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 ИСметодологическая 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 МЭФДразработка алгоритма реализации предлагаемого методологического подхода для применяемых АИКразработка 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 производстваразработать 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 РЭАразработка на базе этих результатов высокоэффективных МЭФДустановить особенности выбора электрофизических параметров диагностирования физического состояния кристаллов и ИС в корпусеразработать 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 микросхемыустановить 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 функциональной работоспособности ИС, обязательным применением МЭФД, использованием разработанных ужесточенных электрических и тепловых импульсных воздействий на ИС, контролем ЭП при повышенной температуре кристалла ИС без внешних источников тепла.
2. Алгоритмическая структура измерительных программ с применением МЭФД состоит из следующих основных блоков методов измерений информативных параметров:
1-ый — определение правильности ориентации ИС;
2-ой — измерение тока потребления ИС или производных от него величин;
3-ий — определение физического состояния ИС;
4-ый — испытание ИС в ужесточенных электрических и тепловых режимах;
5-ый — определение функциональной работоспособности ИС;
6-ой — определение физического состояния ИС;
7-ой — определение изменений физического состояния ИС;
8-ой — классификация.
3. Классификация выводов ИС серии К174 по функциональному принципу предполагает их разделение на следующие виды:
1 -ый — выводы, на которые подаются входные сигналы от внешних источников;
2-ой — выводы, на которые подаются сигналы управления, управляющие постоянные напряжения или задаются статические режимы;
3-ий — выводы, с которых снимаются выходные сигналы и выходные постоянные напряжения;
4-ый — выводы, на которые подаются плюсовые и минусовые напряжения питания, и общий («земляной») вывод;
5-ый — выводы, на которые не подаются внешние динамические и статические режимы.
Данная классификация определяет оптимальный выбор критериев и необходимых электрических методов отбраковки потенциально ненадежных ИС в условиях массового производства по функциональному принципу.
4. Совокупность 10 определенных в условиях массового производства наиболее эффективных МЭФД позволяет создавать оптимальные системы электрофизических параметров диагностирования физического состояния ИС серии К174 для улучшения надежностных характеристик выпускаемых микросхем.
5. Впервые разработаны теоретические основы неразрушающего импульсного метода отбраковки потенциально ненадежных ИС серии К174 в ужесточенных электрических и тепловых режимах путем подачи последовательности прямоугольных импульсов по цепи питания микросхемы. Он позволяет выявить широкий спектр дефектов разного характера ИС в условиях массового производства.
6. ИП с применением МЭФД позволяют отбраковать ИС с нестабильными по температуре электрическими параметрами. Это условие выполняется обязательным включением в ИП термочувсвительных МЭФД и контролем теплового сопротивления ИС.
7. ИП с применением МЭФД являются альтернативными определенным отбраковочным испытаниям, в частности ЭТТ, контролю ЭП в диапазоне рабочих температур и т. д.
8. ИП с применением МЭФД позволяют классифицировать ИС серии К174 по группам надежности. Это достигается установлением корреляционной связи между показателями надежности ИС и нормами на измеряемые электрофизические параметры диагностирования физического состояния определенного типа микросхем в условиях массового производства.
9. МЭФД, входящие в ИП, дополняют и предопределяют проверку функциональной работоспособности ИС серии К174, гарантируют их соответствие требованиям ТУ по электрическим параметрам.
10. ИП с применением МЭФД, разработанных с предлагаемым методологическим подходом, дают возможность контролировать ЭП при повышенной температуре кристалла ИС без внешних источников тепла за счет его предварительного разогрева импульсными воздействиями по цепи питания микросхемы.
11. Экспериментальное подтверждение высокой эффективности ИП с применением МЭФД в условиях массового производства и справедливость защищаемых в настоящей работе положений как для ИС серии К174, так и для 10-типов линейных ИС других серий.
Настоящая диссертационная работа состоит из введения, 5-ти глав с выводами, заключения. В первой главе рассматриваются проблемы повышения качества и надежности ИЭТ, в том числе и ИС, по зарубежным и отечественным информационным источникам. Описаны роль технической диагностики в решении указанных проблем и основные направления ее развития для ИЭТ. Дан обзор по классификации видов и причин отказов, видов дефектов и способов их обнаружения. Вторая глава посвящена созданию нового методологического подхода по разработке ИП с применением МЭФД для ИС серии К174 в условиях массового производства. Здесь же анализируются и обосновываются технические задачи по разработке ИП контроля электрических параметров ИС серии К174 с применением МЭФД, а также приводятся основные пути их решения, дан анализ методического состава применяемых в настоящее время ИП и их особенности для различных этапов контроля ЭП микросхем. Предложена алгоритмическая реализация разработанного методологического подхода в ИП с применением МЭФД для применяемых в массовом производстве АИК, даны структура и методический состав измеряемых информативных параметров в ИП такого вида. Третья глава посвящена разработке оптимальных систем электрофизических параметров диагностирования физического состояния ИС серии К174 в условиях массового производства, включение которых в соответствующие ИП позволяет значительно повысить надежностные характеристики выпускаемых микросхем. Здесь же дано обоснование выбора электрофизических параметров диагностирования физического состояния ИС серии К174, предложена классификация выводов ИС по функциональному принципу, позволяющая осуществить оптимальный выбор электрофизических параметров для ИП с применением МЭФД. Установлены особенности выбора электрофизических параметров диагностирования физического состояния кристаллов и ИС в корпусе. На основе приведенных данных по физико-техническому анализу отказавших ИС серии К174 в процессе испытаний на надежность, ЭТТ и.
5.4. Выводы.
На основании приведенных результатов опробования измерительной программы с применением МЭФД в условиях массового производства для ИС К174ХА11, разработанной в соответствии с предлагаемым в настоящей работе комплексным методологическим подходом, требованиями и условиями, можно сделать следующие выводы:
1. Время измерения ИС по разработанной ИП сократилось более чем в 3 раза относительно действующей ИП.
2. Значительно улучшены надежностные характеристики выпускаемых ИС. Интенсивность отказов для ИС, прошедших второй этап контроля ЭП по разработанной ИП с применением МЭФД, значительно ниже нормированного значения по ТУ— 310 6 1/час и составила меньше 10 7 1/час, т. е. как минимум на порядок меньше. Это было подтверждено при сравнительных испытаниях на надежность в ускоренных электрических и тепловых режимах: и пит= и ном, Токр= 125° С, / = 168 часов.
3. Разработанная ИП позволила исключить из технологического маршрута изготовления ИС электротермотренировку.
4. Отпала необходимость в использовании технологических нагревательных столиков на втором этапе контроля ЭП.
5. Разработанная ИП обеспечивает достоверность соответствия электрических параметров ИС требованиям ТУ на 98,5%.
6. Общий процент выхода годных ИС по двум этапам контроля ЭП с применением разработанной ИП на 2,25% меньше относительно общего процента выхода годных по действующим ИП (с учетом отказов на сравнительных испытаниях).
7. Отказов для ИС, проверенных по разработанной ИП с применением МЭФД, при сравнительных форсированных испытаниях не было, а для ИС, проверенных по действующим ИП они составили 0,85%.
8. Значительно упростились электрическая схема включения ИС в измерительном блоке АИК и методы измерений ЭП, что позволяет применять более простые по функциональным возможностям АИК.
9. Значительно упростились обслуживание, ремонт и аттестация АИК.
10. Разработанная ИП позволяет осуществлять классификацию ИС по их надежностным характеристикам.
11. Полученные результаты опробования экспериментальной ИП контроля электрических параметров ИС К174ХА11 с применением МЭФД в условиях массового производства полностью подтвердили ее высокую эффективность в решении сложных технико-экономических задач настоящего времени и правильность предлагаемых в настоящей работе положений.
12. Разработанная ИП позволяет отбраковывать ИС с нестабильными по температуре электрическими параметрами.
13. Дает возможность упрощения статистического регулирования технологического процесса изготовления ИС.
14. Упрощение анализа причин отказов ИС как на стадии изготовления кристаллов, так и ИС в корпусе.
15. Дает возможность контролировать ЭП при повышенной температуре кристалла без внешних источников тепла.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
В настоящей диссертационной работе дано новое решение актуальной задачи повышения эффективности массового производства на основе создания принципиально нового методологического подхода по разработке высокоэффективных измерительных программ контроля электрических параметров ИС серии К174 с применением МЭФД. Он позволяет комплексно решить целый ряд сложных технико-экономических задач настоящего времени и предопределить массовое производство микросхем на качественно новом уровне. Данный методологический подход имеет общий характер и открывает фактически новое направление в разработке высокоэффективных ИП контроля ЭП линейных ИС в рамках существующих технологических процессов их изготовления.
Предложенные методы определения функциональной работоспособности ИС, внедренные в ИП контроля ЭП в массовое производство, позволили сократить уровень рекламаций от предприятий-изготовителей РЭА более чем в (2−10) раз для 25 типов ИС серии К174, 10 типов ИС других серий.
Разработаны методы электрофизического диагностирования физического состояния ИС серии К174, позволившие эффективно отбраковывать потенциально ненадежные изделия и значительно улучшить надежностные характеристики выпускаемых микросхем, исключив при этом из технологического процесса ЭТТ. При этом трудоемкость отбраковки потенциально ненадежных изделий снижается более 10 раз, а энергозатраты — в (100 — 1000) раз.
Подтверждена универсальность положений настоящей работы не только для ИС серии К174, но и для 10-ти типов других серий линейных ИС, выпускаемых ОАО «Орбита» (г. Саранск), например, КР1021, КР1026, КР1051 и т. д.
На основании достигнутых результатов выполнения настоящей работы можно сделать следующие основные выводы:
1. Создан принципиально новый методологический подход по разработке высокоэффективных измерительных программ контроля электрических параметров ИС серии К174 с применением МЭФД для условий массового производства.
2. Разработаны алгоритмическая реализация предложенного методологического подхода в ИП с применением МЭФД для действующих в массовом производстве АИК, структура и необходимый состав измеряемых ЭП в ИП такого вида.
3. Предложены пути решения технических задач по разработке высокоэффективных ИП контроля электрических параметров ИС серии К174 для условий массового производства.
4. Разработана классификация выводов ИС серии К174 по функциональному принципу, позволяющая осуществить оптимальный выбор необходимых электрофизических методов отбраковки потенциально ненадежных микросхем.
5. Определен оптимальный состав наиболее эффективных и универсальных методов электрофизического диагностирования физического состояния1 ИС серии К174 в условиях массового производства.
6. Определены особенности выбора электрофизических параметров диагностирования физического состояния кристаллов и ИС в корпусе.
7. Разработаны теоретические основы высокоэффективного импульсного метода отбраковки потенциально ненадежных ИС серии К174 в ужесточенных электрических и тепловых режимах путем подачи последовательности прямоугольных импульсов по цепи питания микросхемы.
8. Разработан ряд (более 10) универсальных и достаточно эффективных методов отбраковки потенциально ненадежных ИС серии К174 для применения в условиях массового производства на действующих АИК.
9. Разработаны и внедрены в массовое производство более 320 методов определения функциональной работоспособности и МЭФД 25 типов ИС серии К174, 10 типов линейных ИС других серий для действующих АИК.
10. Реализация ИП с применением МЭФД в условиях массового производства ИС серии К174 позволяет достичь следующих основных результатов: сократить более чем в 3 раза время измерения ИС относительно действующей ИПуменьшить, как минимум, в 10 раз интенсивность отказов ИС, прошедших контроль ЭП по ИП с применением МЭФДисключить из технологического маршрута изготовления ИС электротермотренировкуисключить на втором этапе контроля ЭП технологические нагревательные столикиотбраковывать ИС с нестабильными по температуре электрическими параметрамипозволяет осуществить классификацию ИС по их надежностным характеристикамобеспечить контроль ЭП при повышенной температуре кристалла без внешних источников тепладает возможность упрощения статистического регулирования технологического процесса изготовления ИСупрощения анализа причин отказов ИС как на стадии изготовления кристаллов, так и ИС в корпусеупростить электрические схемы включения ИС в измерительных блоках АИК и методы измерений ЭП, обслуживание, ремонт и аттестацию АИК.
11. Экспериментально полностью подтверждена высокая эффективность ИП с применением МЭФД в условиях массового производства ИС серии К174 для решения сложных технико-экономических задач настоящего времени и правильность защищаемых в настоящей работе положений.
12. Методы и устройства, разработанные в рамках настоящей работы, защищены 2 авторскими свидетельствами и внедрены на 4-х заводах в массовое производство 35 типов ИС с объемом выпуска более 65 млн. шт. в год с экономическим эффектом более 7 млн руб. (по состоянию на 1991 год), что подтверждено соответствующим актом внедрения.
На основании полученных в настоящей работе результатов, а также отсутствием работ для линейных ИС в рассматриваемом аспекте как за рубежом, так и у нас в стране, автор считает, что результаты настоящей 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.
