Качество и надежность ИМС

 

Основные понятия и определения

 

Однозначное определение понятия качества ИМС затруднено вследствие большого количества требований и показателей, которые могут даже в ряде случаев противоречить друг другу. Поэтому понятие качества ИМС ставится в зависимость от этапа жизненного цикла изделия:

1. На этапе проектирования – соответствие техническому заданию;

2. На этапе производства – соответствие требованиям технической документации;

3. На этапе применения – соответствие назначению и уровню решаемых задач.

Количественная оценка качества определяется комплексным показателем Q:

где mi – весовые коэффициенты группы (уровни значимости), qi – групповые показатели качества, N – число групп. Стандартная методика оценки качества включает восемь групп свойств:

1. По назначению;

2. По надежности;

3. По стандартизации и унификации;

4. По технологичности;

5. По экономичности;

6. По эргономичности;

7. По эстетичности;

8. Патентно-правовые.

Каждая из групп описывается совокупностью показателей, либо одним наиболее существенным показателем. Например, для цифровых ИМС наиболее часто показателем качества по назначению служит коэффициент:

где Pуд – удельная мощность, потребляемая одним элементом, tз.ср. – среднее время задержки распространения на один логический элемент. Конструктивно-технологическим показателем может выступать количество элементарных вентилей на единицу площади.

Одним из самых важных показателей по экономичности является процент выхода годных изделий. Практика показывает, что этот показатель коррелирует с показателями надежности. Кроме того, от него зависит стоимость готовых изделий.

Надежность – один из основных показателей качества изделий. Надежность ИМС – способность выполнять заданные функции при соблюдении условий транспортировки, хранения и эксплуатации.

Составляющими элементами надежности являются: выполнение заданных функций; время, в течение которого должно обеспечиваться выполнение функций; условия эксплуатации, хранения и транспортировки. Для описания состояния ИМС используются понятия исправности, работоспособности, отказа, времени наработки на отказ.

Исправность – это состояние ИМС, при котором она соответствует требованиям технической документации.

Работоспособность – состояние ИМС, при котором она способна выполнять заданные функции, сохраняя значения параметров в пределах, установленных технической документацией.

Отказ – это нарушение работоспособности. Отказ может заключаться в полной утрате работоспособности, либо в уходе одного или нескольких параметров за пределы заданных норм.

В зависимости от проявления различаются отказы внезапные (катастрофические), постепенные, перемежающиеся (параметрические).

Время наработки на отказ – время, в течение которого гарантируется выполнение заданных функций. Конечное время наработки на отказ обуславливается неизбежным старением материалов, а также отклонением однородности физико-химической структуры материалов в ходе технологического процесса.

 

Виды и причины отказов ИМС

 

По физическим причинам отказы делятся на:

1. Объемные, связанные с явлениями в объеме подложки;

2. Поверхностные;

3. Контактные – нарушение контактных соединений.

 

По видам отказы можно разделить на:

- Обрыв сварного соединения. Причины отказа – недостаточная механическая прочность сварного соединения; образование интерметаллических соединений; превышение допустимого уровня механических нагрузок. По статистике доля отказов данного типа составляет 20% от общего числа отказов.

- Обрыв тонкопленочных проводников и резисторов. Причины: механические повреждения, подтравы, некачественная защита ступенек рельефа; превышение допустимого уровня тока; коррозия. Доля данного типа отказов составляет 20%.

- Короткое замыкание и повышенный ток утечки. Причины: Загрязнение диэлектрических пленок или корпуса; дефекты диэлектрика превышение допустимого уровня напряжений. Доля данного типа отказов 22%.

- Дефекты фотолитографии. Причины: Ложная диффузия; подтрави ил перетрав оксидов и металлов; неполное удаление фоторезиста. Доля данного типа отказов 10%.

- Объемные дефекты кристалла. Причины: смыкание диффузионных слоев в транзисторах с тонкой базой; пробои в местах локальных дефектов структуры. Доля данного типа отказов 10%.

- Прочие: механические повреждения гибких проводников; инородные частицы в корпусах; некачественная посадка кристалла на основание; разгерметизация корпуса. Доля данного типа отказов 18%.

 

По физическим причинам отказы условно можно разделить на три категории:

1. Объемные – связаны с явлениями в объеме полупроводникового кристалла;

2. Поверхностные – обусловлены явлениями на поверхности кристалла;

3. Контактные – обусловлены нарушением контактных соединений и обрывом пленочных проводников.

Объемные отказы можно объяснить появлением или развитием в процессе эксплуатации ИМС структурных несовершенств кристалла: дислокаций, дефектов упаковки, микротрещин, и т.п., либо перераспределением легирующих примесей в объеме кристалла. Влияние такого рода отклонений структуры материала возрастает при уменьшении размеров элементов и увеличении плотности упаковки.

Перераспределение легирующих примесей: движение дислокаций, распад твердых растворов, рекристаллизация, и т.п. приводят к деградации свойств эпитаксиальных и диффузионных слоев. Указанные процессы приводят к изменению концентрации, подвижности, времени жизни носителей заряда, что, в свою очередь, отражается в увеличении токов утечки, снижении напряжения пробоя, ухудшению быстродействия микросхем.

Поверхностные отказы вызваны изменением характеристик системы Si-SiO₂:

1. Величины подвижного и неподвижного заряда в оксиде;

2. Стабильности заряда в оксиде при воздействии электрического поля и повышенной температуры;

3. Скорости поверхностной рекомбинации в полупроводнике.

Наиболее чувствительны к состоянию оксида МОП-структуры, в которых оксид по затвором является рабочим элементом микросхемы, и поверхностная миграция носителей заряда приводит к изменению порогового напряжения – одной из основных электрических характеристик схемы.

Повышенная миграционная подвижность ионов возникает при недостаточной очистке пластины перед окислением, при внесении загрязнений в процессе окисления, при большой плотности дефектов в оксидной пленке.

Для стабилизации поверхности применяется легирование оксида фосфором. Возникающий при этом слой фосфорно-силикатного стекла (ФСС) является барьером, препятствующим накоплению ионов у границы раздела.

Контактные отказы обычно проявляются как обрыв электрической цепи, либо как увеличение сопротивления.

Взаимодействие между разнородными материалами, применяемыми для формирования контактов, приводит к скоплению вакансий в различных областях, либо к образованию областей на границе раздела с электроизолирующими свойствами.

Отказы, вызванные нарушением условий эксплуатации. Возникновение такого рода отказов возможно на этапах сборки-регулировки аппаратуры, в процессе эксплуатации и обусловлено нарушением требований и рекомендаций по схемотехническому и конструктивному применению ИМС. Наиболее распространены следующие виды нарушений условий применения:

1. Питание РЭА от источников, дающих недопустимо большие выбросы напряжений в моменты включения и выключения. Это приводит к пробою изоляции, расплавлению проводников, пробою и обугливанию p-n переходов.

2. Долговременное превышение рекомендуемых тепловых, механических и электрических нагрузок. Это приводит к ускорению развития различного рода отказов, преждевременному старению материалов, постепенной деградации характеристик.

3. Недостаточная жесткость несущей конструкции (прогибы плат, резонансные явления). Это приводит к поломке выводов, растрескиванию и разгерметизации корпусов, отслоению кристаллов от корпуса.

 

Влияние эксплуатационных воздействий на надежность ИМС

 

Условия эксплуатации характеризуются комплексным воздействием факторов. Эти факторы подразделяются на: электрические, климатические, механические, радиационные.

Электрические факторы: рабочие напряжения и токи питания, напряжения статических помех, напряжения и токи сигналов, влияние электрических и магнитных полей.

Климатические факторы: температура и влажность окружающей среды, атмосферное давление, тепловой удар, присутствие активных веществ в атмосфере, морской туман, солнечное облучение, грибковые образования, и т.п.

Механические факторы: воздействие вибраций, ударов, линейных ускорений.

Радиационные факторы: космическая и ядерная радиация – облучение быстрыми нейтронами, альфа- и бета-частицами, протонами, нейтронами.

Для обеспечения требуемого уровня надежности устанавливаются предельно допустимые значения воздействующих факторов. Для ИМС широкого применения они изложены в ГОСТ 18725-83 Е. ИМС широкого применения должны сохранять электрические параметры при воздействиях:

- вибрационных нагрузок в диапазоне частот 5 – 500 Гц при ускорении до 40g

- многократных ударов с ускорением до 150g при длительности удара от 2 мс до 6 мс

- линейных нагрузок с ускорением до 150g

- одиночных ударов с ускорением до 1000g

- диапазоне температур от -60 до +125 ⁰С

- относительной влажности воздуха до 98%.

Требуемый уровень надежности устанавливается в нормативно-технической документации: ГОСТ, ОСТ, ТУ.

Для ИМС широкого применения установлены следующие показатели: минимальная наработка на отказ 10000 ч., срок хранения ИМС в корпусном исполнении не менее 6 лет, в бескорпусном исполнении не менее 2 лет.

 

Испытания ИМС

 

Испытания являются способом оценки качества и надежности ИМС. Цель испытаний:

1. Определение количественных показателей качества и надежности;

2. Установление возможности применения в данной области;

3. Получение гарантии качества благодаря снижению количества отказов при эксплуатации.

Испытания могут проводиться в лабораторных и эксплуатационных условиях. В промышленности испытания проводятся, как правило, в лабораторных условиях путем имитации воздействия различных факторов. При этом характер воздействий должен быть максимально приближен к эксплуатационным условиям.

Категории испытаний для контроля качества:

5. Квалификационные (К) определяют соответствие новой серии ИМС полному объему требований стандартов и ТУ, готовность производства к изготовлению ИМС при освоении и подготовке производства.

6. Приемо-сдаточные (ПС) проводятся для контроля качества каждой партии ИМС. По результатам испытаний принимается решение о возможности приемки и поставки данной партии ИМС.

7. Периодические (П) проводятся согласно плану тех. обслуживания в определенные сроки с целью подтверждения стабильности технологического процесса за контролируемый период.

8. Типовые (Т) необходимы при изменении конструкции, технологии, материалов, полуфабрикатов и компонентов. Испытания проводятся с целью проверки соответствия модернизированных ИМС требованиям ТУ.

 

Испытания на надежность необходимы для определения количественных показателей надежности:

1. Безотказность;

2. Долговечность;

3. Ресурс;

4. Интенсивность отказов;

5. Сохраняемость.

 

При проведении испытаний определяется устойчивость ИМС к эксплуатационным воздействиям. По характеру воздействий испытания делятся на:

1. Конструктивные;

2. Электрические;

3. Механические;

4. Климатические;

5. Радиационные.

Конструктивные испытания включают: проверку габаритных и присоединительных размеров, массы, внешнего вида, механической прочности выводов и соединений, качества защитных покрытий, герметичности, светонепроницаемости.

Механическая прочность выводов определяется проведением испытаний для гибких выводов – на многократные изгибы и растяжения для жестких – на сдвиг, для балочных – на изгиб и растяжение.

Испытания на герметичность осуществляется тремя основными методами: вакуум-жидкостным, радиоактивным, масс-спектрометрическим.

Вакуум-жидкостный метод основан на регистрации пузырьков воздуха, выходящих через неплотности в корпусах, погруженных в жидкость, в которых создается избыточное давление воздуха. В качестве жидкости используется вода или масло. Избыточное давление создается либо нагревом до температуры 100 – 120 ⁰С, либо закачиваем воздуха через специальное технологическое отверстие. Достоинство метода – он самый простой и легко реализуемый на практике. Недостаток – низкая чувствительность: он не позволяет обнаруживать неплотности малого проходного сечения.

Радиоактивный метод заключается в том, что ИМС помещаются в герметичную камеру, наполненную радиоактивным газом. После выдержки ИМС в течение некоторого времени газ удаляется из камеры, ИМС извлекается, и проводится проверка интенсивности их радиации. Если герметичность нарушена, то радиоактивный газ проникает внутрь ИМС, и после извлечения из камеры они будут давать интенсивное излучение. Достоинство метода – он намного более чувствительный, чем вакуум-жидкостный. Недостатки – высокая стоимость и опасность работы с радиоактивными материалами.

Масс-спектрометрический метод основан на воздействии гелия на корпус ИМС, удалении гелия с поверхности корпуса, и последующем обнаружении его утечек из корпуса с помощью гелиевых течеискателей. Ввиду высочайшей текучести гелия данный метод самый чувствительный. Недостаток метода – крайне высокая стоимость расходных материалов и аппаратуры контроля.

Электрические испытания проводятся в рабочих режимах для проверки работоспособности ИМС. Испытания проводятся путем электрической или термоэлектрической тренировки.

Электрическая тренировка ИМС проводится на специальных стендах при максимально допустимых режимах (напряжениях и токах) в течение заданного времени. При этом проводится контроль и регистрация параметров с помощью тестов.

Термоэлектрическая тренировка ИМС проводится в тепловой камере при максимально допустимых режимах в течение заданного времени. Обычно используются стенды, позволяющие проводить тренировку в широком диапазоне температур и электрических режимов.

Механические испытания заключаются в испытании на виброустойчивость, вибропрочность, ударную прочность, воздействие линейных нагрузок. Испытания проводятся при жестком креплении ИМС к платформе стенда так, чтобы воздействие нагрузки передавалось на ИМС с минимальной амортизацией. Направления усилий выбираются в наиболее опасных для ИМС направлениях. ИМС подвергаются контролю электрических параметров до воздействия, после воздействия, в некоторых случаях – во время воздействия.

Испытания на вибропрочность и виброустойчивость проводятся на вибростендах на фиксированной частоте или в диапазоне частот. Параметры вибрационных нагрузок (продолжительность, ускорение, и т.п.) устанавливаются в зависимости от категории испытаний.

Испытания на ударную прочность проводятся на ударных стендах, которые позволяют устанавливать среднее ускорение и длительность удара, режимы одиночного или многократных ударов. Параметры воздействий устанавливаются в зависимости от категории испытаний.

Климатические испытания включают испытания на теплоустойчивость, холодоустойчивость, влагоустойчивость, устойчивость к повышенному и пониженному атмосферному давлению, устойчивость к воздействию морского тумана. ИМС подвергаются контролю электрических параметров до воздействия, после воздействия, в некоторых случаях – во время воздействия.

Испытания на теплоустойчивость проводятся в камерах теплоты при максимально допустимом электрическом режиме. Время выдержки и температура определяются в ТУ и задаются в зависимости от категории испытаний. Обычно температура лежит в пределах 75 – 150 ⁰С, время выдержки – от нескольких часов до нескольких суток.

Холодоустойчивость определяется в камерах холода. Обычно температура лежит в пределах -40 - -60 ⁰С.

Устойчивость к смене температур определяется термоциклированием. При этом сначала ИМС помещается в камеру теплоты, температура в которой доведена до максимально допустимой, и выдерживается в течение 30 мин. Затем ИМС переносится в камеру холода, температура в которой доведена до минимально допустимой, и выдерживается в течение 30 мин. Обычно проводится три и более циклов испытаний.

Испытания на влагоустойчивость проводятся в камерах влажности в течение нескольких суток при температуре и влажности, заданных в ТУ.

Устойчивость к повышенному и пониженному атмосферному давлению проверяется в барокамерах, диапазон давлений которых лежит в пределах от 665 от 3∙10⁵ Па.

Устойчивость к воздействию морского тумана проверяется при температуре +20 - +30 ⁰С в камере, в которой созданы условия, имитирующие морской туман путем распыления растворов солей. Продолжительность воздействия обычно составляет несколько суток.

Радиационные испытания проводятся облучением ИМС заданной дозой излучений: гамма-излучения, потоком нейтронов, и т.д.

 

Основные принципы расчета надежности ИМС

 

Расчет надежности необходим для оценки эксплуатационных характеристик изделия на этапе его проектирования. Целью расчета является определение показателей безотказности: вероятности безотказной работы p(t) за определенное время t, интенсивности отказов l(t).

Вероятность безотказной работы p(t) – это вероятность того, что при заданных режимах работы в заданном промежутке времени отказ не возникнет. Статистически вероятность безотказной работы определяется как

где N1 – число ИМС, безотказно проработавших к моменту времени t, N – число изначально исправных ИМС.

 

В дополнение к вероятности безотказной работы вводится понятие вероятности отказа q(t) – это вероятность того, что отказ возникнет. Состояния исправности и отказа несовместимы, поэтому p(t)=1-q(t).

Интенсивность отказов l(t) – это условная плотность вероятности возникновения отказа в заданном промежутке времени. Статистически интенсивность отказов определяется как:

где Dt – длительность испытания.

Вероятность безотказной работы должна учитывать три вида отказов: внезапный a, постепенный b, перемежающийся c. При этом принимается допущение, что каждый вид отказа является независимым событием. Тогда вероятность безотказной работы с учетом всех видов отказов определяется:

Самым сложным элементом расчета является вероятность перемежающихся отказов: эта функция плохо поддается прогнозированию, поэтому она определяется экспериментально с учетом накопленного опыта проектирования и эксплуатации ИМС.

Для расчета надежности ИМС используются две группы методов: статистические и физические.

Статистические методы используют традиционный подход к расчету надежности РЭА на основе статистической теории надежности без учета специфики технологии ИМС.

Физические методы основаны на выявлении физических причин и механизмов отказов ИМС и их взаимосвязи с надежностью ИМС. Такой подход учитывает такие особенности, как интегрально-групповой метод изготовления ИМС, позволяет определять влияние отклонений в ходе технологического процесса на надежность ИМС.

 

Статистический метод расчета по внезапным отказам

 

ИМС рассматривается как функциональный узел, состоящий из разнородных «дискретных» элементов. Расчет надежности базируется на построении функционально-надежностных схем, элементами которых являются компоненты ненадежности с известной надежностью. Функционально-надежностная схема может быть последовательной, параллельной, последовательно-параллельной. Если предположить, что отказ одного из элементов приводит к отказу ИМС, то функционально-надежностная схема будет последовательной. Тогда интенсивность отказов ИМС определяется суммированием интенсивностей отказов ее элементов. В качестве компонентов ненадежности выступают элементы и компоненты схемы и элементы конструкции.

Влияние воздействия эксплуатационных факторов учитывается с помощью коэффициентного метода. Интенсивность отказа отдельного компонента l_i определяется как:

где a_i – коэффициент, учитывающий влияние температуры, k₁ – коэффициент, учитывающий влияние механической нагрузки, k₂ – влажности, k₃ – атмосферного давления, k₄ – электрической нагрузки l_0i – интенсивность отказов компонента при нормальных условиях и номинальном электрическом режиме. Значения коэффициентов находятся по номограммам, построенным на основе накопленного опыта проектирования и эксплуатации ИМС. Коэффициент нагрузки k₄ находится путем анализа (моделирования) схемы электрической принципиальной.

Расчетное значение вероятности безотказной работы за время t определяется как:

где l_å - интенсивность отказов ИМС.

Таким образом, порядок расчета выглядит следующим образом:

1. Построение функционально-надежностной схемы, определение однотипных компонентов ненадежности. Например, для ГИС компонентами ненадежности будут: транзистор, диод, резистор, конденсатор, полупроводниковая микросхема, контактная площадка, соединение, вывод, навесной элемент.

2. определение интенсивности отказов компонентов ненадежности по справочным данным при нормальных условиях l_0i.

3. Расчет (моделирование) электрического режима, определение по номограммам коэффициента нагрузки каждого компонента ненадежности.

4. Определение по номограммам коэффициентов воздействующих эксплуатационных факторов

5. Расчет суммарной интенсивности отказов ИМС, вероятности безотказной работы ИМС.

Допущения, принятые при таком расчете, существенно искажают прогнозирование надежности разрабатываемой ИМС. Даже при высокой достоверности исходных данных точность расчета может оказаться неприемлемой. Кроме того, экспериментальная проверка полученных результатов сопряжена с целым рядом трудностей. Если предположить интенсивность отказов l порядка 10^-8 1/ч (что характерно для современных ИМС), то при этом средняя наработка на отказ будет порядка 10000 лет. Для подтверждения такой l с достоверностью 0.95 требуется проведение испытаний партии ИМС в количестве 30000 шт. в течение 100 лет. То есть, требуемый объем выборки получается сравним с общим объемом производства или даже больше него.

В настоящее время статистические методы применяются для приблизительной оценки надежности проектируемой ИМС по сравнению с аналогами, а также для расчета надежности сравнительно простых ГИС.

 

Физический метод расчета по внезапным отказам.

 

Анализ отказов ИМС показывает, что основными источниками отказов являются невыявленные нарушения технологических процессов изготовления. В то же время, применение типовых технологических процессов делает целесообразным оценивание надежности технологически однотипных ИМС. То есть, при построении функционально-надежностной схемы выделение компонентов ненадежности производится по технологическим операциям изготовления. Экспериментальная оценка надежности проводится для данной последовательности технологических операций, и полученные данные распространяются на всю серию технологически однотипных ИМС. Приведенные соображения могут быть сформулированы в виде следующих положений:

7. Получение данных о надежности ИМС, особенно СБИС, путем прямых статистических испытаний практически невозможно;

8. Практика показывает, что надежность ИМС слабо зависит от числа элементов, но в значительной степени определяется качеством технологического процесса;

9. Типовые технологические процессы обладают сравнительным постоянством и высокой повторяемостью, что позволяет распространять информацию о надежности на все технологически однотипные ИМС.

Для полупроводниковой ИМС определяются следующие компоненты ненадежности:

1. Дефекты диффузии (на одной стадии) – l_0диф=0.42∙10^-9 1/ч;

2. Дефекты металлизации – l_0мет=3.4∙10^-9 1/ч (на 1мм² площади кристалла);

3. Дефекты оксида – l_0ок=1∙10^-8 1/ч (на 1 мм² площади кристалла);

4. Дефекты поверхностных и структурных дефектов кристалла – l_0кр=0.57∙10^-9 1/ч (на 1 мм² площади кристалла);

5. Дефекты от посторонних включений в корпусе – l_0пв=0.65∙10^-89 1/ч (на 1 мм² площади кристалла);

6. Дефекты из-за некачественного крепления кристалла – l_0крепл=6∙10^-9 1/ч;

7. Дефекты из-за обрыва сварного соединения – l_0с=0.37∙10^-9 1/ч;

8. Дефекты из-за повреждения корпуса – l_0корп=8∙10^-9 1/ч – для пластмассового корпуса, l_0корп=1.5∙10^-9 1/ч – для металлокерамического корпуса.

На основе приведенных данных рассчитываются интенсивности отказов элементов:

металлизации:

кристалла:

где S_эл, S_мет, S_кр – площади элементов, металлизации, кристалла соответственно, Nдиф – количество операций диффузии.

 

Итак, выделено пять компонентов ненадежности: элементы, металлизация, кристалл, корпус, сварные соединения. Для каждого компонента ненадежности интенсивность отказов определяется как:

где a_i – коэффициент, учитывающий влияние температуры, k₁ – коэффициент, учитывающий влияние механической нагрузки, k₂ – влажности, k₃ – атмосферного давления, k₄ – электрической нагрузки l_0i – интенсивность отказов компонента при нормальных условиях и номинальном электрическом режиме, n_i – число элементов данного типа с одинаковым режимом работы. Значения коэффициентов находятся по номограммам, построенным на основе накопленного опыта проектирования и эксплуатации ИМС.

Далее делается допущение о том, что время появления внезапного отказа распределено по экспоненциальному закону. При этом интенсивность отказов ИМС определяется суммой интенсивностей отказов компонентов ненадежности:

Для заданного времени t определяется вероятность безотказной работы:

Статистический метод расчета надежности ИМС по постепенным отказам

 

Постепенные отказы проявляются в уходе параметров ИМС за пределы допусков. Эти изменения могут быть обратимыми и необратимыми. Обратимые изменения вызваны влиянием температуры, влажности, изменением давления, и т.п. Необратимые изменения вызваны старением материалов. Цель расчета надежности по постепенным отказам – определение эксплуатационного допуска на воздействующие факторы для учета обратимого изменения параметров и определение производственного допуска на параметры элементов и компонентов ИМС для учета старения. Расчет может производиться для наихудшего сочетания параметров (метод наихудшего случая), либо вероятностным методом.

Метод наихудшего случая сводится к суммированию допусков на параметры элементов и компонентов ИМС, что соответствует самому неблагоприятному их сочетанию. Уравнение погрешностей имеет вид:

где y – номинальное значение выходного параметра, x_i – параметр i-го элемента или компонента ИМС, Dx_i, Dy – отклонения параметров от номинальных значений, A_i – коэффициент влияния погрешности параметра x_i на погрешность выходного параметра y. Таким образом, поле допуска выходного параметра y определяется как:

где d_i – поле допуска на параметр i-го элемента или компонента.

 

Виды и методы контроля качества

 

Цель контроля – проверка параметров ИМС и технологических процессов заданным техническим требованиям. Контроль технологических операций может осуществляться либо путем контроля параметров технологического режима (температуры, давления, и т.п.), либо путем измерения параметров структуры, сформированной в ходе данного технологического процесса. Производственный контроль изготовляемых структур осуществляется следующим образом:

1. Входной контроль материалов, полуфабрикатов, комплектующих.

2. Пооперационный (послеоперационный) контроль проводится с целью контроля качества проводимой операции. Он может проводиться в ходе, либо после выполнения операции.

3. Финишный контроль проводится при завершении определенного этапа изготовления ИМС. Это может быть контроль пассивных элементов ГИС, контроль полупроводниковых ИМС на неразделенной пластине, и т.д.

4. Контроль готовых ИМС осуществляется путем проведения испытаний на качество и функциональных испытаний ИМС.

Пооперационный контроль может осуществляться путем измерения параметров изготовляемых ИМС, либо тестовых структур. Актуальность применения тестовых структур существенно возрастает при увеличении степени интеграции, когда визуальный контроль сформированных слоев малоэффективен, а электрический – практически неприменим. В то же время, интегрально-групповой метод позволяет распространять данные, полученные в результате единичных измерений, на всю партию. При этом возникает задача формирования тестовой схемы, результаты испытаний которой позволяют адекватно оценить качество технологической операции. Конструктивно тестовые схемы реализуются в виде тестовых ячеек на кристалле, тестовых кристаллов на пластине, тестовых пластин. Тестовая схема должна удовлетворять следующим требованиям:

1. У тестовой схемы должен быть один порядок плотности упаковки по сравнению с изготовляемой ИМС;

2. Тестовая схема должна содержать все конструктивные элементы изготовляемой ИМС;

3. Тестовая схема должна обеспечивать автоматизированный контроль параметров каждого элемента;

4. Тестовая схема должна иметь высокую чувствительность к отклонениям параметров технологических процессов.

Тестовая схема может включать в себя элементы физической структуры и функциональные элементы. Элементы физической структуры представляют собой сочетание слоев и областей ИМС. Измерение электрических параметров этих областей (емкости, сопротивления, и др.) позволяет контролировать параметры структурных элементов ИМС: диффузионных и эпитаксиальных слоев, слоя окисла, и др. Функциональные элементы представляют собой фрагменты ИМС. например транзистор, усилительный каскад, логический элемент.

Финишный контроль проводится, как правило, на специализированных автоматизированных стендах. Цель финишного контроля – определения работоспособных элементов и отсечение ИМС с неисправными элементами по принципу «годен – не годен». При этом важно минимизировать число измеряемых параметров, набор которых позволяет однозначно идентифицировать неисправный элемент. Задача осложняется тем, что элементы и компоненты ИМС соединены между собой, при этом требуется учет шунтирующего влияния внешней цепи на контролируемый параметр.

Элемент или компонент ИМС может описываться системой статических, либо статических и динамических параметров. Измерение статических параметров сводится к методу вольтметра-амперметра. Измерение динамических параметров требует формирования специального зондирующего сигнала – в зависимости от конкретной специфики это может быть гармоническое колебание высокой частоты, короткие импульсы, меандр, и др.

Функциональный контроль заключается в подаче на входы ИМС набора тестовых сигналов. Сигналы с выходов ИМС сравниваются с эталонными сигналами. При возрастании функциональной сложности ИМС приходится разрабатывать наборы тестов, каждый из которых тестирует определенную функциональную часть ИМС. Результат теста должен однозначно идентифицировать ИМС по критерию «годен – не годен».

 

Оценка стоимости ИМС

 

Затраты на производство ИМС определяются следующими основными статьями расходов:

1. Разработка ИМС

2. Технологическое оборудование

3. Материалы и полуфабрикаты

4. Изготовление

5. Контроль качества

6. Испытания

Такая структура расходов характерна как для полупроводниковой, так и для гибридной технологии. В то же время относительный «вес» каждой статьи может существенно отличаться. Анализ структуры расходов на производство ИМС производится для решения следующих задач:

1. Выбор и обоснование технологии производства ИМС заданного назначения (сравнительный анализ стоимости полупроводниковой и гибридной технологий)

2. Оптимизация конструктивных параметров разрабатываемой ИМС для заданной технологии производства исходя из наименьшей стоимости

3. Оценка экономически оправданного объема производства

4. Расчет стоимости производства ИМС.

 

Сравнительный анализ стоимости изготовления по полупроводниковой и гибридной технологий

 

Допустим, имеется схема, которая может быть реализована на основе либо полупроводниковой, либо гибридной технологий. Задача состоит в том, чтобы выбрать технологию, с помощью которой схема реализуется с наименьшими затратами. При этом наибольшее влияние на разницу в стоимости оказывает стоимость изготовления ИМС. Остальные статьи расходов будем считать приблизительно одинаковыми.

Технологический процесс включает в себя цикл операций групповой обработки пластин или подложек (диффузия, эпитаксия, травления, напыление, и .т.п.), и цикл операций штучной обработки ИМС (монтаж кристалла, сборка). Относительная стоимость ИМС после каждой технологической операции определяется выходом годных структур. С учетом этого стоимость изготовления ИМС в общем случае можно определить как:

где C – стоимость изготовления ИМС, Cгр – стоимость изготовления на операциях групповой обработки, N – число элементов в группе (число кристаллов на пластине или мультиплицированных подложек), P1 – процент выхода годных после цикла групповых операций, Cшт – стоимость изготовления на операциях штучной обработки, P2 – процент выхода годных после цикла штучных операций.

В общем случае выход годных структур зависит прежде всего от сложности технологического процесса. Чем ниже требования к точности режимов обработки и чем меньше число операций, тем выше процент выхода годных. Поэтому процент выхода годных гибридных ИМС будет всегда больше, чем полупроводниковых, поскольку гибридная технология проще.

При реализации ИМС с небольшой степенью интеграции получается, что возможности полупроводниковой технологии недоиспользуются, т. е. на кристалле расположено небольшое число высоконадежных элементов, для изготовления которых используются высокоточные дорогие технологические процессы. В случае гибридной технологии используются менее дорогие и сложные тех. процессы, кроме того, процент выхода годных будет больше, поэтому гибридная технология оказывается дешевле.

Для реализации ИМС с высокой степенью интеграции гибридная технология непригодна, поскольку она не позволяет достичь требуемой надежности, поэтому полупроводниковая технология оказывается единственно возможной.

 

Оптимизация конструктивных параметров ИМС

 

Допустим, имеется технологическое оборудование, которое позволяет создавать структуры с некоторыми заданными параметрами по размеру элементов, надежности, выходу годных, и т.п. Требуется оценить конструктивные параметры ИМС (степень интеграции, размер кристалла), при которых обеспечивается их наименьшая стоимость.

Экономически оптимальная сложность ИМС определяется исходя из стоимости изготовления при заданном уровне производства. Уровень производства достаточно объективно оценивается по критерию выхода годных структур. Выход годных, в свою очередь, определяется сложностью технологического процесса, и в конечном итоге, размерами элементов и количеством элементов на пластине. Экономический оптимум оценивается по удельной стоимости ИМС:

где n – степень интеграции, C₀ – удельная стоимость ИМС, a_эл – средняя площадь элемента, A – площадь кристалла или подложки, A₀ – площадь свободного места на кристалле или подложке.

Гибридная технология характеризуется небольшим количеством групповых операций и высоким выходом годных на каждой операции, поэтому удельная стоимость ГИС с ростом числа элементов растет практически пропорционально. Вклад стоимости штучных операций очень большой, поэтому в случае увеличения выхода годных подложек после групповых операций стоимость ИМС уменьшится незначительно. В то же время снижение выхода годных ИМС после сборочных операций приводит к пропорциональному увеличению стоимости ИМС.

В случае полупроводниковой технологии основной вклад в стоимость вносят групповые операции. Если предположить, что вероятность появления дефекта после групповых операций распределена по нормальному закону, то выход годных кристаллов на пластине определяется как:

где Aпл – площадь пластины, Aкр – площадь кристалла, d – плотность дефектов на пластине. Тогда выражение для удельной стоимости будет иметь вид:

Зависимость удельной стоимости ИМС от площади при различной плотности дефектов и различной стоимости штучных операций можно изобразить в виде сечений функции (*), как показано на рис (). Таким образом можно оценить площадь ИМС, при которой на заданном технологическом уровне достигается наиболее низкая стоимость.

 

Оценка экономически оправданного объема производства

 

Изменение объема производства приводит к относительному перераспределению затрат в структуре расходов.

Для ППИМС стоимость изготовления за счет автоматизации по сравнению с другими статьями невысока. Поэтому при малом объеме выпуска стоимость ППИМС оказывается крайне высокой за счет высокой стоимости разработки и технологического оборудования. При росте объемов производства вклад стоимости оборудования в стоимость каждой ИМС уменьшается, что приводит к значительному снижению стоимости ППИМС.

Для производства ГИС используется универсальное малоавтоматизированное оборудование, поэтому ГИС при росте объемов производства стоимость ИМС уменьшается незначительно.

Приведенные соображение иллюстрируются рис. ().

Таким образом, можно сказать, что область применения ГИС – это ИМС невысокой степени интеграции, для которых не требуется большой объем выпуска. Область применения ППИМС – это ИМС высокой степени интеграции, ИМС массового применения, для которых необходим большой объем выпуска.