Надежность полупроводникового устройства — это способность устройства выполнять предназначенную ему функцию в течение всего срока службы устройства в полевых условиях.
При разработке надежных полупроводниковых устройств необходимо учитывать множество факторов:
- Полупроводниковые приборы очень чувствительны к примесям и частицам. Поэтому для изготовления этих устройств необходимо управлять многими процессами, точно контролируя уровень примесей и частиц. Качество готового продукта зависит от многослойных взаимоотношений каждого взаимодействующего вещества в полупроводнике, включая металлизацию , материал чипа ( список полупроводниковых материалов ) и упаковку.
- Проблемы микропроцессов и тонких пленок должны быть полностью изучены применительно к металлизации и склеиванию проводов . Необходимо также анализировать поверхностные явления с точки зрения тонких пленок.
- Из-за быстрого развития технологий многие новые устройства разрабатываются с использованием новых материалов и процессов, а время проектирования ограничено из -за единовременных инженерных ограничений, а также времени для решения проблем рынка. Следовательно, невозможно основывать новые конструкции на надежности существующих устройств.
- Для достижения экономии за счет масштаба полупроводниковая продукция производится в больших объемах. Кроме того, ремонт готовых полупроводниковых изделий нецелесообразен. Поэтому обеспечение надежности на этапе проектирования и уменьшение отклонений на этапе производства стали необходимыми.
- Надежность полупроводниковых устройств может зависеть от сборки, использования, условий окружающей среды и охлаждения. Факторы стресса, влияющие на надежность устройства, включают газ , пыль , загрязнение, напряжение , плотность тока , температуру , влажность , механическое воздействие , вибрацию , удар , радиацию , давление и интенсивность магнитных и электрических полей.
Факторы проектирования, влияющие на надежность полупроводников, включают: снижение напряжения , мощности и тока ; метастабильность ; логические временные запасы ( логическое моделирование ); временной анализ ; температурное снижение характеристик; и контроль процесса .
Методы улучшения
Надежность полупроводников поддерживается на высоком уровне за счет нескольких методов. Чистые помещения контролируют примеси, контроль процесса контролирует обработку и выгорание (кратковременная работа в экстремальных условиях), а зондирование и тестирование сокращают утечки. Зонд ( вафельный зонд ) проверяет полупроводниковый кристалл перед упаковкой с помощью микрозондов, подключенных к испытательному оборудованию. Заключительный тест проверяет упакованное устройство, часто до и после проработки, на предмет набора параметров, обеспечивающих работу. Слабые стороны процесса и конструкции выявляются путем применения ряда стресс-тестов на этапе квалификации полупроводников перед их выводом на рынок. e. г. в соответствии с квалификацией стресса AEC Q100 и Q101. [1] Среднее тестирование деталей — это статистический метод выявления и помещения в карантин полупроводниковых кристаллов, которые имеют более высокую вероятность отказов в надежности. Этот метод идентифицирует характеристики, которые находятся в пределах спецификации, но за пределами нормального распределения для этой совокупности, как выбросы риска, не подходящие для приложений с высокой надежностью. Разновидности среднего тестирования деталей на основе тестера включают, среди прочего, параметрическое среднее тестирование деталей (P-PAT) и среднее тестирование географических деталей (G-PAT). Встроенное среднее тестирование деталей (I-PAT) использует данные контроля производственного процесса и метрологии для выполнения функции распознавания отклонений. [2] [3]
Измерение прочности соединения проводится двумя основными типами: испытание на растяжение и испытание на сдвиг. И то, и другое можно сделать деструктивно, что встречается чаще, или недеструктивно. Неразрушающие испытания обычно используются, когда требуется чрезвычайная надежность, например, в военной или аэрокосмической промышленности. [4]
Механизмы отказа
Механизмы отказа электронных полупроводниковых приборов делятся на следующие категории.
- Механизмы, индуцированные взаимодействием материалов.
- Механизмы стресса.
- Механически вызванные механизмы разрушения.
- Механизмы отказов, вызванных воздействием окружающей среды.
Механизмы, вызванные взаимодействием материалов
- Затвор- металл полевого транзистора
- Деградация омического контакта
- Деградация канала
- Эффекты поверхностного состояния
- Загрязнение формованной упаковки — примеси в упаковочных материалах вызывают сбой в работе электрооборудования.
Механизмы отказов, вызванных стрессом
- Электромиграция – электрически индуцированное движение материалов в чипе.
- Выгорание – локальное перенапряжение
- Захват горячих электронов - из-за перегрузки в силовых радиочастотных цепях.
- Электрическое напряжение – электростатический разряд , сильные электромагнитные поля ( HIRF ), фиксирующееся перенапряжение , перегрузка по току.
Механизмы механических отказов
- Излом матрицы – из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения.
- Пустоты при прикреплении штампа – производственный дефект – выявляются с помощью сканирующей акустической микроскопии.
- Разрушение паяного соединения из-за ползучести или интерметаллических трещин.
- Расслоение матрицы/формовочной массы из-за термоциклирования
Механизмы отказов, вызванных воздействием окружающей среды
- Влияние влажности – поглощение влаги корпусом и контуром.
- Водородные эффекты – пробой частей цепи, вызванный водородом (металл).
- Другие температурные эффекты — ускоренное старение, усиление электромиграции с температурой, усиление выгорания.
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Документы AEC
- ^ "AEC Q001" (PDF) .
- ^ «Д.В. Прайс и Р.Дж. Ратерт (KLA-Tencor Corp.). «Наиболее известные методы контроля скрытых дефектов надежности на предприятиях по производству полупроводников 90–14 нм». Девятнадцатый ежегодный семинар по надежности автомобильной электроники. Нови, Мичиган. Апрель 2017 г.».
- ^ Сайкс, Боб (июнь 2010 г.). «Зачем тестировать облигации?». Журнал Global SMT & Packaging.
Библиография
- Джулио Ди Джакомо (1 декабря 1996 г.), Надежность электронных корпусов и полупроводниковых устройств , McGraw-Hill
- А. Кристу и Б. А. Унгер (31 декабря 1989 г.), Надежность полупроводниковых устройств , Научная серия НАТО E
- MIL-HDBK-217F Прогноз надежности электронного оборудования
- MIL-HDBK-251 Надежность/проектирование тепловых применений
- MIL-HDBK-H 108 Процедуры отбора проб и таблицы для испытаний на долговечность и надежность (на основе экспоненциального распределения)
- Справочник по проектированию надежности электронной техники MIL-HDBK-338
- MIL-HDBK-344 Проверка электронного оборудования на воздействие окружающей среды
- Планы и процедуры выборки частоты отказов MIL-STD-690C
- MIL-STD-721C Определение терминов надежности и ремонтопригодности
- MIL-STD-756B Моделирование и прогнозирование надежности
- MIL-HDBK-781 Методы испытаний надежности, планы и условия для инженерных разработок, квалификации и производства
- MIL-STD-1543B Требования программы надежности для космических и ракетных систем
- MIL-STD-1629A Процедуры выполнения анализа характера, последствий и критичности отказа
- MIL-STD-1686B Программа контроля электростатических разрядов для защиты электрических и электронных деталей, узлов и оборудования (за исключением взрывных устройств, инициируемых электрическим током)
- Классификация отказов MIL-STD-2074 для испытаний надежности
- MIL-STD-2164 Процесс проверки воздействия окружающей среды на электронное оборудование
- Справочник по надежности полупроводников (PDF) . Renesas Technology Corp., 31 августа 2006 г. Архивировано из оригинала (PDF) 1 декабря 2006 г.
- Каяли, С. «Основные виды и механизмы отказов» (PDF) .[ нужна полная цитата ]
- «Стандарты и справочники надежности». Архивировано из оригинала 8 ноября 2005 года.
- Акбари, Мохсен; Таваколи Бина, Мохаммед; Бахман, Амир Саджад; Эскандари, Бахман; Пуресмаэль, Эдрис; Блаабьерг, Фреде (2021). «Расширенная многослойная тепловая модель для многокристальных IGBT-модулей с учетом термического старения». Доступ IEEE . 9 : 84217–84230. дои : 10.1109/ACCESS.2021.3083063 . S2CID 235455172.
- Акбари, М.; Бахман, А.С.; Рейгоса, PD; Яннуццо, Ф.; Бина, MT (сентябрь 2018 г.). «Тепловое моделирование проводных силовых модулей с учетом неоднородного взаимодействия температуры и электрического тока». Надежность микроэлектроники . 88–90: 1135–1140. doi :10.1016/j.microrel.2018.07.150. S2CID 53529098.