автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Разработка измерительных программ для ИС К174 с применением методов электрофизического диагностирования в условиях массового производства

4/' / п

* " * «Г/

/

/ /

ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «ОРБИТА»

На правах рукописи

КАРТИН НИКОЛАИ МИХАИЛОВИЧ

РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ ИС СЕРИИ К174 С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА

На стыке специальностей: 05.27.01 - Твердотельная электроника

и микроэлектроника,

05.27.05 - Интегральные радиоэлектронные устройства

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор СИНКЕВИЧ В. Ф.

г. Саранск - 1998 г.

ПЛАН

диссертационной работы на тему:

"РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ ИС СЕРИИ К174 С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА"

СОДЕРЖАНИЕ стр.

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМ

ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ 15

1.1. Техническая диагностика — как важнейший раздел микроэлектроники. Основные направления ее развития для изделий электронной техники 15

1.2. Основные требования к системе информативных прогнозирующих параметров 18

1.3. Принципы выбора информативных показателей качества технологического процесса производства 24

1.4. Проблемы ранних отказов ИС 25

1.5. Классификация отказов ИС 39

1.6. Выводы 43

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ ДЛЯ ИС СЕРИИ К174 С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА 45

2.1 Технические задачи для разработки измерительных программ

контроля электрических параметров ИС серии К174 45

2.2. Методология разработки измерительных программ с применением методов электрофизического диагностирования для ИС серии К174

в условиях массового производства 52

2.2.1. Технические требования к измерительным программам для ИС серии К174 с применением методов электрофизического

диагностирования 54

2.2.2. Алгоритмическая реализация предлагаемого методологического подхода в измерительных программах с применением методов электрофизического диагностирования 58

2.3. Выводы 65

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРОГРАММ КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ИС СЕРИИ К174 С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ 67

3.1 Обоснование выбора электрофизических параметров для

диагностирования физического состояния ИС 67

3.1.1. Функциональный подход к выбору электрофизических параметров диагностирования физического состояния ИС серии К174 69

3.1.2. Особенности выбора электрофизических параметров диагностирования для кристалла и ИС в корпусе 77

3.1.3. Выбор электрофизических параметров диагностирования физического состояния ИС на основе отказов в процессе

испытаний на надежность и эксплуатации 82

3.1.4. Выбор электрофизических параметров диагностирования физического состояния ИС на основе отказов в процессе

проведения электротермотренировки 85

3.2. Разработка оптимальных систем электрофизических параметров для диагностирования физического состояния ИС 88

3.3. Выводы 92

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ОТБРАКОВКИ ПОТЕНЦИАЛЬНО НЕНАДЕЖНЫХ ИС СЕРИИ К174 ДЛЯ УСЛОВИЙ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА 94

4.1 Импульсный метод отбраковки потенциально ненадежных

ИС серии К174 94

4.1.1. Общие положения 98

4.1.2. Расчет параметров импульсного воздействия для ИС серии К174 102

4.1.3. Анализ тепловых процессов в ИС при импульсном режиме

ее работы 108

4.1.4 Примеры расчета режимов отбраковки потенциально ненадежных ИС в импульсном режиме при нормальной температуре окружающей среды 114

4.2. Метод отбраковки потенциально ненадежных ИС по импульсному воздействию на группы выводов 119

4.3. Метод отбраковки потенциально ненадежных ИС с помощью комбинированных импульсных воздействий на ее выводы 121

4.4. Метод отбраковки потенциально ненадежных ИС по измерению потенциалов на ее выводах 122

4.5. Метод отбраковки потенциально ненадежных ИС по измерению изменения напряжений на выводах 122

4.6. Метод отбраковки потенциально ненадежных ИС по измерению отношения токов потребления 123

4.6.1. Метод отбраковки потенциально ненадежных ИС по измерению

изменений отношений токов потребления 124

4.7. Метод отбраковки потенциально ненадежных ИС по максимальным выходным токам 125

4.8. Метод отбраковки потенциально ненадежных ИС по измерению напряжений на выводах с применением импульсных воздействий 126

4.9. Метод отбраковки потенциально ненадежных ИС по измерению сопротивления обратносмещенного коллекторно-эмиттерного

перехода одного из транзисторов 127

4.10. Метод отбраковки потенциально ненадежных ИС с помощью электротермоциклирования 129

4.11. Метод отбраковки потенциально ненадежных ИС по верхнему и нижнему порогам функциональной работоспособности

по напряжению питания 131

4.12. Метод отбраковки потенциально ненадежных ИС по изменению

коэффициента гармоник выходного низкочастотного сигнала 132

4.13. Выводы 133

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДОВ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ

ИС К174ХА11 134

5.1. Описание состава функциональных узлов ИС К174ХА11 134

5.2. Анализ состава электрических параметров в измерительной программе на втором этапе контроля 137

5.3. Разработка измерительной программы с применением методов электрофизического диагностирования для ИС К174ХА11 138

5.3.1. Анализ и систематизация видов отказов по результатам отбраковочных, типовых испытаний и эксплуатации 138

5.3.2. Выбор электрофизических методов диагностирования

физического состояния ИС 139

5.3.3. Разработка методов определения функциональной работоспособности ИС 140

5.3.4. Результаты опробования экспериментальной измерительной программы в условиях массового производства 141

5.4. Выводы 144

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 146

ПРИЛОЖЕНИЯ: 149

Приложение 1 Результаты физико-технического анализа отказов ИС серии К174

для типовых испытаний на надежность (ТН) и эксплуатации 149

Приложение 2 Результаты физико-технического анализа отказов ИС серии К174

в процессе проведения ЭТТ за январь-сентябрь 1991 года 151

Приложение 3 Описание действующей в условиях массового производства

измерительной программы для ИС К174ХА11 153

Приложение 4 Описание разработанной измерительной программы

с применением МЭФД для ИС К174ХА11 155

Приложение 5 Акт внедрения результатов диссертационной работы 158

ЛИТЕРАТУРА 160

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития отечественной электронной промышленности характеризуется непрерывным ростом требований к качеству и надежности изделий электронной техники (ИЭТ), в том числе интегральных микросхем (ИС) различных типов, которые находят все более широкое применение в различной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), включая современные телевизионные приемники (ТП). Актуальность обеспечения этих требований диктуется еще тем, что в настоящее время наступил период формирования условий реальной конкуренции между отечественными предприятиями-изготовителями ИЭТ и предприятиями-изготовителями аналогичных типов ИЭТ ближнего и дальнего зарубежья. Поэтому оперативность решения задач повышения качества и надежности выпускаемых ИЭТ для отечественных предприятий-изготовителей приобретает жизненно важный характер.

Эти же задачи очень остро стоят в настоящее время и перед ОАО "Орбита" г. Саранска, которое выпускает широкий спектр линейных ИС серии К174 с большими функциональными возможностями по типовой биполярной планарно-эпитаксиальной технологии с изоляцией элементов обратносмещенными р-п переходами, и имеющие ¿^современных ТП цветного и черно-белого изображения, радиоприемниках, магнитофонах и другой РЭА самое широкое применение.

Все возрастающие в настоящее время требования к качеству и надежности РЭА приводят к соответствующим повышениям требований к качеству и эксплуатационной надежности применяемых ИС, удовлетворение которых в рамках существующих систем технологического контроля процесса изготовления и отбраковочных испытаний в условиях массового производства не всегда возможно. И эта проблема является для предприятий-изготовителей ИС весьма актуальной. Одним из аспектов решения связанных с этим задач является отбраковка потенциально ненадежных ИС в условиях массового производства с помощью традиционно рекомендуемых нормативными документами отбраковочных испытаний, например, электротермотренировки [ 1 ], проведение которых требует огромных, иногда не выполнимых экономических затрат (оборудование,

энергетические затраты, площади, обслуживающий персонал). А для отдельных ИС их проведение весьма малоэффективно.

Одним из наиболее перспективных направлений в решении вышеуказанных задач является внедрение в массовое производство методов и средств технической диагностики, активно применяемых в настоящее время передовыми в развитии электроники странами [ 2-4 ]. Среди них особая роль принадлежит методам электрофизического диагностирования (МЭФД) изделий электронной техники, в том числе ИС, которые в силу своих важнейших преимуществ позволяют оперативно решать предприятиям-изготовителям ряд сложных технических задач по отбраковке потенциально ненадежных ИС в процессе производства, анализу отказов, прогнозированию надежности, контролю условий производства по дефектности технологических процессов [ 5-9 ]. Однако предприятия-изготовители ИС отечественной электронной отрасли уделяют МЭФД весьма незначительное внимание [ 2,6,9,10 ].

Иногда внедрение МЭФД в массовое производство ограничивается тем, что в рамках применяемых на конкретных предприятиях средств измерений электрических параметров ИС, не всегда возможно измерение необходимых электрофизических параметров, которые определяли бы физическое состояние ИС. Поэтому возникает необходимость организации отдельного рабочего места под определенный МЭФД, что связано с дополнительными экономическими затратами. Еще одна причина, которая определяет негативное отношение предприятий-изготовителей ИС к внедрению МЭФД, связана с уменьшением процента выхода годных ИС, так как при этом всегда происходит дополнительная отбраковка потенциально ненадежных изделий.

\/' В^общем, использование МЭФД в условиях массового производства ИЭТ, в

том числе и ИС серии К174, носит единичный, а не массовый характер. Это не позволяет объективно предопределять их высокие надежностные характеристики.

Но в последнее время у предприятий-изготовителей ИЭТ все же значительно вырос интерес к МЭФД в связи с возможностью замены ими таких энерготрудоемких испытаний, как электротермотренировка (ЭТТ) и контроль электрических параметров (ЭП) в диапазоне рабочих температур [ 10 ].

Результаты практического опробования МЭФД в условиях массового производства линейных ИС серии К174 показывают, что внедрение единичных методов, как правило, не позволяет достичь необходимых технических показателей для конкретного типа ИС. Поэтому разработка оптимальных систем электрофизических параметров для диагностирования физического состояния ИС, позволяющих решить задачи обеспечения необходимых надежностных характеристик, является также весьма актуальной проблемой, имеющей как научное, так и практическое значение.

В настоящее время контроль ЭП в процессе массового производства ИС серии К174 проводится на специализированных автоматических измерительных комплексах (АИК) различных видов с применением ЭВМ. При этом для каждого типа ИС разрабатывается определенная измерительная программа (ИП) под конкретный вид АИК, позволяющая измерять различные ЭП интегральной микросхемы. Анализ методического состава ИП контроля ЭП показывает, что составы измеряемых ЭП как для кристаллов, так и для ИС в корпусе, для большинства ИС практически идентичны. Их основой являются методики измерений ЭП соответствующих технических условий.

В связи с постоянным ростом степени интеграции выпускаемых ИС серии К174, постоянного повышения требований к их качеству и эксплуатационной надежности, при разработке ИП контроля и определения их методического состава как для вновь осваиваемых, так и для выпускаемых ИС возникает необходимость одновременного решения следующих основных сложных и противоречивых технических задач:

1. Увеличение количества измеряемых ЭП из-за роста функциональной сложности, а значит и степени интеграции ИС.

2. Минимизация количества измеряемых ЭП.

3. Уменьшение времени измерения ЭП.

4. Измерение систем информативных электрофизических параметров, отражающих надежностные характеристики ИС; методологическая совместимость данных систем с измерениями основных ЭП.

5. Уменьшение энергетических затрат и трудоемкости проведения процесса измерений ЭП.

6. Функциональное упрощение применяемых АИК.

7. Упрощение обслуживания, ремонта и аттестации АИК.

В рамках традиционных подходов по разработке ИП для ИС серии К174 эффективное решение этих задач практически невозможно. Поэтому разработка принципиально нового методологического подхода по созданию ИП для измерения электрических параметров ИС серии К174, позволяющего оптимальным способом решить вышеуказанные технические задачи, является для массового производства ИС серии К174 весьма актуальной проблемой. Наиболее перспективное направление создания такого рода ИП для линейных ИС серии К174 является, по-нашему мнению, направление разработки ИП с применением МЭФД.

Работ для линейных ИС в рассматриваемом аспекте как за рубежом, так и у нас в стране практически нет. Поэтому выражаем надежду, что результаты данной работы представляют определенный научный и практический интерес для широкого круга специалистов, связанных с разработкой, изготовлением, эксплуатацией не только ИС серии К174, но и линейных микросхем других серий.

Целью настоящей работы явились:

— создание принципиально нового методологического подхода по разработке высокоэффективных ИП контроля электрических параметров ИЧС с применением МЭФД;

— разработка алгоритма реализации предлагаемого методологического подхода для применяемых АИК;

— разработка оптимальных систем электрофизических параметров диагностирования физического состояния ИС серии К174;

— выбор критериев отбраковки потенциально ненадежных ИС серии К174;

— разработка методов определения функциональной работоспособности и МЭФД для ИС серии К174;

— практическая разработка экспериментальных ИП с применением МЭФД для конкретных типов ИС серии К174 и оценка их эффективности в условиях массового производства.

Одновременно в рамках выполнения работы были поставлены и решены следующие основные задачи:

— провести анализ методического состава действующих в условиях массового производства ИП контроля электрических параметров ИС серии К174;

— выработать пути решения технических задач по разработке высокоэффективных ИП для условий массового производства;

— разработать классификацию выводов ИС серии К174 по функциональному принципу для выбора необходимых критериев отбраковки потенциально ненадежных ИС серии К174;

— анализ статистических данных по физико-техническому анализу причин отказов ИС серии К174 в процессе испытаний на надежность, ЭТТ в условиях массового производства и эксплуатации в различной РЭА; разработка на базе этих результатов высокоэффективных МЭФД;

— установить особенности выбора электрофизических параметров диагностирования физического состояния кристаллов и ИС в корпусе;

— разработать теоретические основы впервые предлагаемого высокоэффективного импульсного метода отбраковки потенциально ненадежных ИС серии К174 в ужесточенных электрических и тепловых режимах путем подачи последовательности прямоугольных импульсов по цепи питания микросхемы;

— установить область применения ИП контроля электрических параметров ИС серии К174 с применением МЭФД.

Одновременно следует отметить, что результаты данной работы фактически открывают принципиально новое направление в разработке измерительных программ контроля электрических параметров ИС, которое позволяет эффективно реализовать в массовое производство достижения научных методов технической диагностики физического состояния ИС, в частности МЭФД, и измерительной техники для автоматизированного контроля электрических параметров ИС с применением ЭВМ.

На основании полученных в рамках настоящей работы результатов на защиту выносятся следующие основные положения:

1. Создан принципиально новый методологический подход по разработке высокоэффективных ИП контроля электрических параметров ИС серии К174 с

о

применением МЭФД для условий массового производства. Его отличительная сущность заключается: в принципиально новой организации структуры измерительных программ, в подборе состава и алгоритма измерений ЭП, в выборе методов определения функционал