автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Методы контроля содержания паров воды в подкорпусном объеме интегральных схем

На правах рукописи

ШИШКИНА Наталья Александровна

__

МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СОДЕРЖАНИЯ ПАРОВ ВОДЫ В ПОДКОРПУСНОМ ОБЪЕМЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Специальность 05 27.01 - Твердотельная электроника,

радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж-2007

003066468

Работа выполнена в Воронежском государственном техническом университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Горлов Митрофан Иванович

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Петров Борис Константинович (Воронежский государственный университет),

кандидат технических наук Удовик Анатолий Павлович (ФГУП «Научно-исследовательский институт электронной техники», г Воронеж)

Ведущая организация ОАО «Воронежский завод

полупроводниковых приборов - сборка»

Защита состоится «16» октября 2007 г в 14 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212 037 06 Воронежского государственного технического университета по адресу 394026, г Воронеж, Московский просп, 14

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного технического университета

Автореферат разослан « сентября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

Горлов М И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие интегральных схем (ИС) связано с увеличением степени интеграции, то есть числа элементов на кристалле, и функциональной сложности, что обеспечивается как уменьшением размеров элементов, в том числе ширины тонкопленочных проводников и зазоров между ними, так и увеличением площади кристаллов При этом площадь, занимаемая межсоединениями, увеличилась с 20% до 80% для сверхбольших интегральных схем (СБИС)

С увеличением степени интеграции повышается чувствительность ИС к процессам, происходящим на поверхности кристалла, большинство которых связано с содержанием влаги внутри корпусов

Сконденсированные или адсорбированные на поверхности полупроводникового кристалла пары воды либо непосредственно участвуют в дегра-дационных процессах, таких как коррозия металлизации, либо косвенно способствуют развитию разного рода механизмов отказа ИС Отказы, связанные с воздействием влаги, составляют 25% от общего их числа для гибридных ИС и 60-80% - для ИС в металлостеклянных и керамических корпусах

Как правило, наличие влаги на поверхности кристалла может вызвать одновременно несколько деградационных процессов с преобладанием одного, чаще всего коррозии Поэтому очевидным стало требование заказчика к технологическому процессу изготовления ИС, что содержание паров воды в подкорпусном объеме при температуре 25°С должно быть не более 0,05 объемного процента, что идентично допустимому содержанию паров воды, нормируемому военным стандартом США MIL- STD-883E, равному 500 ррт (ррт - одна часть на миллион)

Учитывая последние технические требования к ИС по надежности сохраняемость не менее 25 лет и наработка не менее 150 тыс ч - особенно важно изучать механизмы отказов, анализ причин и источников попадания влаги в корпуса, на основе чего правильно оценивать мероприятия по снижению ее уровня для повышения надежности ИС Это становится возможным при точной оценке содержания паров воды внутри корпуса ИС

За последние 25 лет в мировой практике накоплен опыт по разработке методов контроля содержания влаги и инструментов для такого контроля, перспективными из которых являются микроэлектронные датчики влажности (МЭДВ), монтируемые непосредственно в корпус ИС вместо кристалла или одновременно с ним

До последнего времени в РФ и странах СНГ не разработано ни одного типа МЭДВ Только в 2004 году группа ученых под руководством профессора М И Горлова разработала датчик влажности поверхностно-конденсационного типа Но применение этого датчика затянулось из-за от-

сутствия заинтересованности руководства предприятий в его изготовлении Лишь в середине 2006 г на заводе «Транзистор» была изготовлена партия этих датчиков, что позволило разработать методику их применения и провести эксперименты по определению содержания влаги в подкорпусном объеме серийно выпускаемых ИС

Поэтому считаем, что практическая проверка применения разработанных МЭДВ и разработка новых способов контроля влаги внутри корпусов ИС являются в настоящее время актуальными задачами

Работа выполнялась по теме ГБ 2001-34 «Изучение технологических и физических процессов в полупроводниковых структурах и приборах» и ГБ 2004-34 «Исследование полупроводниковых материалов, приборов и технологии их изготовления»

Цели и задачи работы. Целью данной работы является исследование методов контроля содержания влаги внутри корпусов, практическое применение нового датчика влажности поверхностно-конденсационного типа, разработка неразрушающих способов контроля влаги в подкорпусном объеме ИС с помощью МЭДВ, или используя элементы ИС как датчики влажности, или по влагозависимым электрическим параметрам схемы и расчет необходимого количества циклов для выявления ИС с загрязнением кристалла

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи

разработать методику определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС микроэлектронными датчиками влажности и практически определить содержание влаги в серийно выпускаемых ИС,

сравнить результаты, полученные датчиком влажности и масс-спектрометрическим способом,

разработать способ опосредованного определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС, используя элементы ИС как датчик влажности, на примере схем ДТЛ, ТТЛ,

разработать способ определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС по влагозависимым электрическим параметрам, применимый для сплошного контроля схем в партии,

рассчитать необходимое количество термоциклов для выявления ИС с загрязнениями кристаллов

Научная новизна работы. В работе получены следующие новые научные и технические результаты

1 Разработана методика определения влаги в подкорпусном объеме ИС с помощью датчика поверхностно-конденсационного типа, на основании которой проведены измерения содержания влаги серийно выпускаемых ИС

2 Разработан способ неразрушающего определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС, используя элементы схемы как датчики влажности

3 Разработан неразрушающий способ сплошного контроля партий ИС по содержанию влаги в подкорпусном объеме по измерению электрических параметров в диапазоне температур (—20—28°С)

Реализация результатов работы, практическая значимость.

1 Разработанный датчик влажности поверхностно-конденсационного типа обеспечивает по сравнению с аналогом лучший выход годных датчиков с пластины кремния и возможность использовать его в корпусах любого размера и типа, а также повышенную точность за счет дублирования

2 По разработанному способу определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС рассчитано количество влаги в ИС типа 1564ИП7 и 1564ЛН1 На данный способ получен патент на изобретение (№ 2003131560)

3 Разработан способ сплошного неразрушающего контроля ИС по содержанию влаги в подкорпусном объеме ИС На данный способ контроля ИС подана заявка на изобретение

4 Опробована методика определения необходимого количества термоциклов для выявления ИС с загрязнениями кристаллов на ИС типов 134ИР1, 1505ИМ4, 1505ИД6, 1505ИП4, 1564ИП7, 1505ИПЗ

Основные положения и результаты, выносимые на защиту.

1 Методика определения влаги с помощью датчика влажности поверхностно-конденсационного типа

2 Неразрушающий метод определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС, используя ее элементы как датчики влажности

3 Способ сплошного неразрушающего контроля ИС по содержанию влаги в подкорпусном объеме, используя влагозависимые параметры схем

4 Расчетные данные необходимого количества термоциклов для выявления ИС с загрязнениями кристаллов

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах IX и X Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2003, 2004), XV научно-технической конференции "Датчик-2003" (Севастополь, 2003), Международных научно-методических семинарах "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва, 2003, 2004), XVI научно-технической конференции " Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления" (Севастополь, 2004), XII и XIII Международных научно-технических конференциях "Радиолокация, навигация, связь" (Воронеж, 2006, 2007), XIII Всероссийской межвузовской научно-

технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика - 2006" (Зеленоград, 2006), ХХХХ1Н - ХХХХУИ конференциях профессорско-преподавательского состава, студентов, аспирантов и сотрудников ВГТУ (Воронеж, 2003-2007)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 научных работ, в том числе 1 - в издании, рекомендованном ВАК РФ, получен патент и подана заявка на изобретение

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит [1, 2, 14-17] — экспериментальная часть, [3-10] - поиск и разработка принципов новых способов контроля содержания влаги в подкорпусном объеме ИС, [11 - 13] - расчет и обсуждение результатов

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений Основная часть работы изложена на 92 страницах, включая 37 рисунков, 12 таблиц, списка литературы из 71 наименования и приложения на 4 страницах

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена цель и поставлены задачи исследования, показана научная новизна полученных результатов и их практическая и научная значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации результатов работы, публикациях, личном вкладе автора, структуре и объеме диссертации

В первой главе представлен обзор литературы по теме диссертации Рассмотрены источники влаги внутри корпусов ИС внутренние и внешние Большое внимание уделено технологии герметизации, так как большое влияние на содержание начального уровня влажности в корпусе ИС оказывает влажность при герметизации Представлены способы снижения влажности в объеме корпусов ИС Описаны существующие методы контроля содержания влаги внутри корпусов ИС, которые разделяют на разрушающие методы (масс-спектрометрический, метод ИК-спектрометрии) и неразрушающие, реализуемые с помощью металлизации кристалла ИС в качестве средства контроля и с помощью датчиков влажности, герметизируемых в корпус ИС

Во второй главе представлена конструкция микроэлектронного датчика влажности поверхностно-конденсационного типа (МЭДВ) Датчик размером 1x1 мм содержит термодатчики (резистор и диод) (1), линейки датчиков влажности (две встречные гребенки металлизации шириной 10 мкм и с шагом 10 мкм) (2), линии для скрайбирования (3), контактные площадки,

Рис 1 Структура датчика влажности поверхностно-конденсационного типа

Конструкция датчика позволяет размещать его в любом типе корпусов ИС На рис 2 показана фотография размещения шести датчиков влажности в корпусах 401 14 Для этого типа корпуса вырезается кристалл, содержащий шесть отдельных датчиков 2x3 Параллельное соединение конденсаторов на кристалле вертикально расположенных датчиков позволяет повысить точность измерений влаги в подкорпусном объеме Запараллеливание трех пар конденсаторов также позволяет повысить точность измерений

Элементы датчика выполнены по стандартной биполярной технологии производства ИС на кремниевых пластинах диаметром 100 мм

Проведены измерения падения напряжения от температуры на резисторах и диодах датчиков влажности при различных токах

Рис. 2. Фотография схем ы посадки датчика влажности в корпус типа 401.14

Эксперимент показал^ что наиболее наглядно и с большей точностью Изменяется прямое падение напряжения от температуры на диоде, а измерение падения напряжения на малых токах (50-200 мкА) более затруднительно, чем на больших, поэтому практическое определение точки росы целесообразно проводить на диоде при токе, например. 1 .мА, 11рименение резистора в качестве "сер м о датчика менее эффективно, поэтому из конструкции датчика влажности его можно исключить. На рис. 3 представлена измеренная зависимость прямого Падения напряжения па диоде от температуры при токе I мЛ.

Разработана методика определения точки росы внутри корпусов ИО, которая состоит из следующих операций:

- снимается прямое падение напряжения на диоде 1Гпр от температуры при различной величине прямого тока;

- выбирается наиболее критичное значение 1ир, при котором и диапазоне температур -60+20°С выявляется наибольшее изменение значения ипр (например, 1 мА);

- строятся графики зависимости ипр от температуры:

- измеряется емкость гребенчатого конденсатора (или ток утечки) при температурах от комнатной, медленно охлаждая до температуры, при которой происходит скачок величины емкости (или тока утечки), фиксируя зна-

чение температуры (т е температуру точки росы в объеме корпуса ИС) по значению ипр диода

1,25

1,2

1,15

1 05 ц; 1 £ 0,35 = 0,0 0,85 08

-220 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 ^ОС

Рис 3 Зависимость прямого падения напряжения на диоде от температуры при токе 1 м А

На изготовленных МЭДВ измерение тока утечки встроенного конденсатора для определения точки росы проводилось по схеме, приведенной на рис 4

Точка росы фиксировалась при скачкообразном изменении напряжения на резисторе Я от установившегося значения, что свидетельствовало об изменении емкости конденсатора и появлении точки росы

Одновременно фиксировалось прямое падение напряжения диода ипр д и по предварительно снятой зависимости ипр д = ОД определялась температура точки росы

в - источник синусоидального напряжения и = 5 В, Г = 100 кГц, С - измеряемая емкость, Л - сопротивление 1 кОм, рУ - милливольтметр, РБ - осциллограф

Рис 4 Схема измерения тока утечки конденсатора датчика влажности

Определение содержания паров воды по точке росы на МЭДВ в корпусах типа 401 14-5 проводилось следующим методом

1 Герметизация ИС производилась сваркой при температуре Тг = 30°С (303 К) и давление при герметизации корпуса равно Рг = 105 Па,

2 Температура точки росы по датчику влажности определена равной Тр = -78,8 °С (194,2 К),

3 Применив закон Гей-Люссака Рр=РгТр/Тг, определили, что давление в корпусе при температуре, равной точке росы, равно Рр = 0,64*105 Па,

4 Использовали номограмму, приведенную на рис 5, для перевода градусов точки росы в концентрацию влаги

В результате получили объемную концентрацию паров воды 1,05 ррш Таким методом была найдена объемная концентрация паров воды на 5 образцах

Полученные результаты сравнили с измерениями масс-спектрометрическим методом в Росэлектронстандарт (г Санкт-Петербург) (табл 1) Измерения подтвердили, что содержание влаги внутри корпусов всех схем соответствует требованиям ТУ

Таблица 1

Сравнение результатов экспериментальных исследований по датчикам влажности и замеров масс-спектрометрическим методом в г Санкт-Петербурге

Температура точки росы, "С (эксперимент) Давление внутри корпуса при температуре точки росы Рр,*10' Па Объемная концентрация паров воды при фиксированной температуре точки росы, ррш Объемное содержание паров воды внутри корпуса при 100 °С, ррт (исп Росэлектронстандарт, г Санкт -Петербург) Норма по ОТУ

При 25 °С, ррш При 100 "С, ррт

-78,80 0,64 1,05 1000 <500 £5000

-72,73 0,66 4,00 2500

-85,32 0,61 0,80 500

-81,63 0,63 0,90 900

-84,00 0,62 0,60 800

Третья глава посвящена разработке неразрушающих методов контроля влаги в подкорпусном объеме ИС

В первой части главы представлен разработанный способ определения количества влаги в подкорпусном объеме ИС по влагозависимым электрическим параметрам

Можно определенно считать, что элементы ИС могут служить датчиками влажности путем определения точки росы газа подкорпусного объема ИС Наиболее просто измерить точку росы влаги в подкорпусном объеме ИС, если можно выделить по выводам схемы диод, как, например, в ИС диодно-транзисторной логики серии 104 (104ЛБ4) Сложнее это сделать в ИС типа 106ЛБ1, представляющую собой образец транзисторно-транзисторной логики, где диод, образуемый база-коллекторным переходом, можно измерить по

выводам 9-10, а по выводам 11-13 можно измерить обратный ток, проходящий через переход эмиттер-база с сопротивлением в цепи базы

Способ заключается в следующем ИС помещают в камеру холода Температуру в камере понижают до минус 65 °С, а затем повышают до комнатной Скорость изменения температуры должна быть не более 10 °С в минуту При этом на выводы ИС подают напряжение и ток, указанные в технических условиях (ТУ) и непрерывно контролируют ток утечки (например, между шиной питания и общей шиной) или другой информативный параметр (параметры), установленные в ТУ и связанные с состоянием поверхности кристалла Значение параметра записывают в таблицу соответствия температуры

I $

я

8 &

к

р

§ о

10000 5000

2000 1000 500

200 100 50

20 10 5

2 1 0,8

0,2 ОД

й

Я о о о. в)

о Ь

313

303

293 283 273 263

253

243

233 223 213 203 -193

173

0,10 0,07

Рис 5 Номограмма для перевода концентрации влаги, выраженной в ррт, в градусы точки росы и наоборот при различных давлениях

Начало роста влагочувствительных электронных параметров соответствует моменту начала конденсации паров воды, т е температуре точки росы Тр На рис 6 представлена качественная зависимость электрического параметра от температуры Характеристика значений параметра от температуры при обратном ходе (т е от -65 °С до 125 °С) может несколько отличаться от прямой характеристики

По номограмме (рис 5) переводят градусы точки росы в ррш при конкретном давлении газа в корпусе

Способ апробирован на ИС типов 1564ЛН1 (6 элементов НЕ) и 1564ИП7 (четырехразрядный приемопередатчик) Для проведения испытаний методом случайной выборки взято по три ИС данных типов

В итоге содержание влаги внутри корпусов ИС типа 1564ЛН1 для схемы № 1 оказалось 200 ррт, для схем № 2, 3 -100 ррт

Содержание влаги внутри корпусов ИС 1564ИП7 следующее ИС № 1, 2 — 180 ррт, № 3 -80 ррт, т е содержание влаги у всех трех ИС соответствует требованиям общих технических условий На данный способ получен патент на изобретение РФ № № 2003131560

Рис 6 Зависимость электрического параметра от температуры

Общими техническими условиями допустимо, что в случае получения неудовлетворительных выборочных испытаний приемка партий ИС может проводиться при использовании сплошного контроля партий схем

Во второй части главы описан способ неразрушающего сплошного контроля ИС, который однозначно определяет, что количество влаги в под-корпусном объеме ИС будет не более 0,05 объемного процента при нормальной температуре

Способ реализуется следующим образом В камере холода устанавливается температура минус 20 °С, взятая из практики измерения точки росы влаги в объеме ИС, загружаются ИС, измеряется ток утечки каждой схемы, и температура снижается до минус 28 °С (при непрерывном измерении тока утечки), т к при точке росы минус 28 °С объемная концентрация паров воды в подкорпусном объеме будет равна 462 ррт, т е меньше 500 ррт Можно сразу установить температуру минус 28 °С, а затем повышать ее до минус 20 °С, непрерывно измеряя ток утечки ИС Скорость охлаждения или повышения температуры не более 10 °С в минуту При этом, если величина тока утечки резко не возрастает, т е температура точки росы будет меньше минус

28°С, то содержание влаги в подкорпусном объеме ИС будет соответствовать требованиям ОТУ, т е будет менее 0,05 объемного процента

На данный способ контроля ИС по содержанию влаги в подкорпусном объеме подана заявка на изобретение

Третья часть главы посвящена расчету времени появления коррозии металлизации ИС из-за наличия загрязнений в различных корпусах

Известно, что даже в нормальных условиях при длительном хранении ИС (как правило, от трех месяцев до нескольких лет) в отдельных схемах появляются отказы, связанные с разрушением алюминиевой металлизации на кристалле из-за наличия загрязнений и влаги внутри корпуса изделия (электрохимическая коррозия)

Если ИС не идеально герметична (в этот вариант входят ИС с натека-нием, считающимся годными по техническим условиям), то будет происходить взаимодействие внутреннего объема газа и внешней среды при изменении температуры до сравнивания давления в объеме корпуса с внешним При этом изменяется только часть внутреннего объема, которая будет пропорциональна изменению температуры

При увеличении температуры ИС до +125 °С соответственно увеличится внутренний объем корпуса При изменении температуры ИС расширение объема газа или его сжатие приводит к изменению давления газа внутри корпуса Следовательно, в процессе однократного повышения температуры от Т1 до Т2 объем газа в негерметичных ИС должен увеличиваться на величину ЛУ=У2-У1

Расчеты, приведенные в работе, показали, что для ИС в корпусах 401 14 с гарантированным значением натекания В= 5 10" л мкм рт ст/с при однократном изменении температуры от Т| =293 К (20 °С) до Т2 = 398 К (125°С) выравнивание давлений, те изменение внутреннего газа на объем АУ, произойдет за время 9,6 часа Если затем охладить схему до температуры 293 К (20 °С), тогда с внешней стороны (из атмосферы) в корпус будет поступать воздух с водяными парами в течение 9,6 часа в том же объеме Нагревание до температуры 125°С и выдержка при этой температуре в течение 9,6 часа, затем охлаждение до температуры 20 °С и выдержка при этой температуре в течение 9,6 часа приняты за один цикл воздействия

В работе проведена оценка уровней загрязнений кристаллов различных типов ИС в различных корпусах (см табл 2) Из табл 2 видно, что чем больше подкорпусной объем, тем меньше температурных циклов необходимо для того, чтобы определить степень чистоты поверхности кристалла и чем больше время одного цикла, за который произойдет изменение внутреннего подкорпусного объема ИС при изменении температуры от Т1 до Т2, тем меньше нужно их количество

Исходные и расчетные данные по разным типам ИС

Время

Тип Тип ИС коргп са V,. мм3 V;, ММ ЛУ, мм3 воздействия 1,4

134ИР1 401 14-3 24,3 33 8.7 9,6

'1505ИМ4 401 16-33 44.43 60,3 15,92 32,9

1505ИД6 401 16-33 44,43 60 3 15 92 32,9

1505И] 14 401 16-33* 44,84 60.92 16 07 33

1564ИП7 402 16-32 36,8 49 99 13 2 27

1505ИПЗ 405 24-2 121,7 165,33 43 6 90

1аблица2

До 1я Ко 1иче- Количе-

водяно- ство Л1. ство AL

Количе- Количе-

го пара, подверг прореа- Количс-

ство ство во-

учзсз- иувше- шро- сгво

мол la- дяного

ja в Д V вуюи te- юся ре- вавше! о циклов

пара за 1

ro в ре- акции, г

акциях 1ШК1. г

2.5-Ч0гт (0,4* 108 0,05 2,6* 10 5 ! 2 4*10"' 93

4,3*10гг" 17,8*10* "оДГ" 9,5* Ю-7 5J

4,3*Т0Г> 17.8*10^ 0,21 18*10"* * ___ 9.5*10 51

4,3*1057 18* И)4 0.19 1,7*10' 9 107 55

0,21 "¡8*10"'^ 6 8+10" 38

1,17*101* 4,88* 10"^ 0,21 5,l*lf)s 1,4* ¡О41 27

Приведем пример применения предложенного метода для отбраковки ИС типа 134ИР1 (цифровые схемы с диэлектрической изоляцией элементов) Для эксперимента взяты 4 серийные партии разной даты выпуска по 100 шт и 50 ИС, отбракованных по негерметич'ности на малые или большие течи, и проводили циклы по изложенной выше методике Проверка статических электрических параметров, в том числе и токов утечки, проводилась через каждые 20 циклов На первых четырех партиях отказов по электрическим параметрам не наблюдалось даже после 200 циклов После 100 и 200 циклов из каждой из четырех партий брали по 50 ИС, вскрывали и осматривали под микроскопом состояние поверхности кристалла, особенно при увеличении х200 осматривали контактные площадки Результаты испытаний показали, что даже после 200 циклов, в два раза превышающих расчетное, признаков коррозии не обнаружено в ИС, изготовленных в серийном производстве

Отказы по току утечки 50 ИС, отбракованных по негерметичности, но имеющих в начальный замер статические параметры, в тч ток утечки, в нормах технических условий, произошли при следующих измерениях

Количество циклов 20 40 60

Количество отказавших ИС 2 23 25

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации получены следующие научно-технические результаты

1 Разработана и апробирована методика определения влажности внутри корпусов серийно выпускаемых ИС с помощью датчика влажности поверхностно-конденсационного типа

2 Разработан неразрушающий способ определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС, используя ее элементы как датчики влажности На разработанный способ получен патент на изобретение

3 Разработан неразрушающий способ сплошного контроля ИС, определяющий, что количество влаги в подкорпусном объеме ИС будет не более 0,05 объемного процента при нормальной температуре путем измерения тока утечки в диапазоне температур -20°С—28°С На разработанный способ подана заявка на изобретение

4 Рассчитано количество температурных циклов для оценки степени загрязнений поверхности кристаллов ИС типов 134ИР1, 1505ИМ4, 1505ИД6, 1505ИП4, 1564ИП7, 1505ИПЗ

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1 Горлов M И , Ануфриев Д Л , Шишкина H А Микроэлектронный датчик влажности//Датчики и системы 2007 №4 С 23-26

Статьи и материалы конференций

2 Горлов M И , Андреев А В , Золотарева H А Методы контроля содержания влаги в подкорпусном объеме ИС // Твердотельная электроника и микроэлектроника межвуз сб науч тр Воронеж ВГТУ, 2003 С 88-91

3 Горлов M И, Золотарева H А Опосредованное определение содержание влаги в подкорпусном объеме интегральных схем И Радиоэлектроника, электротехника и энергетика тез докл 9 междунар науч -техн конф студентов и аспирантов M , 2003 TIC 210-211

4 Определение содержание влаги в подкорпусном объеме ИС /МИ Горлов, А В Андреев, Л H Ануфриев, H А Золотарева // Датчик-2003 материалы XV науч -техн конф Севастополь, 2003 С 300 - 301

5 Горлов M И , Андреев А В , Золотарева H А Определение содержание влаги в подкорпусном объеме ИС // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах материалы докл междунар науч -метод семинара M , 2003 С 153 -155

6 Горлов M И, Золотарева H А Опосредованное определение содержание влаги в подкорпусном объеме интегральных схем // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика тез докл 10 междунар науч -техн конф студентов и аспирантов M , 2004 TIC 234

7 Контроль содержания паров воды внутри корпусов интегральных микросхем /МИ Горлов, А В Емельянов, И И Рубцевич, А В Строгонов, H А Шишкина // Компоненты и технологии С Пб , 2004 №6 С 134-137

8 Горлов M И , Строгонов А В , Шишкина H А Метод неразру-шающего определения количества влаги в подкорпусном объеме ИС // Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления материалы XVI науч -техн конф Севастополь, 2004 С 349

9 Практическое определение содержания влаги в подкорпусном объеме ИС / M И Горлов, А В Андреев, И И Рубцевич, H А Шишкина // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах материалы докл междунар науч -метод семинара M, 2004 С 305 - 308

10 Патент РФ № 2263369, H 01 L 21/66, G 01 R 31/18, 2005 Способ неразрушающего определения содержания влаги в подкорпусном объеме интегральных схем /МИ Горлов, А В Андреев, Л П Ануфриев, H А Золотарева заявлено 27 10 2003 №2003131560, опубл 27 10 2005 Бюл 30 4 с

11 Контроль содержания влаги в корпусах ИС /МИ Горлов, А В Емельянов, И И Рубцевич, Н А Шишкина // Петербургский журнал электроники С Пб , 2005 № 2 С 28 - 39

12 Горлов М И , Шишкина Н А Сйособ отбраковки интегральных схем // Вестник научно-исследовательской работы студентов физико-технического факультета сб науч тр Воронеж ВГТУ, 2005 С 42-46

13 Шишкина Н А Методы контроля содержания влаги в подкорпус-ном объеме интегральных схем // Микроэлектроника и информатика — 2006 13-я всерос межвуз науч -техн конф студентов и аспирантов Зеленоград, 2006, М, 2006 С 113

14 Горлов М И , Шишкина Н А Датчик влажности поверхностно-конденсационного типа // Сб тр победителей конкурса на лучшую работу студентов и аспирантов, посвященного 50-летию ВГТУ Воронеж, 2006 С 137-138

15 Микроэлектронный датчик влажности поверхностно-конденсационного типа /МИ Горлов, Л Н Ануфриев, И А Шишкин, Н А Шишкина // Радиолокация, навигация, связь XII междунар науч -техн конф Воронеж, 2006 Т 2 С 1423 - 1429

16 Датчик влажности поверхностно-конденсационного типа /МИ Горлов, Д Л Ануфриев, П Ю Коваленко, Н А Шишкина // Компоненты и технологии С Пб , 2007 № 1 С 18 - 19

17 Датчик влажности поверхностно-конденсационного типа /МИ Горлов, И А Шишкин, Д Л Ануфриев, Н А Шишкина // Радиолокация, навигация, связь XIII междунар науч -техн конф Воронеж, 2007 Т 2 С 1489-1494

Подписано в печать 13 09 2007 Формат 60x84/16 Бумага для множительных аппаратов Уел печ л 1,0 Тираж 90 экз Зак № ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп , 14

Общая характеристика работы

Глава Источники влаги в корпусах интегральных схем и методы контроля 8

1.1 Источники влаги в корпусах интегральных схем 8

1.1.1 Внутренние источники влаги в ИС 9

1.1.2 Внешние источники влаги в ИС 11

1.1.3 Технология герметизации и содержание влаги внутри корпусов ИС 15

1.1.4 Способы снижения влажности в объеме корпуса ИС 19

1.2 Методы контроля содержания влаги внутри корпусов ИС 23

1.2.1 Разрушающие методы определения влажности внутри корпуса ИС 24

1.2.2 Неразрушающие методы измерения влажности в корпусах ИС Выводы к главе 36

Глава Микроэлектронный датчик влажности поверхностноконденсационного типа 37

2.1 Конструкция датчика влажности 38

2.2 Технология изготовления 44

2.3 Градуировка резисторов и диодов датчиков влажности 46

2.3.1 Градуировка резисторов 48

2.3.2 Градуировка диодов 51

2.4 Контроль измерений по 1ут Выводы к главе 60

3 Разработка неразрушающих методов контроля влаги в подкорпусном объеме ИС 61

3.1 Определение количества влаги в подкорпусном объеме ИС типа 1564ИП7 и 1564ЛИ1 по влагозависимым параметрам 61

3.2 Способ контроля содержания влажности в подкорпусном объеме ИС 71

3.3 Метод выявления загрязнений кристаллов различных типов ИС 74

Выводы к главе 80

Основные результаты и выводы

В диссертации получены следующие научно-технические результаты.

1. Разработана и апробирована методика определения влажности внутри корпусов серийно выпускаемых ИС с помощью датчика влажности поверхностно-конденсационного типа.

2. Разработан неразрушающий способ определения содержания влаги в подкорпусном объеме ИС, используя ее элементы как датчики влажности. На разработанный способ получен патент на изобретение.

3. Разработан неразрушающего способ сплошного контроля ИС, определяющий, что количество влаги в подкорпусном объеме ИС будет не более 0,05 объемного процента при нормальной температуре путем измерения параметров ИС в диапазоне температур -20°С-г-28°С. На разработанный способ подана заявка на изобретение.

4. Рассчитано количество температурных циклов для оценки степени загрязнений поверхности кристаллов ИС типов 134ИР1, 1505ИМ4, 1505ИД6, 1505ИП4, 1564ИП7, 1505ИПЗ.

1. Горлов М.И., Ануфриев Л.П., Бордюжа О.Л. Обеспечение и повышение надежности полупроводниковых приборов и интегральных схем в процессе серийного производства. Мн.: "Интеграл", 1997. - 390 с.

2. Шиманюк Л. М. Методика оценки содержания влаги в микросхемах // Электронная техника. Сер. 8. Управление качеством, метрология, стандартизация Вып. 8 (78). С. 10-14.

3. Чернышов А.А., Крутоверцев С.А., Бутурлин А.И. Контроль влажности в корпусах интегральных схем // Зарубежная электронная техника. 1987. Вып. 2. С.3-63.

4. Горлов М.И., Королев С.Ю. Физические основы надежности интегральных микросхем. Из-во Воронежского государственного университета, 1995.200 с.

5. Влага в корпусах полупроводниковых приборов и микросхем: Обзоры по электронной технике / А.А. Теверовский, А.А. Коваленко, Г.И. Епифанов. -М.: ЦНИИ "Электроника", 1982. -Сер. 2, Полупрводниковые приборы; Вып. 2. -64 с.

6. ОСТ В 11 0998-99. Микросхемы интегральные. Общие технические условия.

7. Батюк Н.Ф., Милясевич И.В. Влияние влажности атмосферы внутри корпусов интегральных схем на коррозию алюминиевой металлизации // Электронная техника. Сер. 8/6,1992. Вып. 2-3. С. 37-38.

8. Горлов М.И. Конструктивные методы повышения надёжности интегральных микросхем: Учеб. пособие. Воронеж: Изд-во ВГТУ, 1995. 60 с.

9. Патент РФ № 2224246 С 1, G 01 N 27/12. Микроэлектронный датчик влажности поверхностно-конденсационного типа / М.И. Горлов, А.В. Андреев, Л.П. Ануфриев, Е.В. Николаева. Опубл. 20.02.2004. Бюл. №5.

10. Теверовский А.А., Епифанов Г.И., Коваленко А.А. Анализ источников влаги в герметизированных корпусах полупроводниковых приборов // Электронная техника. Сер. 2, Полупроводниковые приборы. 1983. - Вып. 2. - С. 21-26.

11. Чернышов А.А. Основы надёжности полупроводниковых приборов и интегральных схем, М.: Радио и связь, 1988. 255 с.

12. Горлов М.И., Ануфриев Л.П., Николаева Е.В. Контроль содержания паров воды внутри корпусов интегральных схем. Мн.: Бестпринт, 2002. - 96 с.

13. Козлов Н.А. Влияние количества и состава сорбированной воды в тонких полимерных покрытиях на показания микроэлектронного датчика // Известия вузов. Электроника, №3,2003. С. 82 88

14. Burnes M. et ail. Considération in the hermetic packages of hybrid microcircuits // Solid State Technology. 1984, v. 27/ № 8. P. 183-186.

15. Davy J.G. Calculation for leak rates of hermetic package // IEEE Trans, 1975. №3. P. 177-189.

16. Dermarderosian A., Gionet V. Water vapor penetration nate into enclosures with known air leak rates // IEEE Trans, 1979. № 1. P. 83-90

17. Горлов М.И. Контроль качества изделий полупроводниковой электроники. Воронеж, 1998.-144 с.

18. Stroehle D. On the penetration of gases and water vapour in to packages with cavities and on maximum allowable leak rates // 15 th Dnn. Proceedings Reliability physics, 1997. P. 101-106.

19. Крутоверцев C.A., Чернышов А.А. Методика оценки содержания паров воды в корпусах интегральных микросхем сорбционными датчиками влажности // Электронная техника. Сер. 3. 1991. Вып. 2. С. 66-69.

20. Епифанов Г.И., Коваленко А.А., Теверовский А.А. контроль сборочных процессов при производстве микросхем // Электронная проницаемость, 1983. Вып. 1.С. 51-55.

21. Теверовский А.А., Коваленко А.А. Тесловая структура для-контроля состояния поверхности диэлектрических пленок полупроводниковых приборов и микросхем // Электронная техника, 1982. Сер. 2. С. 53-57.

22. Carley D.R., Nearhoof R.W. Moisture control in hermetic leadless chip carrier with silver epoxy die - attach adhesive // RCA Review. 1984. V. 45. № 2. P. 278-289.

23. Weiss A.D. The art of package sealindg // Semiconductor International, 1982. V. 5. № 11. P. 99-108.

24. Митчелл Дж., Смит Д. Акваметрия / пер. с англ. М.: Химия, 1980.600 с.

25. Теверовский А.А., Олейник В.И. Исследование влагостойкости элементов интегральных КМОП-микросхем, герметизированных в пластмассу // Электронная техника. Сер. 2, Полупроводниковые приборы. 1990. Вып. 1. С. 6268.

26. Методы определения содержания воды в корпусах интегральных схем / А.И. Бутурлин, С.А. Крутоверцев, О.Н. Рыбкин, А.А. Чернышов, Н.П. Шаболова // Электронная техника. Сер. 3. 1982. Вып 5-6. С. 75-83.

27. ОСТ 11 20.9903-86. Микросхемы интегральные. Системы и методы операционного контроля в процессе производства.

28. Meyer D.E., Thomas R.W. Moisture in SC pacrages // Solid state technology, 1974. V.17, №9. P. 56-59.

29. OCT 11 073.013-83. Микросхемы интегральные. Методы испытаний. Часть 2. Испытание на воздействие климатических факторов и сред заполнения

30. R. P. Merrett, S. P. Sim, J. P. Bryant. A simple method of using the die of an integrated circuit to measure the relative humidity inside its encapsulation // 18-th Ann. Proc. Reliability Phys. Conf., 1980, p. 17-25.

31. Васильков B.M., Лукьянова M.H. Микроэлектронные датчики и проблема их стандартизации // Электронная промышленность, 1994. № 2. С. 42-50.

32. Стучебников В.М. Микроэлектронные датчики за рубежом // Приборы и системы управления, 1993. № 1. С. 18-21.

33. Бутурлин А.И., Крутоверцев С.В., Чистяков Ю.Д. Микроэлектронные датчики влажности // Зарубежная электронная техника. 1984. № 9. С. 3-57.

34. Уоллер Л. Контроль уровня влажности внутри корпуса БИС // Электроника. 1980. №4. С. 12-13.

35. Kane D., Brizoux. Recent developments on moisture measurement by surface conductivity sensors // "24-th annu. Proc. Reliab. Phys., Anaheim Calif., Apr. 1-3, 1986". New York, 1986. P. 69-78.

36. Подленецкий Б.И., Симаков А.Б. Микроэлектронные датчики влажности // Зарубежная электронная техника. 1987. № 2. С. 64-97.

37. Ерышкин А.В., Привезенцев В.В., Щетинник А.Г. Датчик влажности. А.с. СССР № 1821714. G 01 N27/12, Опубл. 15.06.93 Бюл.№22.

38. Gordon D. Calculations for leak rates of hermetic packages // IEEE Trans. Parts, Hybrids and Package, 1997.№ 3. P. 177-189.

39. Шишкина H.A. Методы контроля содержания влаги в подкорпусном объеме интегральных схем // 13-я Всероссийская межв. науч.-техн. конф. студ. и асп. "Микроэлектроника и информатика 2006" (Зеленоград, апрель 2006.) М. апрель 2006. С.113.

40. Горлов М.И., Андреев А.В., Золотарева Н.А. Методы контроля содержания влаги в подкорпусном объеме ИС // Межв. сб. науч. трудов "Твердотельная электроника и микроэлектроника". Воронеж. ВГТУ. 2003. С. 88-91.

41. Контроль содержания влаги в корпусах ИС / Горлов М.И., Емельянов А.В., Рубцевич И.И., Шишкина Н.А. // Петербургский журнал электроники. 2005. № 2. С 28 39.

42. Горлов М.И., Шишкина Н.А. Датчик влажности поверхностно-конденсационного типа. // Сб. трудов победителей конкурса на лучшую работу студентов и аспирантов, посвященного 50-летию ВГТУ. Воронеж 2006. С 137-138.

43. Контроль содержания паров воды внутри корпусов интегральных микросхем / Горлов М.И., Емельянов А.В., Рубцевич И.И., Строгонов А.В., Шишкина Н.А. // Компоненты и технологии. №6. 2004. С. 134-137

44. Датчик влажности поверхностно-конденсационного типа / Горлов М.И., Шишкин И.А., Ануфриев Д.Л., Шишкина H.A. // XIII межд. науч.-техн. конф. "Радиолокация, навигация, связь." апрель 2007. Т. 2. С. 1489 1494.

45. Микроэлектронный датчик влажности поверхностно-конденсационного типа / Горлов М.И., Ануфриев Л.Н., Шишкин И.А., Шишкина H.A. // XII межд. науч.-техн. конф. "Радиолокация, навигация, связь." апрель 2006. Том 2. С. 1423-1429.

46. Горлов М.И., Ануфриев Д.Л., Шишкина H.A. Микроэлектронный датчик влажности // Датчики и системы 2007. № 4. С. 23 26.

47. Датчик влажности поверхностно-конденсационного типа / Горлов М.И., Ануфриев Д.Л., Коваленко П.Ю., Шишкина H.A.// Компоненты и технологии. 2007. № 1. С 18-19.

48. Русанова А.Л., Грудкин О. П. Оценка информативности испытаний на влагоустойчивость герметизированных ИС и ПП. Электронная техника. Сер. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания, 1982, вып. 4 (96), с. 61-65.

49. Горлов М.И., Золотарева H.A. Опосредованное определение содержание влаги в подкорпусном объеме интегральных схем // Тез. докл.9 межд. науч.-техн. конф. студ. и асп. "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" М.2003. т.1. С. 210-211.

50. Диоды, тиристоры, транзисторы и микросхемы широкого применения: Справочник / Бессарабов Б.Ф., Федюк В.Д. Воронеж: Воронеж, 1994. - 720 с.

51. Определение содержание влаги в подкорпусном объеме ИС / Горлов М.И., Андреев A.B., Ануфриев Л.Н., Золотарева H.A.// Мат. XV науч.-техн. конф. "Датчик-2003". Май 2003. С. 300-301.

52. ОСТ 11 073.013-83. Микросхемы интегральные. Методы испытаний. Часть 6. Определение конструктивно-технологических запасов (граничные испытания).

53. Горлов М.И., Золотарева H.A. Опосредованное определение содержание влаги в подкорпусном объеме интегральных схем // Тез. докл. 10 межд. науч.-техн. конф. студ. и асп. "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" М.2004. т.1. С. 234

54. Горлов М.И., Строганов A.B., Шишкина H.A. Метод неразрушающего определения количества влаги в подкорпусном объеме ИС // Мат. XVI науч.-техн. конф. "Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления". Май 2004. С. 349.

55. Горлов М.И., Андреев A.B., Золотарева H.A. Определение содержание влаги в подкорпусном объеме ИС // Матер, докл. межд. науч.-метод. семин. "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах". М. 2003 С. 153-155.

56. Практическое определение содержания влаги в подкорпусном объеме ИС / Горлов М.И., Андреев A.B., Рубцевич И.И., Шишкина H.A. // Матер, докл. межд. науч.-метод. семин. "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах". М. 2004 С. 305 308.

57. A.c. СССР № 1228052, G 01 R 31/28,1986.Способ контроля качества и надежности микросхем / И.Е. Литвинский, В.А. Прохоренко.

58. A.c. СССР № 1684755, G 01 R 31/28,1991.

59. Патент РФ № 2263369, Н 01 L 21/66, G 01 R 31/18, 2005.Способ не-разрушающего определения содержания влаги в подкорпусном объеме интегральных схем / М.И. Горлов, A.B. Андреев, Л.П. Ануфриев, H.A. Золотарева.

60. A.c. СССР № 1083099, G 01 N 22/04,1981.

61. A.c. СССР № 1839241, G 01 R 31/28,1990.

62. A.c. СССР № 1596288, G 01 R 31/28,1988.

63. Батюк Н.Ф., Милясевич И.В. Влияние влажности внутри корпусов интегральных схем на коррозию алюминиевой металлизации // Электронная техника. Сер. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания, 1992. Вып. 2(149) 3(150). - С. 37-38.

64. Калябина И.А. Контроль герметичности изделий электронной техники // Обзоры по электронной технике. Сер. 7. Вып. 13. С. 3-47.

65. Левина Л.Е., Хавкин Л.Н. Расчетные оценки чувствительности испытаний на герметичность замкнутых оболочек полупроводниковых приборов и микросхем // Электронная техника. Сер. 7. 1980. Вып. 1. С. 108-119.

66. Астафьев A.A. Окружающая среда и надежность радиотехнической аппаратуры. М. Л.: Госэнергоиздаг. 1989. - 232 с.

67. Горлов М.И., Шишкина H.A. Способ отбраковки интегральных схем // Сб. науч. трудов "Вестник научно-исследовательской работы студентов физико-технического факультета". Воронеж. ВГТУ. 2005. С. 42-46.

68. Патент РФ № 2217843 С 2, 7Н 01 L 21/66. Способ отбраковки интегральных схем / М.И. Горлов, Л.П. Ануфриев, Е.В. Николаева Опубл. 27.11.2003. Бюл. №33.