автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Повышение надежности интегральных схем в процессе серийного производства методом выравнивающей технологии

- А

о

^ На правах рукописи

NN

КОРОЛЕВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ В ПРОЦЕССЕ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА МЕТОДОМ ВЫРАВНИВАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.27.01 - ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА,

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА И НАНО-ЭЛЕКТРОНИКА

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

ВОРОНЕЖ -1997 г.

Работа выполнена на Воронежском заводе полупроводниковых приборов

Научный руководитель: доктор технических наук,

Защита состоится 9 декабря 1997г. в 14 часов на заседанш диссертационного совета Д 063.84.01 при Вороиежском госу дарственном техническом университете (394026, г.Воронеж Московский проспект, 14 ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Во ронежского Государственного технического университета.

Автореферат разослан " & " ноября 1997г.

профессор Горлов М. И.

Официальные оппоненты: доктор технических нйук,

профессор Петров Б.К., кандидат технических наук Удовик А.П.

Ведущая организация: НПО «Интеграл», г.Мииск

Ученый секретарь

Горлов М. И.

ОШЦЛЛ ХЛГЛ1ГГШ1СТ1НСЛ

АлШ'МиШ1£1Ь_ХШЬЬ Известно, uto npli доле дефектности партий .

иисгральных схем (11С) и пределах 0,01%, то есть одно дефектное изделие ш 10 ООО или 100 дефектных un 1 мпп изделий. процент отказов печатных шаг, пи которых cMoiiTuponniio но 100 11С, составит 1%. При дефектности iiiipinil НС л пределах одного процента, выход годных печатных плат составит 63,'Г/п, то есть процент дефектных илат будет равен 36Д. Ошодп очевиден болмиоН экономический эффект при изготовлении ра-цноэнсмронной аппаратуры (РЭА) от нслользопанлл высоконадежных ИС.

И раде работ . иоспшцсииых управляемости технологического процесса изготовления ПЭТ (иолунроподинковых приборов н ПС) рассматривается tumi. между анализом дефектов (причинами снижения процента, выхода годных) и мерами но устранению этих дефектов. В других работах дается определение статистически управляемого технологического процесса, в котором с помощью статистического регулирования обеспечивается управляемость н стабильность контролируемых параметров. Но л этих paOoiax не определено, какую надежность имеют партии, ИЭТ, прошедшие технологически!!- процесс с пониженным процентом выхода годных на одпоП пли нескольких технологических операциях, что особенно важно juin ccpiiiliioro пронзЬодства ПС.

II спячк с этнм:Необходимость разработки нового подхода к организации технологического процесса сериПио выпускаемых ИС, позволяющего выпускать ипртин излелиН с одинаково!! надежностью, не менее уста-uoniieiiiioil и ТУ, является достаточно актуальной особенно в условиях перехода к рыночным отношениям.

Данная работа выполнялась п обеспечение постановления Правительства or 12.05.8fi г. N 540 "О мерах по коренному повышению качества продукции" п является чпетыо комплексных работ, проводимых в соот-DCTC1IUIH с "ЦелсвоИ программой повышения качества продукции па 1990-1995 гг." Ыоронежского завода иолупроаодпнконых приборов п научно-исследовательского института "Опдсофои".

Псльш лисссртатщ пилялось решение Нпучио-тсхническоИ проблемы 11011ЫИ1СНПЯ надежности сериПио выпускаемых МС за счет выпуска

napniil одинаковой налсжноин независимо от разорена пропета иыхо-да годных I' э 111х iiitpi них;

Дня допижсмип зш11 цел» определен uomuiicix основных paCwi. вклшчшошнИ:

1. Лишни и опенку передовых зарубежных и oiricciBcniiMX мсюдои повышения кпчссшп и нпдежноети ПЭГ и процессе их vcpnUiioio производи nnt поиск имеющихся ну ich выпуски impiiiii I1C одинаковой нидеж-

V. иости независимо ог уровня процент выхода годных схем в зелпожчн-.....ческой парит.

2. Эксисрнмсшаиыюе и теорешческое обоснование снижения надежности ПС п парши. iiMciumeti ноннжспнмП пропет выхода годных схем.

3. РаэраСюп;« меюдп вырпвпнваюшсИ технологии для выпуска нар-iiiii ПС одпнпкоиоН надежности независимо ог разброса процент выхода годные.

4. Определение возможности нрнмененнл меюда выравпиааюшсН технологии длл входного кош ролп ПС па заводах-лэюювшелях 1'ЭЛ.

5. Внедрение метода выравнивающей технологии n ссриМное производство ПС п 1'ЭЛ (im этапе входного кош ролл).

6. Оценку эффективности разработанного п внедренного меюдг BbipaoiiiiDotoiueii технологии о процессе ccpiiiiiioro производств ПС и транзисторов н на входном котрилезпвопов-нзюювнтслсИ 1'ЭЛ.

lluY'iiiaii пошипи. 13 резулмше выполнения днссермщнн получеш. следующие новые научные н технические результаты.

1. Па основе экспериментального н теоретического анализа записи мости надежности ПС от проиептп иыхода годных обоснован мпод вы равннвагощеИ технологии для производства ПС, позволяющим выпускам партии схем, равные но надежности, иезпинснмо or разброса прицепи выхода годных но этим партиям.

2. Разработпнп технология серийного производств ПС для участи сборки it финишного кош ролл с использованием мс ниш UMpaiiHiiiiaioHici технологии.

3. Предложен icxiiujioi vMccKiiii маршрут нходиого кон фоля I1C ш эаподах-изготовшенях, использующий метод имришинииощеН техпилоип и позволяющий отбраковывать hoichuiiiuimio ненадежные схемы с мои. шнмн экономическими затратами. .

Реализации ))сзУ-Чылшо работы, П^шспиескпи ценность. Разрабо-аипый метод выравнивающей технологи» был реализован в процессе нз-□тооиешш интегральных схем серий 106, 134, 1005, транзисторов типов "Л'805, IC.T835, 1СГ837 и в технологическом процессе изготовления пят» ти- . OD видеомагнитофонов (DM) "Электроника" при организации входного ошроля ИЭТ. Эга позволило повысить надежность соответственно ука-iiuiLix 11С в эксплуатации в 100-30 раз, снизить процент гарантийного смонта UM по пине ИЭТ в 4 раза. Экономически!! эффект от внедрения езультатов диссертации в производство ИЭТ и видеомагнитофонов со-lanuji более 35 мии.руб. (в ценах 1994 года).

Основные .ноложеннп, выносимые на защиту.

1. Зависимость надежности ИС из различных партий от разброса по роценту выхода годных в этих партиях.

2. Метод выравнивающей технологии, позволяющий выпускать парии 11С, равные по надежности, независимо от разброса процента выхода эдиых но этим партиям.

3. Распространение метода выравнивающей технологии на входной онтроль изделий электронной техники при производстве радиоэлектрои-ой аппаратуры.

Апробации работы. Основные результаты диссертации докладыва-ись и обсуждались на: 111-11 Всесоюзной конференции "Моделирование гкаэов и имитация на ЭВМ статических испытаний ИС и их элементов" .Суздаль, 1989 г.), VI-X научно-технических отраслевых конференциях Гостояине н пути повышения надежности видеомагнитофонов" '.Новгород, 1992 г.; г.Вороиеж, 1993-1996 гг.), научно-техническом семп-ipe "Шумовые н деградационные процессы в полупроводниковых прн-эрах" (г.Москва,1995), ХХХШ - XXXVI научных конференциях профес->рско-иренолпватеньского состава, научных работников, аспирантов 11 улетов 131ТУ (1993-1995 гг.).

Публикации. По результатам проведенных исследований опублпко-шо 18 работ, в том числе учебное пособие длл ВУЗов и монография.

В работах, опубликованных с соавторами, диссертанту принадлежит ювсдснпс экспериментов, оформление статей, обсуждение результатов, lewpcnue в серийное производство.

Структура и обьем диссертации. Диссертация состоит из введения, :шрех man. заключения и списка литературы. Работа содержит 87

страниц текст, включая 16 рисунков н 10 таблиц, и библиографию пз I! наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

13о введении обоснована актуальность работы, формулируете цель и задачи работы, показана научная новизна п практическая иен ность работы, а так же сформулированы основные положения, выпс снмые на защиту. Кроме того, представлена структура диссертации даны сведения о публикациях.

В нерроЛ глапе сделан краткий литературный обзор по сопре менным системам управления качеством и надежностью интегральны схем в процессе' сериИного производства. Даны определения качеств: и надежности полупроводниковых изделий (ИЭТ). Качество ИЭТ мо жет оцениваться их изготовителями и потребителями различными но казателямп. Качество связывается только с процессом производств! изделий, но не со временем. Потребители ИЭТ оценивают качеств« долей дефектных изделий на 1 млн. изготовляемых изделий данной типа.

Надежность, в отличие от качества, оценивается во времени, ля пример, в количестве отказов за 105 часов работы или существовашн изделий.

Чем больше технологических операций (а для 11С их более 100) тем меньше надежность обеспечивается процессом производства. По этому для получения изделия, обладающего высокой надежностью, не обходимо, чтобы технологический процесс (ТП) был высокоунравллек и стабилен во времени. Примером показателя управляемости ТГ1 мо жет служить значение среднего процента выхода годных ИС, а пока зателем стабильности ТП - среднее квадратическое отклонение (сигме ... а) процента выхода годных. В производстве полупроводниковых ИЭТ используется статистический контроль и ведется регулирование его пс принципу "шесть сигм" или ±за, что при нормальном распределении позволяет получать 99,73% изделий в этих пределах.

В производстве ИЭТ во всем мире используют различные системы статистического контроля качества и строятся математические изображения процесса в виде контрольных карт, гистограмм, иолсН корреляции и т.н.

Б настоящее время в практике производства ИЭТ переходят от нстсм контроля качества к системам обеспечения качества. Рассмат-щваются национальные системы обеспечения качества: японский метод ачественпого изготовления продукции; подход к системе повышения пчества продукции па американских предприятиях н отечественная нстема бездефектного изготовления продукции.

Вторая глава содержит классификацию и описание технологиче-ких методов повышения надежности ИС. Показано, что на участке юрмнровапня структур па пластине возможно повысить качество и 1адежпость ИС применением компенсирующей технологии, па участке иконного контроля - выбором оптимального состава режимов отбра-овочных испытании и применением альтернативных методов отбра-овкн потенциально ненадежных схем. Разработанный метод выравнп-аюшей технологии может применяться как на участке сборки, так и ¡а участке выходного контроля.

Третья глава носвяшена разработке метода выравнивающей тех-ологин для серийного производства ИС серий 106, 134. Известно, что процессе изготовления ИЭТ процент выхода годных на отдельных опе-ацнях и в целом может значительно отличаться от партии к партии и от лаповых значений. Эти партии на выходном контроле по конструк-нвпым и электрическим параметрам соответствуют техническим условиям ГУ) и отгружаются потребителям. Но какова надежность партий изделий, ынушенных с плановым процентом выхода годных по всем техиологнче-ким операциям и со значительным отклонением от планового ? Эксперн-1енты показали, что надежность партий изделий будет ниже надежности, казанной для данных изделий в ТУ, если процент выхода годных будет на нределяюшпх операциях значительно ниже планового.

Пусть A1.A2.Aj..... Ап - плановые проценты выхода годных изделий »ответственно на технологических операциях 1,2,3,...,н ; тогда

wii.An.....Л,и - фактические проценты выхода годных для ¡-й партии нзде-

ий.

Еслй принять, что в процессе производства полупроводниковых 1Э"Г всего на четырех определяющих технологических операциях кон-|>олнруется процент выхода годных (контроль годности структур на ластпие А|. контроль годности изделий после сборки в корпус Аг, кон-1>ол1. годности изделий после технологических испытаний Аг и выходной

контроль годности изделий А4), то для ¡-той партии изделий производственная надежность, т.е. вероятность безотказной работы, будет равна:

Р| = Р|| • Рл • Рд • Р41 , а с учетом того, что РП| = Кы • Ап|, где К„| - определяет надежность контрольно-измерительного оборудования, примет следующий вид:

Р| = Кц • Аи • Ки • Ал • К31 • Ал • К«| • А-п. Бели Аи < А|, Аи < Аг, А31 < Аз, А<| < А«, а К| = Ки , К1 = Кв, Кз = Кл, Кч=К<|, то при выпуске изделий надежность 1-й партии будет меньше надежности партий, прошедших с плановым процентом выхода годных, т.е. Р|<Р.

Если процент выхода годных будет ниже планового даже на одной операции, надежность партий изделий и в этом случае будет ниже надежности, установленной в ТУ. Поэтому предложен следующий подход к , процессу производства с целью получения партий изделий с одинаковой надежностью, не менее .установленной в ТУ. Если процент выхода на какой-либо операции п для 1-й партии Аы будет ниже установленного значения, необходимо после нео ввести дополнительную технологическую операцию (или операции), обеспечивающую надежность этой партии изделий не менее плановой. И хотя результирующий процент выхода годных В( после введения дополнительных операций может снизиться (за счет дополнительной отбраковки потенциально ненадежных изделий), т.е. Вы^Лы, надежность выпускаемой партии составит Рв1 = Р.

Технология, в которой устанавливается допустимый разброс по проценту выхода годиых и предусмотрены дополнительные технологические отбраковочные испытания, если фактический выход годных ниже величины этого разброса, названа выравнивающей технологией.

Подтверждением необходимости применения метода выравнивающей технологии могут служить следующие примеры.

Партии ИС серии 106, 134 с меньшим значением процента выхода годных кристаллов на пластине имеют больший процент отказов на отбраковочных испытаниях (табл. 1).

Таблица 1

Результаты отбраковочных испытаний партий ИС серий 106, 134 с различным процентом выхода годных па пластине.

0| браковочные испытания Количество отказов, шт/%, в партии

А Б В Г

Термообработка для стабилиза- 1/0,33 0/0 2/1,0 1/0,5

ции ияраметрон загерметизиро-

ванной схемы

Контроль электрических парамет- 15/5,0 9/3,0 7/3,5 3/1,5

ров в нормальных условиях

Циклическое воздействие темпе- 1/0,33 0/0 1/0,5 0/0

ратуры

Контроль электрических парамет- 6/2,0 3/1,0 8/4,0 4/2,0

ров при нонижепиоП температуре •

Контроль электрических парамет-

ров при повышенной температуре 0/0 0/0 6/3,0 • 3/1,5

Электротермотреннровка (ЭТТ)

ИТОГО:

21/7,0 13/4,33 15/7,5 5/2,5

44/14,66 25/8,33 39/19,5 16/8 Здесь ппртпп Л,Б,В,Г характеризуются следующими данными: Партия Серия ИС Выход годных кристаллов Количество ИС

па пластине, % ъ партии, шт

Л 106 35 300 '

Б 106 44 300

В 134 36 200

Г 134 49 200

11а примере выпуска ИС серии 106 показан алгоритм применения метода вырпвппвающеИ технологии. Для случал изготовления' изделий широкого применения технологический маршрут показан на рпс.1.

При анализе 55 технологических сборочных операций выбрано четыре следующие операции, которые являются определяющими для качеств ва и надежности ИС: проверка внешнего вида арматур перед герметизацией (обозначим операцией 1), первая классификация (2), вторая классификация (3) (проверка статических параметров после проведения элск-т|>()1с|)м(>1рс1шропки). третья классификация (4).

'«Ч

i1' lL

hpoetíumt 100%попоили-гелиоа ясли. типЛ Пртпиггпе ре-тсляН об объеме дополнительных «спи. таила ч Вшолеяле ЛОМПЛЯ. рующеЛ прмчяли i lama брак» ■

¡ОНЛиошроль snelttpiritctara napaucipoB na luiacnuie

»»рирпг

)-» кяасснфпгаиш проверка ЭП в нормальных vmicbiuu

Í ---

Проиенг выхода годных Кг

менее боле«

Лге-30| Ло|-Зс7

/

tí яипрпг

I Olfti контроль »лопрнческнх napaMcipon после ЭТТ_

llpouent выхсла гоппьр Ai

Л менее более

Aoi-Jo, Лщ-ЗОц -,-'—

I

Пост-

«1ГС1»)ПОШИГ

Рис.1. Технологически!! маршрут изготовления по51унроводннко-вых МЭГ при применении метода выравинпающеП технологии. Ао1 - плановый процент выхода Годных на I - то!\ операции.

В табл.2 представлены обобщенные данные по -33 партиям ИС серии 106, выбранных методом • случайно!! выборки нз 331 иартнп схем, выпущенных в третьем квартале 1994г.

Таблица 2.

Тс.\ но- Кол-ио 1) том числе Фпкшч. 1 П.'кшоиыП 01. Установ-

.41)1 II- ПС. I одмыс. Г>рпк, процент процент V. % ленное

чесслл Прошед- ПГГ. шг. иыхода 11ЫХОЛВ нижнее

опера- ших годных годных значение

ция «шерл-111110,111 г. процента оыхода годных

(1) 32580 31320 1260 96,13 95.614 3,73 11,20 84,4

(2) 29574 28660 914 96.90 96.746 1,739 5,217 91,53

(3) 28447 28315 132 99,53 99,5 0,83 2,49 ...97,0

(4) 27506 27049 457 98.34 99.57 2,11 6,33 93,34

Просматривая пооперационные проценты выходов годных по"33 партплм 11С, находим, что партия N13 на операции (1), партия N31 па операции (2), партия N33 на операции (3) и партия N22 на операции (4) имеют фактические проценты выходов ниже установленного значения. Пп рпс.2 для иартпп N13 видно, что основной брак связан с операцией "приварка внутренние выводов" и составляет 14,12% из 16,61% брака. Для . обеспечения надежности партии N13 не ниже надежности партий МС, прошедших операцию (1) с процентом выхода годных не хуже установленного нижнего значения, ИС этой партии подвергли дополнительным испытаниям • "на обдув арматур" и повторному контролю внешнего вида арматур. Подобным образом проводится подход к партиям 31,' '33, 32, имеющим процент выхода годных менее установленного в табл. 2.

Испытания на надежность в течение 1500 часов работы при температуре + 125"С по 50 схем от партий схем N13, 31, 33, 32 до после применения'-'метода выравнивающей технологии показали, что действительно надежность партий после доработки выше надежности текущих ипргпИ.

Реализация метода вирапниваюшей технологии при производстве и применении изделий электронной техники рассмотрена в главе 4.

Отдельные элементы метода выравнивающей технологии внедрены при изготовлении транзисторов н ИС.

Я

I 1

1'

§1

$1

4

З.Л

/,¿6

¿>П

-Г 6

/$¿/<3 /¡¡Ьа/са

Рпс.2. Гистограмма распределения по ппдам брака парши №13 на операции (1) (распределение Парето). 1 - отслоение сварной точки на кристалле; 2-обрыв сварной точки; 3 - смещение сварной точки; 4-отслоенпе сварной точки на траверсе; 5 - некачественная сварная точка; б - загрязнение кристалла; 7 - дефект корпуса.

Например, при проверке партий БИС типов К1ЧО05Ц1И, КР1005ВЕТ после ЭТТ наблюдалось повышенное количество партий НС с процентом выхода годных менее установленного. Анализ отказавших ИС показал, что причиной их отказа является обрыв впузренпнх'выпо-дов из-за выкола кремния. _ .

Во-первых, разобрались и скорректировали режим нрнваркп внутренних выводов. Второе, Ид партиях БИС, уже загерметизированных и имеющих после ЭТТ повышенный процент отказов, дополнительно было проведено 10 термоциклов с последующим замером электрических параметров, что снизило число отказов данных 11С после ЭТТ.

Оиспг.п качсспш внутренних выводов мощных транзисторов тина ;Т!?05 в нлипмасеиимх корпусах с применением алюминиевой проволоки HHMcipoM 25U мкм производите» выборочно на 2U транзисторих, т.е. на

0 пыподных перемычках, путем приложения усилия величиной 250 ell па еремычку. При отсутствии обрывов внутренних выводов партия трпн-игюро» нос I унае г на следующую операцию. Пели же имеется хотя бы дни обрыв. то партия подвергается Ц)0%-иому контролю по уешшю на брив пнутрешшх пшкшом.

При нионтленни мощных кремниевых транзисторов типов 2Т837, TVU3 и др. проводитсп оценка каждой партии трпизнсторов по проценту исхода годных на операции "выходной контроль электрических нарамет-)ов". Если процент выходп годных портпП транзисторов этой конечной по ехноло! ичсскому ннклу онерицнн будет менее установленного нижнего нпченнп, то данная партия транзисторов проходит следующие дополии-еиьные операции: выдержка при повышенной температуре в течение 72 ч.

1 проверка электрических параметров в нормальных условиях. При этом ■станавлипается допустимый процент отказов. Если в партии будет забра-;опано транзисторов больше, чем допустимо, то партия переводится в ин-кеспедукиную категорию качества.

Применение метода пыравншшющсЦ технологии позволило: ноимпмь надежность ПС серий 106, 134 и эксплуатации, т.е. снизить ппспспппость отказов па лип порядка; уменмппи. процент рекламаций ни транзисторам 2Т837, 2ТУ03 в два нг.ю:

снизим, нпгепсиппость огкнзов 11С типов КГ1005Ш11, KP1U05BE1 *>олсе чем и 30 раз;

спитIь процент отказов транзисторов 1СГ805 и видеомагнитофонах >г общего числа отказов всех транзисторов более чем дЗ раза.

Чтобы надежность видеомагнитофонов не зпвнссла от качества по-памлиемых изделий, предложен технологический маршрут входного ;ошроля 11ЭТ. использующий метод иырлвнпвающсЛ технологии.

Пвирпмг|1. для ПС, имеющих более 70% бездефектных ппртнн, с тпелом гхсм в партии порядки 1000, предложен следующий маршрут для ихолпого кон Iролл:

- силоитоП кон I роль партий по электрическим параметрам;

- при сисутнпп оы.азоп по электрическим параметрам ивриш зануска-ю I ск и производство электронных блоком без дополни 1слмшх пепыта-ннП;

-при числе о папой п партии, ранним единице, схемы иолверпшшл сплошной термотрспнроике при максимально допустимой температуре переходп 85°С в течение 72ч.;

- при числе оилшш но электрическим параметрам и иирши, равном двум п более, 11С подвергаются ЭТТ и течение 72ч. при предельно допустимо!! температуре 70°С.

Бпелрение указанно!! технологии пходиого контроля для Ш1С тина КР1003ВШ позволило снизить отказы при производстве электронных блоков в три рлза при снижении стоимости проведения входного кош роля в несколько раз по сравнению со сплошной ЭТТ всех парти!1 в течение 72ч. •

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В иастояшеИ диссертации изложены научно обоснованные технологические разработки, обеспечивающие решение важно!! прикладной задачи • - повышение надежности партий интегральных схем н полупроводниковых приборов как в процессе их изготовления на участках сборки и финишного.контроля, так н в процессе изготовления радиоэлектронной пн. паратуры па участке входного контроля.

В диссертации получены следующие новые нпучные и технические результаты.

1. Проведено теоретическое обоснование меюда выравнивающей технологии в иропзподстве изделий электронной техники. Теоретически и экспериментально показано, что надежность ИС из партий, имеющих пониженное значение процента выхода годных от установленного на величину более чем за, ниже величины надежности, установленной в ТУ.

2. Сформулированы'Принципы метода пыравинвающей технологии как для пронзводстЬа ИЭТ, так и для организации входного контроля НЭТиазпводпх-нзготовителяхРЭА. . . .•••••

3. Разработано технология сборки интегральных схем и полупроводниковых приборов, использующая метод выравнивающей технологии.

4. Предложен технологический маршрут входного коитролп МЭ Г, нспоиьзуюпшИ метод выравнивающей технологии и позволяющий отбра-

копить потенциально-ненадежные изделия с меньшими экономическими затратами.

5. Осуществлено внедрение предложенного метода в технологический процесс изготовления интегральных схем серии 106,134,1005 и транзисторов типов 1СГ805,КТ835,1СГ837 и в технологический процесс входного контроля ИЭТ при изготовлении пяти типов ВМ типов "Электроника". Это позволило повысить надежность соответственно указанных ИС в эксплуатации не хуже чем в 100-30 раз.

За счет снижения общих затрат при выпуске транзисторов и ИС, отвечающих требованиям технических условий по надежности, т.е. снижения уровня потерь от возврата малонадежных ИЭТ, снижения затрат от запуска на сборку видеомагнитофонов более надежных ИС и уменьшения"-' числа отказов ВМ за гарантированный период эксплуатации, получен экономический эффект более 35 мли.руб. (в ценах 1994 г.).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ 0ПУБЛЛК01ШШ Ц РАБОТАХ:

1. Горлов М.И., Королев С.Ю. Физические основы надежности интегральных микросхем: Учебное пособие. -Воронеж: Из-во ВГУ, 1995. -200с.

2. Расчет надежности интегральных схем. по конструктивно-технологическим данным / М.И.Горлов, С.Ю.Королев, А.В.Кулаков, А.В.Строгоиов // Воронеж: Из-во ВГУ, 1996. -30с.

3. Горлов М.И., Бойко В.И., Королев С.Ю. Применение метода выравнивающей технологии при изготовлении ИС серии 142 (I Электронная промышленность. 1995. N2. -с.58-60.

4. Горлов М.И., Грпщенко В.Т., Королев С.Ю. Управление надежностью интегральных микросхем путем использования выравнивающей технологии II Тез. докл. Ill Всесоюзп. конф. "Моделирование и имитация на ЭВМ статических испытаний ИС и их элементов", -Суздаль, 1989. -с.232-233. t

5. Применение принципа вырпшпшиошей технологии при изготовлении транзисторов ICT837 / М.И.Горлов, В.И.Бойко, В.В.Шукалов, С.Ю.Королеп // Тез.докл. VI научи,- техн. конф. "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов", -Новгород, 1992. -с.32.

6. Бойко В.И., Королев С.Ю. Оценка эффективности отбраковочных испытаний, используемых при изготовлении мощных интегральных схем

КР142ЕР18 // Тез.докл. VIII научн.-техн. отрасл. конф. "Состояние и пути по- вышения надежности видеомагнитофонов", Воронеж. 1994. -с.49-50.

7. Горлов М.И., Королев С.Ю. и др. Современный подход к организации производства полупроводниковых изделий высокого качества // Тез. докл. IX науч.-техл. отрасл. конф. "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов". Воронеж. 1995. -с.28-29.

8. Горлов М.И., Королев С.Ю., Бордгожа О.Л. Повышение надежности интегральных микросхем в процессе серийного производства // Матер.докл. науч.-техи. семин. "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Москва,ноябрь 1995). М.:199б. -с.43-55.

9. Королев С.Ю. Применение метода выравнивающей технологии при изготовлении ИС серии 106 // Тез.докл. X науч.-техл. конф."Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов". -Воронеж. 1996. -с.40-42.

10.Королев С.Ю. К вопросу о критериях оценки качества приварю! внутренних выводов в интегральных схемах // Тез.докл. . X научн.-тех. отрас. конф. "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов", -Воронеж. 1996. -с.46-47.

ЛР№020419 от 12.02.92r. Подписано к печати 29.10.97r. Усл.печ.л.1,0 Тираж 100 экз., Зак.№65 Воронежский государственный технический университет 394026, Воронеж, Московский пр., 14 Участок оперативной полиграфии Воронежского государствешюго технического утшверситета

, ¿Г

ЖХ / * I/ #./' / ' ' ъ

' с/ V с/ / ' ' /

г?

ВОРОНЕЖСКИЙ ЗАВОД ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

На правах рукописи

КОРОЛЕВ СЕРГЕИ ЮРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ В ПРОЦЕССЕ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА МЕТОДОМ ВЫРАВНИВАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.27.01 - ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА,

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА И НАНО-ЭЛЕКТРОНИКА

ДИССЕРТАЦИЯ

НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ТЕХНИЧЕСКИХ НАУК

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Горлов М.И.

ВОРОНЕЖ -1996 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................................................................3

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ И НАДЕЖНОСТЬЮ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ В ПРОЦЕССЕ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА...............................................8

1. Качество и надежность полупроводниковых изделий.........................................................................8

2. Управляемость и стабильность технологического процесса..........................................................15

3. Статистические методы контроля качества ИС...................................................................................21

4. Переход от контроля качества к системе обеспечения качества...................................................26

4.1 Японский метод качественного изготовления продукции.......................................................................29

4.2 Подход к системе повышения качества продукции на американских предприятиях..............................32

4.3 Отечественная система бездефектного изготовления продукции.......................................................35

5. Выводы и постановка задачи........................................................-.............................................................37

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ...............................................................................................................................................................39

1. Общее представление....................................................................................................................................39

2. Компенсирующая технология в производстве ИС...............................................................................44

3. Выбор оптимальных отбраковочных испытаний.................................................................................47

4. Диагностические методы контроля качества и надежности ИС....................................................47

5. Выводы..............................................................................................................................................................48

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ВЫРАВНИВАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА ИС СЕРИЙ 106,134......................................................................................................... 49

1. Основные характеристики конструкции и технологии изготовления ИС серий 106,134..........49

2. Обоснование метода выравнивающей технологии в производстве ИС........................................52

3. Разработка и применение выравнивающей технологии при производстве ИС серии 106........58

4. Выводы..............................................................................................................................................................70

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА ВЫРАВНИВАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ И ПРИМЕНЕНИИ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ..................................................................71

1. Примеры реализации метода выравнивающей технологии при производстве ИЭТ..................71

2. Применение метода выравнивающей технологии для ИЭТ на входном контроле при производстве видеомагнитофонов...............................................................................................................73

3. Выводы..............................................................................................................................................................75

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................................................77

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................................................79

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы.

Известно, что при доле дефектности партий интегральных схем (ИС) в пределах 0,01%, то есть одно дефектное изделие на 10 ООО или 100 дефектных на 1 млн изделий, процент отказов печатных плат, на которых смонтировано по 100 ИС, составит 1%. При дефектности партий ИС в пределах одного процента, выход годных печатных плат составит 63,4%, то есть процент дефектных плат будет равен 36,6 [1-3]. Отсюда очевиден большой экономический эффект при изготовлении радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) от использования высоконадежных ИС.

В ряде работ [4,5], посвященных управляемости технологического процесса изготовления ИЭТ (полупроводниковых приборов и ИС) рассматривается связь между анализом дефектов (причинами снижения процента выхода годных) и мерами по устранению этих дефектов. В других работах [6,7] дается определение статистически управляемого технологического процесса, в котором с помощью статистического регулирования обеспечивается управляемость и стабильность контролируемых параметров. Но в этих работах не определено, какую надежность имеют партии ИЭТ, прошедшие технологический процесс с пониженным процентом выхода годных на одной или нескольких технологических операциях, что особенно важно для серийного производства ИС.

В связи с этим необходимость разработки нового подхода к организации технологического процесса серийно выпускаемых ИС, позволяющего выпускать партии изделий с одинаковой надежностью, не менее установленной в ТУ, является достаточно актуальной особенно в условиях перехода к рыночным отношениям.

Данная работа выполнялась в обеспечение постановления Правительства от 12.05.86 г. N 540 "О мерах по коренному повышению качества продукции" и является частью комплексных работ, проводимых в соответствии с "Целевой программой повышения качества продукции на 1990-1995 гг." Воронежского завода полупроводниковых приборов и научно-исследовательского института "Видеофон".

Цель работы.

Целью диссертации являлось решение научно-технической проблемы повышения надежности серийно выпускаемых ИС за счет выпуска партии одинаковой надежности независимо от разброса процента выхода годных в этих партиях.

Для достижения этой цели определен комплекс основных работ, включающий:

1. Анализ и оценку передовых зарубежных и отечественных методов повышения качества и надежности ИЭТ в процессе их серийного производства, поиск имеющихся путей выпуска партий ИС одинаковой надежности независимо от уровня процента выхода годных схем в технологической партии.

2. Экспериментальное и теоретическое обоснование снижения надежности ИС в партии, имеющей пониженный процент выхода годных схем.

3. Разработка метода выравнивающей технологии для выпуска партий ИС одинаковой надежности независимо от разброса процента выхода годных.

4. Определение возможности применения метода выравнивающей технологии для входного контроля ИС на заводах-изготовителях РЭА.

6. Оценку эффективности разработанного и внедренного метода выравнивающей технологии в процессе серийного производства ИС и транзисторов и на входном контроле заводов-изготовителей РЭА.

Научная новизна.

В результате выполнения диссертации получены следующие новые научные и технические результаты.

1. На основе экспериментального и теоретического анализа зависимости надежности ИС от процента выхода годных обоснован метод выравнивающей технологии для производства ИС, позволяющий выпускать партии схем, равные по надежности, независимо от разброса процента выхода годных по этим партиям.

2. Разработана технология серийного производства ИС для участков сборки и финишного контроля с использованием метода выравнивающей технологии.

3. Предложен технологический маршрут входного контроля ИС на заводах-изготовителях, использующий метод выравнивающей технологии и позволяющий отбраковывать потенциально ненадежные схемы с меньшими экономическими затратами.

Реализация результатов работы. Практическая ценность.

Разработанный метод выравнивающей технологии был реализован в процессе изготовления интегральных схем серий 106, 134, 1005, транзисторов типов КТ805, КТ835, КТ837 и в технологическом процессе изготовления пяти типов видеомагнитофонов (ВМ) "Электроника" при организации входного контроля ИЭТ. Это позволило повысить надежность соответственно указанных ИС в эксплуатации в 100-30 раз, снизить процент га-

рантийного ремонта ВМ по вине ИЭТ в 4 раза. Экономический эффект от внедрения результатов диссертации в производство ИЭТ и видеомагнитофонов составил более 35 млн.руб. (в ценах 1994 года).

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Зависимость надежности ИС из различных партий от разброса по проценту выхода годных в этих партиях.

2. Метод выравнивающей технологии, позволяющий выпускать партии ИС, равные по надежности, независимо от разброса процента выхода годных по этим партиям.

3. Распространение метода выравнивающей технологии на входной контроль изделий электронной техники при производстве радиоэлектронной аппаратуры.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: Ш-й Всесоюзной конференции "Моделирование отказов и имитация на ЭВМ статических испытаний ИС и их элементов" (г.Суздаль, 1989 г.), VI-X научно-технических отраслевых конференциях "Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов" (г.Новгород, 1992 г.; г.Воронеж, 1993-1996 гг.), научно-техническом семинаре "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (г.Москва, 1995), XXXIII -XXXVI научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ВГТУ (1993-1995 гг.).

Публикации.

По результатам проведенных исследований опубликовано 18 работ, в том числе учебное пособие для ВУЗов и монография.

В работах, опубликованных с соавторами, диссертанту принадлежит проведение экспериментов, оформление статей, обсуждение результатов, внедрение в серийное производство.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 87 страниц текста, включая 16 рисунков, 10 таблиц и библиографию из 84 наименований.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ И НАДЕЖНОСТЬЮ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ В ПРОЦЕССЕ СЕРИЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1. Качество и надежность полупроводниковых изделий.

На предприятиях электронной промышленности можно услышать следующие выражения:

- необходимо повысить качество и надежность выпускаемых изделий;

- качество выпускаемых нами изделий, как показала их эксплуатация в радиоаппаратуре, повысилось (или снизилось);

- надежность выпускаемых нами изделий типа А (или серии Б) на входном контроле за истекший период повысилось (или понизилось).

На наш взгляд, в приведенных двух последних фразах, действительно часто слышимых в той или иной форме, смешаны понятия качества и надежности полупроводниковых изделий.

В отечественной практике под качеством изделия понимается совокупность свойств изделия, обуславливающих его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с его назначением [8,9].

Для изготовителей полупроводниковых изделий электронной техники (ИЭТ) это понятие связано с соответствием выпускаемых изделий требованиям документации по электрическим параметрам, габаритно-присоединительным размерам и внешнему виду, принятием техническим контролем партии изделий с первого или второго предъявления, отсутствием или величиной претензий потребителей к данному типу изделий с входного контроля или сферы изготовления электронных блоков и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА).

Потребители ИЭТ оценивают качество получаемых изделий по количеству отказов по электрическим параметрам и внешнему виду на входном

контроле при нормальных условиях, повышенных или пониженных температурах, различных отбраковочных испытаниях. По количеству отказов ИЭТ при изготовлении плат, блоков, РЭА также судят об их качестве.

При оценке качества изделий используются понятия, характеризующие запасы по тому или иному электрическому параметру по отношению к нормам технических условий. Запасы по параметрам определяются конструктивными данными и особенностями технологии производства, поэтому используют понятие конструктивно-технологического запаса [10].

Оценка конструктивно-технологических запасов должна предшествовать установлению системы контроля параметров в технологической документации. При отсутствии запасов по какому-либо параметру возникает необходимость обязательной проверки данного параметра хотя бы на одной стадии технологического контроля или контроля на стадии поставки [10]. В работе [11] представлена структура блок-схемы обеспечения расчета производственных запасов на ЭВМ.

Надежность есть внутреннее свойство изделия сохранять свои характеристики (значения параметров) в заданных пределах и в заданных условиях эксплуатации [9].

Поэтому практически качество ИЭТ оценивается данными по входному и выходному*контролю на соответствие их требованиям технических условий (ТУ) по электрическим параметрам и внешнему виду. Надежность же ИЭТ связана с временным сохранением своих параметров в условиях эксплуатации.

Понятие качества в достаточной степени неопределенно, оно может рассматриваться с разных позиций, с учетом различных перспектив. С некоторых точек зрения качество всегда будет недостаточным, всегда могут быть сделаны замечания о необходимости совершенствования качества. Критерии качества должны определяться количественно. Они должны исходить из предельных, но реальных возможностей производства, реальных

исходных материалов, конструкций. Только при таких количественных определениях возможно реальное совершенствование качества, сопоставление его, установление перспектив улучшения качества [12].

В работе [13] качество оценивается процентом дефектных приборов или долей количества дефектных приборов на 1 млн изготовляемых приборов данного типа. Например, если рассматриваются ИС, качество можно рассматривать как функцию процесса производства схем независимо от времени. Статистический контроль качества используется для того,чтобы убеждаться, что качество достигло требуемого уровня. Процесс изготовления ИС или других полупроводниковых приборов обычно сопровождается на разных этапах измерениями, используемыми для оценки распределения процесса обеспечения требуемого качества по операциям производственного процесса. Таким образом, качество связывается только с процессом производства приборов, но не со временем. Надежность в отличие от качества оценивается во времени, например, в количестве отказов за 105 ч работы или существования приборов. Обычно принимают, что отказы ИС распределены экспоненциально, в таком случае интенсивность отказов постоянна. Если принята такая модель, то интенсивность отказов оценивают, зная количество отказов за эквивалентное количество эле-менточасов работы испытываемой выборки, накопленное при испытаниях на срок службы. В этих случаях оценки интенсивности отказов не зависят от оценок качества производственного процесса. Используя указанные выше определения, можно измерять качество и надежность полупроводниковых изделий и, в частности, ИС, отдельно и независимо. Одно измерение - качество характеризует эффективность производственного процесса, другое измерение - надежность является характеристикой свойств приборов во времени. Можно принимать, что оба эти свойства зависимы, что качество определяет надежность или надежность определяет качество, но оба эти свойства, оценки этих свойств независимы [13].

Допущение, принятое при анализе, следующее: производственный процесс имеет следствием изготовление партий приборов, характеристики которых подчиняются нормальному распределению, определяемому значениями средней (х) и сигмы (среднеквадратическое рассеяние, а).

Исходя из приведенного выше допущения, на рис.1 Л. представлено распределение, характеризующее производственный процесс.

Надежность выпускаемых изделий будет расходоваться с той или иной степенью быстроты в зависимости от режима и условий эксплуатации. Если условия и режим эксплуатации будут неблагоприятны, то надежность изделий будет расходоваться быстро, и наоборот.

Для практического использования очень удобны временные показатели надежности: вероятность безотказной работы Р(Х), вероятность появления отказов ИО) и интенсивность отказов Х(1:) [9].

Время работы ИС до отказа, т.е. время, в течение которого выполняются заданные функции, у каждой ИС различно. Это объясняется тем, что при изготовлении ИС практически невозможно идеально выдержать технологический режим и строгую однородность физико-химической структуры применяемых материалов. Поэтому случайные колебания параметров исходных материалов, режимов работы применяемого технологического оборудования и других факторов влияют на продолжительность безотказной работы ИС. Это приводит к тому, что за рассматриваемый конечный промежуток времени отказ каждой конкретной ИС может произойти или не произойти, т.е. возникновение отказов работающих или хранящихся ИС в разные промежутки времени представляет собой случайное событие [14].

Отказы И С могут быть катастрофическими (чаще всего это случайные отказы) и постепенным