., Перебаскин А. В. и др. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. М.: Издательский дом "Додэка", 2000. - 600 с.

73. БЭК 23. Ericsson: Модульные DC/DC-преобразователи. М.: Издательский дом "Додэка ", 2001. - 64 с.

74. MAXIM Integrated Products, 1994. (каталог фирмы MAXIM).

75. Гореславец А. Преобразователи напряжения на микросхеме КР1211ЕУ1// Радио, 2001, № 5 с. 41 - 42.

76. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M. Особенности контроля параметров микросхем для электротехнических устройств // Телекоммуникации, № 7, 2003-с. 28-31.

77. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M. Программно-аппаратные средства контроля ИЭТ // Контроль. Диагностика, 2001, № 2, с. 20-23.

78. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M. Диагностическая электротермотренировка микросхем драйверов при контролируемом саморазогреве // Телекоммуникации, № 6, 2003 с. 30 - 33.

79. РД 11 0591-88. Оценка эффективности замены электротермотрениров-ки методами диагностического контроля.

80. Афонин Г.С. , Ашмаров Ю.В. , Коробков B.C., Цырлов A.M. Формирователь двухполярных сигналов". Авторское свидетельство СССР № 1582372 , кл. Н 03 К 19/094 , 1.04.90 .

81. Афонин Г.С., Цырлов A.M. , Ашмаров Ю.В. , Коробков B.C. Логический элемент. Авторское свидетельство СССР № 1582352 , кл. Н 03 К 19/094 , 1.04.90 .

82. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M., Якушкин Д.В. Автоматизация контроля параметров ИЭТ // Проектирование и технология электронных средств, 2001, № 3, с 44-47.

83. ГОСТ 8.207-76. ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. Основные положения. М., 1978.

84. ГОСТ 11.004-76. ПС. Правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения. М., 1974.

85. ГОСТ 8.401-80. ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования. М., 1982

86. МИ 1317-86. Методические указания. Результаты и характеристики погрешности измерений (способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров). М., 1986.90.3айдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. JI., 1974.

87. Кассандров О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов наблюдений. М., 1970.

88. Корнеев Е.Ф., Цырлов A.M. Метод контроля температурных режимов ИС // Контроль. Диагностика, 2004, № 1, с. 3-6.

89. Яковлев Г.И. Алгебра и начала анализа. М.: Наука, 1987.

90. А ДБК.411420.685 ТУ. Микросхемы интегральные КР1211ЕУ1, КР1211ЕУ1А, КР1211ЕУ2, КР1211ЕУ2А. Технические условия.

91. ОСТ 11 073.013. Микросхемы интегральные. Методы испытания микросхем.

92. Петросянц К. О., Рябов Н. И., Харитонов И. А., Мальцев П. П., Маля-ков Е. П. Программное обеспечение для моделирования тепловых режимов интегральных схем // Автоматизация проектирования, 1997, № 3, с. 22- 30.

93. Приходько П.С., Малюдин С.А., Вавилов В.А., Баринов А.Б. Методика контроля стойкости интегральных микросхем к внешним воздействующим факторам в процессе производства. // Информост, 2002, №3, с.56.

94. Петросянц К. О., Рябов Н. И. Анализ на ЭВМ тепловых режимов гибридных интегральных схем // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника, 1980, вып. 5 (89), с. 60-65.100 90 80 70 6040 30 20 10 0

95. О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 141. Ucc, Вф ф фф ф ф ф t ф ф ф ф р ф ф ф ф ф ф ф ф * ф ф ф ф р ф ф р

96. Примечание: При Т = -60°С 1сс = 0.0 нА.

97. Рисунок П1.1 Зависимость тока потребления в статическом режиме от напряженияпитания в диапазоне температур1. Лист1. Ui, В--60 град.-25 град.-85 град.

98. Примечание: При Т=-60°С Ii = 0.0 нА.

99. Рисунок П1.2 Зависимость входного тока от напряжения питания в диапазонетемператур3002502002 х"2 m15010050* * * * > — t * * 1 * / / / к * ' > : / / / ti // // ивых, В

100. Ucc=5 В--Ucc=10 В - - Ucc=12 В

101. Рисунок П1.3 Зависимость выходного тока низкого уровня от напряжения нагрузки1. Лист

102. Ucc=5 В--Ucc=10 В - - - Ucc=12 В

103. Рисунок П1.4 Зависимость выходного тока высокого уровня от напряжения нагрузки100,1 1 10 100 1000fon, кГц

104. Ucc=5 В — — Ucc=10B- - Ucc=12Ba)fon, кГц— 60 град.-25 град. - - - 85 град.б)

105. Рисунок П1.5 Зависимость динамического тока потребления от частоты переключения: а) в диапазоне напряжений питания; б) в диапазоне температур (при1. Ucc=10В)

106. Технологический маршрут изготовления БМК

107. Процесс, операция Режимы операций Контролируемые параметры

108. Формирование N-thh,(100) 0100 КЭФ-4.5,с1 -460м км

109. Ф/л "КАРМАН" Слой 00 CD=5.1±0.5 мкм

110. ИЛ БОРА Е=100 кэВ D=2.0mkIGi/cmz

111. Х/ТРАВЛЕНИЕ CD=5.2±0.5 мкм

112. ОКИСЛЕНИЕ 0.28 d=0.28 ± 0.03 мкм

113. РАЗГОНКА КАРМ. 1200°C,40m02+320m.N2

114. КОНТРОЛЬ Rs,Xj Rsn=2000±200 Ом/а Xjn = 6.5 ± 1.0 мкм

115. НАНЕС. Si3N4 d=l 15 ± 15 нм

116. Ф/л РАЗДЕЛЕНИЕ Слой 01 CD =2.6±0.5 мкм

117. ПХТ Si3N4 CD =2.5+0.5 мкм

118. ИЛ ФОСФОРА D=0,2 mkKji/cm^ Е=75 кэВ

119. Ф/л Р+ОХРАНА Слой 02 CD =13±0.5 мкм

120. ИЛ БОРА D=18 мкКл/см^ Е=20 кэВ1. ОКИСЛЕНИЕ d=0.8±0.08 мкм1. КОНТРОЛЬ ВАХ 1

121. Ф/л ПОДЛЕГИРОВ. Слой 00 CD =5.1±0.5 мкм

122. ИЛ БОРА D=0,1 мкКл/см'£ Е=30 кэВ

123. ОКИСЛ.П/ЗАТВОР 850 °С, пир, отжЮ00°С 15мин с НС1 d=45 ± 2.5 нм

124. НАРАЩ. ПКК d=0.5 ± 0.05 мкм

125. ДИФФ.ФОСФОРА 900°С, Rs=20 ± 10 Ом/ □

126. Ф/л ЗАТВОР Слой 03 CD =3.4±0.5мкм(т)

127. АПХТ ПКК CD =3.3±0.5 мкм(т)

128. Ф/л Р+ ИСТОКИ Слой04 CD =6.9±0.5 мкм

129. ИЛ БОРА D=300 мкКл/см2Е=30 кэВ

130. Ф/л N+-СТОКИ Слой05 CD =6.9±0.5 мкм

131. ИЛ ФОСФОРА D=1000 mkKji/cmz Е=60 кэВ1. ОТЖИГ 850°С, 02,30 мин.

132. НАН. БФСС d = 0.8 ±0.08 мкм

133. Ф/л КОНТАКТЫ Слой 06 CD =2.8±0.5 мкм1. ПХТ БФСС CD =2.9±0.5 мкм

134. ОПЛАВЛАВЛЕНИЕ 850°С, 02 30мин.+ N2 30 мин.

135. НАПЫЛ. Me AL+l%Si, d=l.l±0.1 мкм

136. Ф/л МЕТАЛЛ Слой 07 CD =2.8±0.5 мкм

137. ХИМ.ТРАВЛ. AL CD =5.4±0.5 мкм1. Ф/л ПАССИВАЦИЯ Слой 08 1. ПХТ пхо

138. ВЖИГАНИЕ 450 °С, N2 15 мин

139. Эскиз габаритного чертежа корпуса 2101.8-11,5»ах3 X Г2Т5. = Г?Т51031 -».jj8 бабоДоб 0,55-е.ц•ф R0.125 <5>8,35юах1. Зона ключа08 1 ' 05' 01 , , 01 | 8 f ш ю +10.е .99

140. Методика диагностирования ИС на БМК<1 РЖДА Ю • М» "Додэка"• S • 1 ' 1 i : » микросхемы ;1. ТИПА КР1580ХМЗ^ | ' 11 1 Методика диагностирования ИС на БМК серии КР1580ХМЗ1. АДБК.411420.685 ; !; (Введена впервые) . '

141. Подпись и дата 1 ! ' Срок действия с 1.05.2003 г. до 1 i .* t.ei 1 « j ; Технический директор фирмы "Додэка" j s/ "r Гореславец А.А. ; И " " 2003 г.

142. Подпись и дата Изм. и » ! Разработал i —Цьшлов A.M. 2003 г. 1

143. Инв. № подл. * ? i 1 г. Орел 1 • 2003 | ' .1., ■ sd ов8.со