Методики, улучшающие качество компонентов микроэлектронной аппаратуры космического назначения

В настоящее время конкурентоспособность любого предприятия, независимо от формы его собственности и размеров, зависит в первую очередь от качества его продукции и соизмеримости ее цены с предлагаемым качеством, т. е. от того, в какой степени продукция предприятия удовлетворяет запросам потребителя. Высокое качество продукции, удовлетворяющее ожидания потребителя, соизмеряется современным потребителем со стоимостью (ценой) этой продукции.

В условиях современного рынка успех производителя зависит от скорости его адекватной реакции на запрос потребителя. Скорость зависит от времени практической реализации хорошо очерченной производителем цели, обеспечивающей минимальные издержки производства высококачественной продукции, а, следовательно, и минимальную ее цену для потребителя.

Современная космическая микроэлектроника отличается от микроэлектроники для массового применения и является самостоятельным направлением в производстве. Компоненты, применяемые в ней, обладают следующей спецификой: широкая функциональная номенклатура, малая серийность, высокие требования к надежности, расширенный температурный диапазон.

Объектом диссертационного исследования являются процессы, обеспечивающие повышение качества (надежности) интегральных схем (ИС) и печатных плат (1111), применяемых в микроэлектронной аппаратуре (МЭА) военного и космического назначения.

Рост интеграции МЭА достигается применением в ней высокоинтегрированных компонентов (интегральных микросхем и печатных плат) и обеспечивается совершенствованием их производства. Достигнутый при новой интеграции уровень технологии обеспечивает возможность применения новых топологических норм проектирования компонентов и компенсацию потерь качества изделий, обусловленную применением этих норм. Новый «прорывный» процесс характеризуется более высокой разрешающей способностью, точностью и стабильностью, более низкой повреждаемостью по отношению к «старому» процессу.

В связи с тем, что разработчики компонентов более высокой интеграции ИС и ПП делают разработку под общие для ряда предприятий требования к МЭА, а разработчики МЭА руководствуются конкретными техническими заданиями, возможно несовпадение требований к уровню качества компонентов МЭА. Таким образом, в различных организациях, выпускающих ИС и ПП, уровень их качества может различаться с требованиями к уровню качества этих компонентов для конкретного изделия МЭА. Поэтому требуются дополнительные процессы, направленные на обеспечение повышения качества компонентов до требуемого уровня. Обеспечение необходимых методик и процессов реализуется в системе менеджмента качества (СМК) организации-разработчика МЭА.

Таким образом, в объекте исследования существует проблема соответствия качества (надежности) компонентов требуемому уровню для МЭА военного и космического назначения. Именно поэтому тема диссертации, посвященная разработке методик, улучшающих качество ИС и 1111, применяемых в космической МЭА, является актуальной.

В настоящее время в объекте исследования существуют недостатки:

— Для ИС не установлен преобладающий процесс, приводящий к отказам.

— Не установлены условия прогнозирования надежности ИС.

— Отбраковочные испытания применяются потому, что они в априори дадут положительный результат, но нет методик экономического обоснования состава и режимов испытаний.

— Не определена зависимость результатов анализа отказов компонентов МЭА от выбора технических средств для участка анализа отказов.

— Не определены факторы, влияющие на влагостойкость ПП и критерии выбора защитного покрытия для печатных плат МЭА.

Предметом диссертационного исследования являются методики обеспечения качества и надежности компонентов МЭА требованиям, установленным изготовителем МЭА военного и космического назначения, а также обоснование некоторых требований системы менеджмента качества.

Для решения проблемы, существующей в объекте исследования, в диссертации ставились следующие задачи:

1. Провести анализ механизмов и причин возникновения отказов в ИС, установить преобладающий процесс, приводящий к отказам.

2. Обосновать прогнозирование надежности ИС по ее статистической дефектности (коэффициенту выхода годных). Определить условия прогнозирования.

3. Разработать методику оценки эффективности проведения дополнительных отбраковочных испытаний (ДОИ) и диагностического неразрушающего контроля (ДНК) с целью оптимизации состава испытаний.

4. Обосновать выбор защитного покрытия 1111 по критерию скорости деградации эксплуатационных свойств под воздействием влажной атмосферы. Выбрать защитное покрытие по указанному критерию и участвовать в разработке процесса его нанесения.

5. Установить зависимость результатов анализа отказов от выбора технических средств для участка анализа. Показать, что выбор технических средств, предназначенных для анализа отказов компонентов МЭА, обеспечивает расширение номенклатуры анализируемых объектов и является примером решения, повышающего эффективность функционирования организации.

В результате проведенной работы получены следующие новые результаты:

1. На основе обработки результатов анализа отказов установлен преобладающий механизм отказа — диффузия металла по поверхности Предложены изменения ванны отказов для ИС. Даны рекомендации по составу отбраковочных испытаний, выявляющих потенциально ненадежные элементы.

2. Показана принципиальная возможность прогнозирования надежности ИС по коэффициенту выхода годных.

3. Разработана методика оценки эффективности применения ДНК и ДОИ ЭРИ, основанная на оценке изменения интенсивности отказов в результате испытаний ЭРИ.

4. Определены факторы, влияющие на влагостойкость ГШ и критерии выбора защитного покрытия для печатных плат МЭА. Установлено, что электрическая нагрузка при воздействии на ПП влажной атмосферой приводит к снижению скорости изменения диэлектрических характеристик, что объясняется проявлением процесса самоподсушивания платы вследствие протекания тока между проводниками.

5. Определена зависимость результатов анализа отказов компонентов МЭА от выбора технических средств для участка анализа отказов. Показано расширение номенклатуры отказавших компонентов от количества функций технических средств участка анализа (степени его оснащенности).

6. Обоснованы вопросы методического обеспечения при разработке технической политики для организации-разработчика и изготовителя ИС.

Практическая ценность работы заключается в том, что на основе результатов проведенных исследований:

— Разработана методика оценки эффективности проведения ДОИ и ДНК ЭРИ, обеспечивающих улучшение надежности МЭА за счет исключения потенциально ненадежных ЭРИ. Методика позволяет с определить оптимальные режимы дополнительных испытаний и ужесточенные допуска для контроля параметров ЭРИ, обеспечивающих снижение интенсивности отказов.

Разработаны методики оценки влагозащищенности печатных плат по их способности противостоять воздействию влажной атмосферы (скорость проникновения влаги). На основе методик был проведен ряд работ по обеспечению работоспособности выпускаемых изделий в условиях повышенной влажности по комплексу стандартов «Мороз-6» и принято решение о замене лакового покрытия на основе УР-231 на защитное покрытие на основе поли-пара-ксилилена.

— Установление преобладающего механизма отказов позволило сделать рекомендации для программы отбраковочных испытаний по выбору ужесточенных норм и режимов испытаний, обеспечивающих отказы потенциально ненадежных элементов по указанному механизму.

Разработанные в диссертации методики внедрены и используются на ведущем в области разработки и производства изделий военного и космического назначения предприятии — ФГУП «НИИ «Субмикрон», ООО «НИИ «Компонент».

Достоверность полученных результатов работы подтверждается необходимым объемом, теоретической обоснованностью и корректностью проведенных экспериментов, применением методов статистической 9 обработки, обсуждениями на научно-технических конференциях.

Методики исследований базируются на теоретических физико-химических основах материаловедения полупроводниковых приборов, интегральном термодинамическом подходе в диагностике и надежности МЭА, математическом моделировании.

Апробации работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях:

— XXXIV Международная конференция «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT + S&E'07». Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 20 — 30 мая, 2007 г.

— Семинар «Пути решения задач обеспечения современной радиоэлектронной аппаратуры надежной электронной компонентной базой» ОАО «РНИИ «Электронстандарт», 23−25 января 2008 г.

— Научно-технический совет ФГУП «НИИ «Субмикрон».

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 печатных работах: в 8 статьях (в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК), 1 тезисе доклада на международной научно-технической конференции IT + S&E'07 и 1 докладе на семинаре ОАО «РНИИ «Электронстандарт».

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, содержащих 30 рисунков и 22 таблицы, заключения и списка использованной литературы. Общий объем работы — 133 страницы.

Основные результаты работы:

1. Разработана методика оценки эффективности проведения ДНК и ДОИ ЭРИ, обеспечивающих улучшение качества МЭА и позволяющих исключить потенциально ненадежные ЭРИ. Согласно методике, ДНК. и ДОИ оцениваются по эффективности их результата, при этом учитываются затраты на испытания и эффект от ее реализации. При оценке эффекта от реализации использовалась формула надежности, учитывающая конкретный технологический вариант ИС. Методика позволяет оптимизировать задачу ДНК и ДОИ по критерию эффективности и в значительной степени способствуют успешному выполнению задач по повышению надежности МЭА.

2. Проведенный анализ механизмов и причин возникновения отказов в ИС позволил установить преобладающий процесс, приводящий к отказамдиффузия металла по поверхности: поверхность поры, поверхности загрязненного окисла на котором соединяются накоротко проводники металлизации, поверхности объемных дефектов в кремнии и т. д. Это позволило разработать рекомендации к программе отбраковочных испытаний. Обоснованы изменения зависимости интенсивности отказов во времени для ИС. В соответствии с полученным результатом, участок нормальной работы должен содержать размытый во времени максимум, размытость которого определяется энергией активации, которая зависит от вариации свойств исходных материалов и конструктивно-технологических факторов.

3. Определена зависимость результатов анализа отказов от выбора технических средств для участка анализа отказов компонентов МЭА. При выборе номенклатуры и количества единиц оборудования должны учитываться характерные для данной аппаратуры отказы и финансовые возможности организации. При достаточной оснащенности, информация, получаемая при анализе отказов, зависит от профессиональной компетенции работников и обеспечивает принятие решений, позволяющих расширить номенклатуру изделий, подлежащих анализу и тем самым повысить эффективность функционирования предприятия.

4. Показана принципиальная возможность прогнозирования надежности по коэффициенту выхода годных. При этом должны быть использованы модели, в которых причиной неработоспособности изделия является дефектность статистической природы. Для прогноза ИС необходимо использовать коэффициент выхода годных, полученный по модели Мэрфи, адекватно отражающей технологический процесс. В этой модели плотность повреждающих дефектов относится ко всему технологическому процессу.

5. Определены факторы, влияющие на влагостойкость ПП: состав защитного покрытия и конструктивно-технологический вариант исполнения платы. На основании полученных результатов выбрано защитное покрытие на основе поли-пара-ксилиллена и приведен технологический процесс его нанесения. Даны рекомендации по обеспечению влагозащиты военной и космической МЭА.

6. Экспериментально определено, что электрическая нагрузка при испытаниях 1111 во влажной атмосфере приводит к уменьшению скорости изменения диэлектрических характеристик, что объясняется проявлением процесса самоподсушивания платы вследствие протекания тока между проводниками.

7. Обоснованы вопросы методического обеспечения при составлении технической политики для организации-разработчика и изготовителя ИС. Положение о взаимозависимости топологических норм проектирования (Вmin>^исХ характеристик их качества (D, т3, Акр), затрат на их изготовление и эксплуатацию (Сизг, Сэксп) и характеристик качества технологического процесса (dir P0j) позволяет провести оценку правильности технических решений, составляющих техническую политику, принятых в различных организациях, разрабатывающих и производящих ИС и реализовать выбор решений, обеспечивающих повышение эффективности организации. Другим критерием правильности выбора технической политики является доказательство ее долговременного характера.

Заключение

.

Рост интеграции МЭА достигается применением в ней высокоинтегрированных компонентов (ИС и ГШ) и обеспечивается совершенствованием их производства. Достигнутый при новой интеграции уровень технологии обеспечивает возможность применения новых топологических норм и компенсацию потерь качества изделий, обусловленную применением новых топологических норм. Обеспечение необходимых методик и процессов реализуется в системе менеджмента качества (СМК) организации-разработчика МЭА.

На основе комплекса исследований в рамках данной диссертации вышеотмеченные проблемы нашли свое решение.