Надежность полупроводникового прибора — это способность прибора выполнять возложенную на него функцию в течение всего срока службы прибора в полевых условиях.
При разработке надежных полупроводниковых приборов необходимо учитывать ряд факторов:
- Полупроводниковые приборы очень чувствительны к примесям и частицам. Поэтому для производства этих приборов необходимо управлять многими процессами, при этом точно контролируя уровень примесей и частиц. Качество готового продукта зависит от многослойных отношений каждого взаимодействующего вещества в полупроводнике, включая металлизацию , материал чипа ( список полупроводниковых материалов ) и корпус.
- Проблемы микропроцессов и тонких пленок должны быть полностью поняты в применении к металлизации и проволочной сварке . Также необходимо проанализировать поверхностные явления с точки зрения тонких пленок.
- Из-за быстрого развития технологий многие новые устройства разрабатываются с использованием новых материалов и процессов, а календарное время проектирования ограничено из-за неповторяющихся инженерных ограничений, а также проблем со временем выхода на рынок . Следовательно, невозможно основывать новые конструкции на надежности существующих устройств.
- Для достижения экономии масштаба полупроводниковые изделия производятся в больших объемах. Кроме того, ремонт готовых полупроводниковых изделий нецелесообразен. Поэтому внедрение надежности на этапе проектирования и снижение вариации на этапе производства стали необходимыми.
- Надежность полупроводниковых приборов может зависеть от сборки, использования, условий окружающей среды и охлаждения. Факторы стресса, влияющие на надежность прибора, включают газ , пыль , загрязнение, напряжение , плотность тока , температуру , влажность , механическое напряжение , вибрацию , удар , радиацию , давление и напряженность магнитных и электрических полей.
Факторы проектирования, влияющие на надежность полупроводников, включают: снижение номинальных значений напряжения , мощности и тока ; метастабильность ; запасы логической синхронизации ( логическое моделирование ); временной анализ ; снижение номинальных значений температуры ; и управление процессом .
Методы улучшения
Надежность полупроводников поддерживается на высоком уровне несколькими методами. Чистые помещения контролируют примеси, управление процессом контролирует обработку и приработку (кратковременная работа в экстремальных условиях), а зондирование и тестирование уменьшают утечки. Зонд ( вафельный зонд ) проверяет кристалл полупроводника перед упаковкой с помощью микрозондов, подключенных к испытательному оборудованию. Окончательный тест проверяет упакованное устройство, часто до и после приработки, на набор параметров, которые гарантируют работу. Слабые стороны процесса и конструкции выявляются путем применения набора стресс-тестов на этапе квалификации полупроводников перед их выпуском на рынок, например, в соответствии с квалификациями стресс-тестов AEC Q100 и Q101. [1] Тестирование среднего значения деталей — это статистический метод распознавания и изоляции кристалла полупроводника, который имеет более высокую вероятность отказов надежности. Этот метод определяет характеристики, которые находятся в пределах спецификации, но за пределами нормального распределения для этой совокупности, как рискованные выбросы, не подходящие для приложений с высокой надежностью. Разновидности тестирования среднего значения деталей на основе тестера включают в себя параметрическое тестирование среднего значения деталей (P-PAT) и географическое тестирование среднего значения деталей (G-PAT) и другие. Встроенное тестирование среднего значения деталей (I-PAT) использует данные инспекции и метрологии производственного процесса для выполнения функции распознавания выбросов. [2] [3]
Измерение прочности связи выполняется двумя основными способами: испытание на растяжение и испытание на сдвиг. Оба могут быть выполнены разрушающим способом, что более распространено, или неразрушающим способом. Неразрушающие испытания обычно используются, когда требуется чрезвычайная надежность, например, в военных или аэрокосмических приложениях. [4]
Механизмы отказа
Механизмы отказа электронных полупроводниковых приборов делятся на следующие категории:
- Механизмы, обусловленные взаимодействием материалов.
- Механизмы, вызванные стрессом.
- Механизмы отказов, вызванные механическим воздействием.
- Механизмы отказов, вызванные воздействием окружающей среды.
Механизмы, вызванные взаимодействием материалов
- Полевой транзистор с затвором-металлическим током
- Деградация омического контакта
- Деградация канала
- Эффекты поверхностного состояния
- Загрязнение формованной упаковки — примеси в упаковочных компаундах вызывают отказ электрооборудования
Механизмы отказов, вызванных стрессом
- Электромиграция – электрически индуцированное перемещение материалов в чипе.
- Выгорание – локализованное перенапряжение
- Захват горячих электронов – из-за перегрузки в силовых ВЧ-цепях
- Электрическое напряжение – электростатический разряд , сильные электромагнитные поля ( HIRF ), перенапряжение при защелкивании , перегрузка по току
Механизмы отказов, вызванных механическим воздействием
- Разрушение матрицы – из-за несоответствия коэффициентов термического расширения
- Пустоты в месте соединения кристаллов – производственный дефект, который можно обнаружить с помощью сканирующей акустической микроскопии.
- Разрушение паяного соединения из-за усталости при ползучести или интерметаллических трещин.
- Расслоение пресс-формы/формовочной смеси из-за циклического воздействия температур
Механизмы отказов, вызванных воздействием окружающей среды
- Влияние влажности – поглощение влаги корпусом и схемой
- Воздействие водорода – разрушение частей цепи, вызванное водородом (металл).
- Другие температурные эффекты — ускоренное старение, повышенная электромиграция с температурой, повышенное выгорание
Смотрите также
Ссылки
- ^ Документы AEC
- ^ "AEC Q001" (PDF) .
- ^ "DW Price и RJ Rathert (KLA-Tencor Corp.). "Наиболее известные методы контроля скрытых дефектов надежности на 90-нм – 14-нм полупроводниковых фабриках". Девятнадцатый ежегодный семинар по надежности автомобильной электроники. Нови, Мичиган. Апрель 2017 г.".
- ^ Сайкс, Боб (июнь 2010 г.). «Зачем тестировать связи?». Журнал Global SMT & Packaging.
Библиография
- Джулио Ди Джакомо (1 декабря 1996 г.), Надежность электронных корпусов и полупроводниковых приборов , McGraw-Hill
- A. Christou & BA Unger (31 декабря 1989 г.), Надежность полупроводниковых приборов , NATO Science Series E
- MIL-HDBK-217F Прогнозирование надежности электронного оборудования
- MIL-HDBK-251 Надежность/Проектирование Тепловые приложения
- MIL-HDBK-H 108 Процедуры отбора проб и таблицы для испытаний на долговечность и надежность (на основе экспоненциального распределения)
- MIL-HDBK-338 Справочник по проектированию надежности электронных устройств
- MIL-HDBK-344 Проверка электронного оборудования на воздействие окружающей среды
- Планы и процедуры выборочного контроля интенсивности отказов MIL-STD-690C
- MIL-STD-721C Определение терминов надежности и ремонтопригодности
- Моделирование и прогнозирование надежности MIL-STD-756B
- MIL-HDBK-781 Методы, планы и условия испытаний на надежность для инженерных разработок, квалификации и производства
- Требования программы надежности MIL-STD-1543B для космических и ракетных систем
- Процедуры MIL-STD-1629A для выполнения анализа видов, последствий и критичности отказов
- MIL-STD-1686B Программа контроля электростатических разрядов для защиты электрических и электронных деталей, узлов и оборудования (за исключением взрывных устройств с электрическим инициированием)
- Классификация отказов MIL-STD-2074 для испытаний на надежность
- 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) .[ необходима полная цитата ]
- "Стандарты и справочники по надежности". Архивировано из оригинала 8 ноября 2005 г.
- Акбари, Мохсен; Таваколи Бина, Мохаммед; Бахман, Амир Саджад; Эскандари, Бахман; Пуремай, 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.
- Akbari, M.; Bahman, AS; Reigosa, PD; Iannuzzo, F.; Bina, MT (сентябрь 2018 г.). «Тепловое моделирование силовых модулей с проволочными соединениями с учетом неравномерного взаимодействия температуры и электрического тока». Надежность микроэлектроники . 88–90: 1135–1140. doi :10.1016/j.microrel.2018.07.150. S2CID 53529098.