Математическое построение номограммного поля расчетов взаимозависимых параметров испытания интегральных микросхем

VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Математическое построение номограммного поля расчетов взаимозависимых параметров испытания интегральных микросхем

Коновалихин П.В. 1
1ГБПОУ КО "Губернаторский аграрный колледж"
Годунов Б.А. 1
1ГБПОУ КО "Губернаторский аграрный колледж"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

При производстве интегральных микросхем контрольные операции проводятся не только на конечной стадии изготовления, а превращены в систему управления качеством выполнения операций по всему технологическому процессу. Однако этот контроль оказывается явно недостаточным, так как в ходе изготовления интегральных схем возможные не только ошибки операторов, но и случайные отклонения (x, y, z…), связанные с качеством материалов, работой оборудования и т.д. Поэтому в каждый технологический процесс производства интегральных схем введена единая система проверки и отбраковки готовых изделий, чтобы выявить интегральные схемы как с явными, так и, по возможности, со скрытыми дефектами. Для этого установлены единые виды и условия отбраковочных испытаний (таблица 1), позволяющие определить при разработке новых изделий запасы по электрическим и механическим свойствам и проверять при серийном производстве интегральных схем эффективность тех или иных вводимых в технологический процесс мероприятий.

Таблица 1 - Отбраковочные испытания.

Вид

Условия

1

2

Визуальный контроль ИС перед герметизацией

Отбраковка кристаллов под микроскопом (кратность увеличения не менее 80) в соответствии с требованиями по ограничению количества дефектов каждого вида и их общего количества, указанных в технологической документации

Термообработка для стабилизации параметров:

 

перед герметизацией

Выдержка ИС при температуре, превышающей верхнее значение, заданное в технических условиях, в течение 48 ч

после герметизации

Выдержка ИС при верхнем значении температуры в течение 24 ч

Продолжение таблицы 1

1

2

Циклическое воздействие температуры

Попеременное воздействие верхнего и нижнего значений температур окружающей среды (перенос из одной камеры в другую за время не более 3 мин). Число непрерывно следующих друг за другом циклов 5

Линейные нагрузки

Воздействие линейных нагрузок с ускорением 10 000...20'000 g в направлении вертикальной оси ИС в течение 1 мин

Проверка герметичности:

 

малые течи

Проверка герметичности в пределах от 1 10-7 л мкм/с масс-спектромет-рическим методом

средние течи

Проверка герметичности ИС предварительно опрессованных в индикаторном газе. Определение герметичности 1 10-2 л мкм/с

большие течи

Проверка герметичности в индикаторной жидкости

Измерение электрических параметров

Контроль параметров ИС в соответствии с нормативно-технической документацией (НТД) при нормальной температуре

Электротермотренировка (для ИС повышенной надежности)

Испытание ИС при постоянной электрической нагрузке и макси-мально допустимой температуре

Измерение электрических параметров:

Проверка соответствия электрических параметров ИС требованиям, установленным в НТД

статических

Проверка при нижнем и верхнем значениях температуры окружающей среды, установленной в НТД

динамических

Проверка при нормальной температуре окружающей среды

Внешний визуальный контроль

Проверка элементов конструкции (сварных и паяных швов, спаев стекла с металлом) под микроскопом при увеличении не менее 16. Визуальная проверка покрытий, маркировки

В таблице 1 приведены выводы и условия отбраковочных испытаний, которые проводятся в логической последовательности и поэтому взаимосвязаны. Для отбраковочная испытаний используются методы и режимы, учитывающие особенности технологии изготовления и конструкция интегральной схемы, чтобы выявить скрытые дефекты, которые могут быть присущи данной конструкции технологической схемы. По результатам испытаний интегральных схем выбираются такие уровни внешних воздействий, чтобы остались определенные запасы устойчивости к этим воздействиям.

Для осуществления испытания на герметичность интегральных схем в настоящее время создан ряд испытательных камер, установок. Однако, их эксплуатация показала, с одной стороны, конструктивное несовершенство отдельных частей устройства, с другой стороны невозможность экстренной оценки параметров испытания, определяющих тщательность проектирования, подготовки производства и наладки оборудования.

В связи с этим возникла необходимость разработки методических рекомендаций по расчету параметров испытания (Qk) используя математическое построение номограммного поля выравненных точек.

Программа и общая методика проведения исследований

1.1 Цель и задачи исследования

Испытание на герметичность (Q) включает ряд испытаний, которые используют методы, пригодные для различного применения.

Испытание Q можно подразделить на две подгруппы, различающиеся методами выявления утечки:

- по внутренним признакам, вызванным изменением электрических параметров в результате попадания испытательного вещества (жидкости или газа) на образцы через трещины;

- по внешним признакам, когда наблюдается утечка испытательного вещества.

Испытания для выявления по внешним признакам в зависимости от их применения подразделяются на следующие:

Qa - пузырьковое испытание.

Qc, Qd, Qk - испытания, используемые для определения утечки в корпусах интегральных микросхем.

Qc - пузырьковое испытание, в свою очередь, включает три метода с различной чувствительностью: утечка не менее чем 1 Па см3/с (10-5 бар см3/с).

Испытание Qk наиболее чувствительное, оно осуществляется с помощью гелия и масс-спектрометра. Его чувствительность находится в диапазоне от 1 Па см3/с (10-5 бар см3/с) до приблизительно 10-8 Па см3/с (10-11 бар см3/с). По экспериментальным данным изготовитель интегральных схем определяет типовые значения стоимости замены интегральных схем в зависимости от типа аппаратуры: бытового назначения, промышленного оборудования, ракетно-космической. Стоимость подсчитывается на четырех этапах изготовления или эксплуатации этих видов аппаратуры, на входном контроле, после монтажа на печатную плату, во время испытания системы, во время эксплуатации. Если изготовитель промышленного оборудования получает партию интегральных схем в количестве 10 тыс. штук с предполагаемым уровнем нарушения герметичности 7%, тогда 40% дефектных интегральных схем будет выявлено на выходном контроле, 30% - при настройке плат, 20% - при испытании системы и 10% - при эксплуатации.

Следовательно стоимость замены интегральных схем составит:

Тогда изготовитель промышленного оборудования вынужден истратить на дополнительные испытания 1 801 800 руб., или 180 руб. на каждую приобретенную интегральную схему. Указанные затраты складываются из двух составляющих: одноразовые - на приобретение оборудования и переменные - собственно на проведение испытания на герметичность Qk.

Исходя из вышеизложенного целью настоящей работы является снижение переменных затрат на ремонт промышленного оборудования на 5-10% за счет разработки и внедрения методических рекомендаций по номограммному расчету параметров испытания Qk.

В соответствии с поставленной цели и задачами исследования являются:

Обоснование математического построения номограммных полей (номограмм) параметров испытания интегральных микросхем.

Разработать отраслевые технические указания к основным методам испытания на воздействие внешних факторов.

Место правоведения работы

Работа выполнена ГБПОУ КО «Губернаторский аграрный колледж», специальность 35.02.08, в лаборатории «Автоматизация технологических процессов производства».

2 Основная часть

2.1 Анализ возможных видов дефектов интегральных микросхем

Одним из главных видов отбраковочных испытаний является проверка герметичности корпусов ИС, так как довольно распространенным источником отказов является натекание влажного воздуха в корпус через неисправные герметизирующие уплотнения.

Через плохие уплотнения внутрь схемы могут попадать агрессивные жидкости при технологических операциях, связанных с очисткой печатных плат РЭА от остатков флюса, когда ИС уже установлены. В результате возникают коррозия металлизации и отказ схемы.

Проверку герметичности проводят тремя способами: малые течи проверяют: масс-спектрометрическим методом, средние — опрессовкой микросхем гелием, большие — погружением микросхем в этиленгликоль.

Анализируя типичные опытные данные, характеризующие эффективность отбракованных мероприятий, которым подвергаются микросхемы в процессе производства (таблица 2), можно сделать вывод, что комплекс отбракованных мероприятий позволяет выявить значительное количество (в этом случае 43,2% от числа повергнутых испытания) потенциально ненадежных микросхем и таким образом значительно повысить качество партий микросхем, поставляемых для использования в промышленном оборудовании.

Таблица 2 - Эффективность отбраковочных мероприятий

Вид испытаний

Процент дефективных ИС

Основные виды дефектов и их доля, %

1

2

3

Визуальный контроль качества присоединения выводов

5,0

Отсутствие (неприварка) соединения,

26,4

Повторная термокомпрессия, 17,0

Смещение вывода за пределы контактной площадки, 13,6

Пережатие вывода, 10,6

Смещение сварных соединений на траверсах, 8,0

Прочие, 24,4

Визуальный контроль

кристаллов

3,7

Сколы, 10,7

Дефекты фотолитографии, 10,7

Прочие, 2,9

Проверка герметичности:

малые течи

средние и большие течи

7,0

1,9

Несоответствие норме

Контроль внешнего вида ИС

10,6

Сколы и трещины корпуса, 54,4

Кручение выводов, 16,0

Дефекты маркировки, 9,4

Нарушение покрытий, 20,2

Рисунок 1 — Схематическое изображение возможных отказов интегральной микросхемы: 1 - нарушение герметичности сварного шва; 2 — ухудшение герметичности электрической прочности в области металлостеклянного соединения; 3 — обрыв сварного соединения золотой проволоки с внешним выводом на траверзе; 4 — короткое замыкание золотого контакта на исходный кремний на краю кристалла (в области скола); 5 — короткое замыкание проволочных выводов между собой; 6 — короткое замыкание выводов вследствие попадания металлических частиц внутрь корпуса; 7 '— обрыв проволочного вывода; 8 — короткое замыкание проволочного вывода на металлическую часть корпуса; 9 — обрыв термокомпрессионного контакта; 10 — нарушение целостности проводящего слоя резистора (механическое повреждение); 11 — короткое замыкание металлизированной дорожки на кремний через отверстия в окисной пленке; 12 — нарушение целостности металлизированной дорожки (расплавление или коррозия на ступеньке окисла); 13 — короткое замыкание в объеме структуры в результате дефектов диффузии; 14 — увеличение токов утечки из-за образования поверхностных каналов с инверсной' проводимостью; 15 — короткое замыкание или утечка вследствие загрязнения поверхности планарной структуры; 16 — короткое замыкание металлизированных дорожек между, собой; 17 - обрыв электрической в результате неполного удаления окисла или образования электроизолирующей пленки на границе раздела кремний-алюминий; 18 — нарушение целостности металлизированной дорожки вследствие образования трещины в кристалле; 19 - короткое замыкание золотого контакта на кремний в результате неправильной центровки термокомплексного соединения; 20 - короткое замыкание проводника; 21 — короткое замыкание вывода на корпус вследствие попадания металлических частиц внутрь корпуса.

Рисунок 2 – Повторная термокомпрессия

Рисунок 3 – Загрязнение поверхности, повлекшее за собой подтрав алюминия

2.2 Математическая разработка номограммного поля расчетов взаимозависимых параметров испытания

Для лучшей теплоотдачи свободное пространство оболочки микросхемы заполняется газовой смесью с содержанием гелия (т. к. он обладает высокой теплопроводностью). После завершения герметизации микросхемы подвергают испытаниям. Параметры испытания и предельно допустимая измеренная скорость утечки газовой смеси приведены в таблице 3 в зависимости от внутреннего объема микросхемы, в соответствии со степенью жесткости и методом испытания, выбранными из соответствующих НТД.

Таблица 3 - Степени жесткости, условия испытания и эквивалентные стандартные скорости утечек

Параметр

Величина

Степень жесткости 6 ч ( )

Степень жесткости 60 ч ( )

Степень жесткости 600 ч ( )

Степень жесткости 1000 ч ( )

2

3

4

5

8

70

45

30

30

20

От 0,05 до 0,15 (от 5

От 0,01 до 0,1

0,1 (10-6)

От 0,1 до 1,0

10-2 (10-7)

От 1,0 до 10

10-3 (10-8)

От 2,0 до 20

10-3 (10-8)

2

3

4

5

8

2

3

4

5

8

240

160

120

90

60

480

320

240

190

120

От 0,5 до 1,5 (от 5

От 0,1 до 1,0

2 (2 10-5)

От 1,0 до 10

0,5 (5 10-6)

От 10 до 100

0,05 (5 10-7)

От 20 до 200

10-2 (10-7)

От 0,5 до 1,5 (от 5

От 0,1 до 1,0

5 (5 10-5)

От 1,0 до 10

1 (10-5)

От 10 до 100

0,1

(10-6)

От 20 до 200

0,05 (5 10-7)

Р

t1

L

V1

R1

V2

R2

V3

R3

V4

R4

В настоящей работе применяем следующие определения.

Скорость утечки - количество сухого газа при данной температуре, протекающего через течь в единицу времени при известной разности давлений до и после течи 1 Па м3/с=106 Па м3/с=10 бар см3/с.

Стандартная скорость утечки - скорость утечки в стандартных условиях температуры и разности давлений.

Для этого испытания стандартными условиями являются температура 25 и разность давлений 105 Па (1 бар).

Измеренная скорость утечки (R) - скорость утечки для данного изделия, измеренная в заданных условиях с применением установленного испытательного газа, V – внутренний объем микросхемы, см3; t1 – время опрессовки, с.

Эквивалентная стандартная скорость утечки (L) - стандартная скорость утечки данного изделия с применением воздуха в качестве испытательного газа.

Постоянная времени (утечки) ( ) - время, необходимое для выравнивания разности парциальных давлений до и после течи при условии сохранения начальной скорости изменения этой разности давлений. Для данного испытания постоянная времени равна отношению внутреннего объема образца к эквивалентной' стандартной скорости утечки.

Большая утечка - утечка, эквивалентная стандартная скорость которой превышает 1 Па см3/с (10-6 бар см3/с).

Малая утечка - утечка, эквивалентная стандартная скорость утечки которой менее 1 Па см3/с (10-6 бар см3/с).

Требуемая степень жесткости определяется по формуле:

где бар

На основании вышеизложенного, предлагается математическое построение номограммного поля расчетов взаимозависимых параметров испытания интегральных схем по следующим зависимостям:

(2)

(3)

(4)

Из зависимостей (2), (3), (4) следует, что - новые вспомогательные переменные, у которых шкалы не градуируют (немая шкала).

По данным таблицы 3 строим один из вариантов (определяется степенью жесткости) номограммного поля по определению параметров испытаний микросхемы, приняв масштабы:

Слева на право пространственного номограммного поля (рисунок 4) устанавливаем параллельные шкальные осевые линии уравнений параметров испытания микросхем с одним базисом в определенной последовательности (P, V, t1, L, R) при этом обозначаем номограммным полем (D1) пространство между параметрами микросхемы P и V, D2 - между параметры микросхемы V и t1, D3 - между параметрами микросхемы t1 L, D4 - между параметры микросхемы L и R.

D1 D2 D3 D4

Рисунок 4 - Номограммное поле для определения параметров испытания

Из этого следует, что это графическое изображение функциональной зависимости между несколькими переменными, позволяет рассчитывать числовое значение одной из переменных по заданным значениям других через прямое соединение связанных точек (параметров).

Измеренная скорость утечки гелия (R) выражается для данной температуры через условия испытания и эквивалентную стандартную скорость утечки (L) уравнение следующего вида:

где - измеренная скорость утечки гелия, Па см3/с (бар см3/с);

- эквивалентная стандартная скорость утечки, Па см3/с (бар см3/с);

- абсолютное давление опрессовки, Па (бар);

- атмосферное давление, Па (бар);

- внутренний объем образца, см3;

- удельная масса воздуха 1,29 г/л;

- удельная масса гелия 0,18 г/л;

- время опрессовки, с;

- время аэрации между снятием давления и окончанием обнаружения утечки, с.

Номограммное поле, приведенное на рисунке 4, позволяет определить L, R, t1 для указанных значений других параметров.

Примеры применения.

2.2.1 Определение измеренной скорости утечки газовой смеси R для данных значений L, P, t1 и V

Проводим прямую линию (1) через параметр абсолютного давления опрессовки Р=4 105 Па номограммного поля (D1) и величину времени опрессовки t1=30 сек номограммного поля (D2). Прямая линия (1) с линией безразмерной шкалы ( ) образуют точку (А) в номограммном поле (D1). Пересечение прямой линии через полученную точку (А) и величиной L=5 10-7 Па см3/с поля (D3) дает точку (В) на безразмерной шкале .

На шкале V (внутреннего объема микросхемы) выбираем минимальную величину V=1 см3 проводим соединение (3) с точкой (В) шкалы и продолжаем соединение в номограммное поле (D4) до пересечения со шкалой измеренной скорости утечки газовой смеси .

П остроение расчета взаимозависимых параметров представлены на рисунке 5.

 

 

Рисунок 5 - Номограммный расчет скорости утечки газовой смеси

 

2.2.2 Определение эквивалентной стандартные скорости утечки газовые смеси (L) из оболочки микросхем для данных значений R, P, t1 и V

Проводим соединение (1) через параметр по абсолютного давления опрессовки Р=4 105 Па номограммного поля (D1) и величину времени опрессовки t1=30 сек номограммного поля (D2). Соединение (прямая линия) (1) с линией безразмерной шкалы ( ) от пересечения образует точку (А) в номограммном поле (D1). Соединение (прямая линия) через и образует с линией безразмерной шкалы ( ) от пересичения точку (В) в номограммном поле (D3). Прямая линия, проведенная через эти две точки (А) и (В) в продолжении пересекает шкалу (L) в номограммном поле (D4) с искомым значением L=5

Построение расчета взаимозависимых параметров представлено на рисунке 6.

D1 D2 D3 D4

Рисунок 6 - Номограммный расчет эквивалентной стандартной скорости утечки газовой смеси

2.2.3 Определение времени опрессовки микросхемы для данных значений L, R, P и V

Проводим соединение (1) через параметр измерения скорости утечки гелия номограммного поля (D4) и минимальной величины внутреннего объема микросхемы V=1 см3 номограммного поля (D2). Ее пересечение с линией безразмерной шкалы ( дает точку (В) в номограммном поле (D3). На шкале (L) находим величину L=5 и проводим соединение (2) через точку (В) до пересечения со шкалой ( номограммного поля (D3). Это пересечение дает точку (А) на шкале . Продолжение соединения (прямая линия), проведенное через величину Р=4 105 Па и точку (А) на безразмерной шкале ( ) дает величину с искомым значением на шкале t1=30 сек.

Построение расчета взаимозависимых параметров представлено на рисунке 7.

Рисунок 7 - Номограммный расчет времени опрессовки микросхемы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

Анализ отказов центральных микросхем позволил определить максимальный процент дефекта микросхем – 7% (нарушения герметичности) на что указывает о необходимости проведения эксрасчетов номографическим методом по определению взаимозависимых параметров испытания интегральных микросхем.

Установлено, что возможно использовать математическое построение номограммного поля для конструкторских расчетов, а также в перспективе необходимо продолжить разработку номографических методов расчета для ряда изделий.

Математически построенное номограммное поле позволило определить время опрессовки микросхемы, стандартную скорость утечки газовой смеси из оболочки микросхемы, реальную скорость утечки газовой смеси из оболочки микросхемы.

ЛИТЕРАТУРА

Теория автоматического регулирования техническими системами. В.В. Солодовников, А.В. Яковлев, М., Изд-во МГТУ, 1993.

Шишмарев В.Ю. Автоматика. Серия Среднее профессиональное образование [1738] – М., Academia, 2008.

Шишмарев В.Ю. Типовые элементы систем автоматического управления, Среднее профессиональное образование [1738] – М., Academia, 2009.

Просмотров работы: 27