|
| |
|
Главная Журналы в процессе изготовления резисторов возможно уменьшение сечения резистивной пленки из-за дефектов подложки или фоторе-зйстивной маски. В областях дефектных участков резистивной пленки возникает локальное повышение плотности тока и из-за перегрева слабые участки выгорают. При термических воздействиях (пайке, герметизации, испытаниях на термоциклирование) из-за разницы температурных коэффициентов линейного расширения материалов резистивной пленки, подложки и защитного покрытия возникают сдвиговые механические напряжения, вызывающие разрушение пленок. Возможно появление трещин в резистивной пленке или ее отслаивание от подложки вследствие нарушения технологии подготовки поверхности или технологии напыления. В результате деградационных процессов возможно как увеличение, так и уменьшение сопротивления резистивной пленки. Недостаточная эффективность защитного покрытия способствует проникновению кислорода в поверхностный слой резистивной пленки - поверхность зерен резистивного материала покрывается пленкой окисла. Между зернами образуются изолирующие прослойки, увеличивающие сопротивление пленки. Рекристаллизация пленки, снятие остаточных внутренних напряжений, рост структурной гомогенности пленки в результате воздействия температуры и электрического тока с течением времени приводят к уменьшению сопротивления резистивных пленок. В пленках многокомпонентных сплавов и керметов происходят различные физико-химические ироцессы, приводящие к изменению фазового состава и соответственно проводимости пленок. Загрязнения пленок различными примесями являются источниками химической, а при наличии влаги и злектрохимичеакой коррозии материала резистивных пленок и контактных площадок в процессе Эксплуатации микросхем. При этом из-за мигр-ции ионов по увлажненной поверхности могут возникнуть как обрклы, так и короткие замыкания резисторов. Для создания высоконадежных пленочных резисторов необходимо применять подложки с гладким рельефом, устранять источники загрязнения при выполнении подготовительных операций и при напылении, создавать качественные покрытия резистивных пленок и контактов, осуществлять надежную герметизацию ИС. Недостаточно высокая электрическая прочность диэлектрических пленок и изменение их свойств в процессе эксплуатации и хранения ИС определяет низкую надежность тонкопленочных конденсаторов. В областях дефектов диэлектричеоких пленок (поры, трещины, включения) или микровыступов обкладок наблюдается повышение напряженности электрического поля. При высоких ее значениях происходит пробой диэлектрика, в результате которого возможно повышение токов утеч1ки или полное короткое замыкание обкладок, разрушение подводящих проводников при чрезмерном токе пробоя или частичное выгорание металла обкладок, сопровождающееся уменьшением их эффективной площади. Короткое замыкание обкладок возможно также и в результате образования короткозамыкающих «мостиков» вследствие диффузии атомов материалов обкладок по порам диэлектрика. Окислительно-восстановительные процессы, происходящие в области границы раздела металл - диэлектрик, приводят к окислению обкладок и, следовательно, повышению эффективной толщины диэлектрика. В системе А1-SiOz-А1 возможно накопление и диффузия восстановленного кремния в глубь диэлектрика. При этом повышается степень его неоднородности. Для повышения надежности конденсаторов необходимо обеспечить высокое качество поверхности подложек; применять диэлектрики с бездефектной структурой (равномерная толщина, отсутствие пор, упорядоченная структура); использовать материалы обкладок с пониженной миграционной способностью атомов. Из-за некачественных контактов происходят в основном внезапные отказы. В результате объемной и поверхностной диффузии одного материала в другой в области контакта и в приграничных областях контактирующих материалов образуются скопления вакансий (пор), которые со временем приводят к появлению пустот и в итоге к разрыву проводников. Интегральное скопление вакансий на одном электроде может образоваться из-за разницы коэффициентов диффузии контактирующих материалов. Возможно отслаивание и механическое разрушение металлизации и контактных площадок в результате термического воздействия, сопровождающегося повышением сдвиговых механических напряжений в пленках. Отказы навесных активных компонентов происходят как из-за дефектов и деградационных физико-химических процессов в объеме полупроводника, на границе раздела полупроводник - окисел (ЗЮг), в окисной плевке, н коммутационных проводниках и контактах, так и из-за нарушения электрического контакта жестких выводов с металлизацией и обрыва проволочных выводов. В объеме полупроводникового кристалла могут наблюдаться различные структурные несовершенства в виде дислокаций, трещин, механпческих напряжений и т. п. Эти несовершенства, развивающиеся под воздействием термических и механических нагрузок, могут существенно изменять параметры дискретных полупроводниковых приборов и активных элементов полупроводниковых ИС. Основная часть отказов, вызванных деградационными явлениями, связана с изменением состояния поверхности раздела полупроводник- окисел. Вблизи границы раздела как в окисной пленке, так и в объеме полупроводникового материала существуют заряды, величина и пространственное положение которых зависят от многих технологических факторов: температуры, электрического поля, влажности и др. Образующиеся поверхностные заряды вызывают изменения проводимости полупроводников и скорости поверхностной рекомбинации. Это приводит к увеличению обратного тока и уменьшению напряжения пробоя р - п-пе- реходов из-за сужения переходов вблизи поверхности, ухудшению усилительных свойств транзисторов вследствие образования инверсионных каналов, увеличению уровня шумов и т. д. Контакты полупроводниковых ИС формируются при достаточно высоких температурах -300 ...500° С. При таких условиях на границах раздела контактирующих материалов возможно образование интерметаллических соединений, которые характеризуются повышенной хрупкостью, что снижает механическую прочность контактов. Отказы в коммутационных проводниках возникают из-за электродиффузии при высоких плотностях токов (более 10 А/мм) и взаимодействия металла с окислом на участках с очень тонкой металлизацией. Такие участки образуются в окнах диэлектрических слоев при одно- и многослойной металлизации. Надежность беокорпусных полупроводниковых приборов с проволочными выводами существенно зависит от физических свойств герметизирующего компаунда. Из-за разницы температурных коэффициентов линейного расширения кристалла, проволочных выводов и компаунда возможны обрывы проволочных выводов в области контакта. Это ограничивает уровень максимальной-рабочей температуры бескорпусных полупроводниковых приборов. Обеспечение высокой надежности в процессе проектирования и производства микросхем. Прогнозирование качества и надежности. Отказы ИС могут возникать в результате нарушения установленных правил и норм конструирования (конструкционный отказ) и нарушения установленного процесса изготовления (производственный отказ). При проектировании элементов ИС учитывают нагрузочные характеристики материалов (рабочая напряженность электрического поля, допустимая йлотность тока, допустимая удельная мощность рассеяния, допустимые механические напряжения), температурные коэффициенты, коэффициенты старения и конструктивно-технологичеокие ограничения (минимальные размеры элементов, расстояния между элементами, точность геометрических размеров элементов и др.), определяемые видом технологических процессов и современным уровнем технологии. Неправильный выбор нагрузочных характеристик материалов приводит к снижению надежности как по внезапным, так и по постепенным отказам. Поэтому на этапе проектирования ИС повышенной надежности выбирают достаточно низкие коэффициенты использования нагрузочных характеристик [материалов. Заданное функциональное преобразование и чувствительность функции к температурным и временным изменениям параметров элементов (надежность по постепенным отказам) определяются качеством отработки схемы, температурными коэффициентами и коэффициентами старения выбираемых материалов. В процессе проектирования схемы должен осуществляться тщательный просчет заданного функционального преобразования с помощью ЭВМ. Производственная надежность определяется уровнем технологии и технологической дисциплины, качеством и эффективностью входного контроля и контроля технологии на всех этапах технологического процесса, степенью автоматизации производственных процессов и контрольных операций, квалификацией персонала, наличием и эффективностью системы отбраковки потенциально ненадежных образцов, эффективностью контроля качества и надежности. Для отбраковки потенциально ненадежных ИС используются визуальный контроль монтажа открытых микросхем с помощью микроскопов, испытания на герметичность, на воздействие линейных ускорений, термоциклирование, термоэлектротре-нировки и др. Для прогнозирования качества и надежности микросхем используют математические и физические методы. Математическое прогнозирование осуществляется с помощью математических моделей. Достоверное моделирование может быть выполнено при наличии исходной статистической информации об изменениях параметров материалов и элементов в условиях эксплуатации микросхем. Физическое прогнозирование качества и надежности ИС осуществляют обычно неразрушающими методами, к которым относятся; электрофизические методы, методы определения тепловых полей с помощью ИК радиометра, потенциальных полей, шумов активных и пассивных элементов. Электрофизические методы прогнозирования качества ИС предполагают использование достаточно сильных корреляционных связей между некоторыми электрофизическими параметрами и характеристиками материалов (температурные коэффициенты, спектральные характеристики таковых шумов, напряжения начала ионизации и т. п.) и надежностью. Эти взаимосвязи устанавливаются на основании результатов предварительных статистических испытаний. При прогнозировании показателей качества испытаниям подвергают пленочные элементы модулей-свидетелей, которые изготовляют одновременно с рабочими модулями. Для повышения эффективности прогнозирования применяют ускоренные испытания с повышением электрической нли тепловой нагрузки. § 3.6. Оценка технико-экономических показателей гибридных ИС Стоимость ИС в значительной степени определяется конструктивно-технологическим вариантом ее реализации. При изготовлении ИС применяются групповые и индивидуальные технологические операции. С помощью групповых технологических процессов изготовляют все пассивные элементы и коммутационные Проводники. Установку и монтаж кристаллов аа платах и плат в корпуса, герметизацию ИС обычно осуществляют индивидуально. После определенного цикла технологических операций часть заготовок идет в брак. Выход годной продукции на (-й операции оценивается коэффициентом выхода годных = Ягод/(Ягод + «бр). (3.6.1) где Ягод - количество годных изделий (заготовок); Пбр - количество бракованных изделий (заготовок). Коэффициент выхода годных является вероятностной величиной. Под pi мы будем понимать математическое ожидание этой величины. Стоимость бракованных изделий обычно переносится на стоимость годных изделий. После выполнения t-й операции полная стоимость заготовки Cii, = (C(. ,)„-f СО/РЬ (3.6.2) где C(i-i)n - полная стоимость заготовки после проведения (i-1)-й операции; Ci - расходы на одну заготовку при выполнении i-й операции. Рассмотрим методику оценки стоимости ИС на примере БГИС с однородной структурой как наиболее характерной для цифровой аппаратуры. Для этого условно разделим технологический процесс изготовления БГИС на два вида (рис. 3.6.1): комплекс групповых технологических процессов (ГТП), связанных с изготовлением плат, и процессы сборки и монтажа. ЛпЛз пл" уггПодложт Плата □ □ООО "кр- 4+f 11 Групподые тех-HonoBi/vecHi/e процессы 1н.: Сбор на и монтаж Q 1и -!монтаж\ W 5раи □ □ □ □ о ир о « Сборка и мочтож Рис. 3.6.1. Упрощенная модель для анализа стоимости БГИС На групповые технологические процессы (ГТП) поступает Лп подложек стоимостью Сп каждая с общей стоимостью Спобщ=ПпСп. На каждой подложке располагается Пзпл заготовок коммутационных плат. Групповые технологические процессы обеспечивают выход годных плат рпл=Ргр- Количество годных плат /гпл=ПпПз плрпл. При этом полная стоимость одной платы Cjjjj = Спл гр/Яп пл Р-ая - nnlPuii (3.6.3) где Спя гр - затраты на обработку партии из ПпПзпл заготовок плат с учетом стоимости подложек; Спл-затраты на изготовление одной коммутационной платы. Если на подложке формируется одна коммутационнаи плата, то /1з пл =1. На сборку БГИС поступают годные платы, кристаллы и корпуса. На одну БГИС расходуется n„p кристаллов стоимостью Скр. В процессе монтажа кристаллов возможны их отказы. Расходы на замену негодных кристаллов относятся на стоимость кристаллов. Полные расходы на монтажно-сборочные операции с учетом стоимости корпуса С„ можно представить в виде Ссб = Скр Пкр + См кр %P+Cy ПЛ+См в «в + Ск + Сг = Скр п "кр+См г к> (3.6.4) где См нр - стоимость монтажа одного кристалла; Су пл - стоимость установки платы в корпусе; Пв, См в-количество выводов платы и стоимость монтажа одного вывода; Сг -стоимость герметизации; Скр п = Скр-f См кр - стоимость кристалла с учетом расходов на монтаж; См г к=Су плЧ-См вПв-f СкЧ-Сг- стоимость монтажа платы в корпусе и сборки микросхемы (заключительные монтажно-сборочные операции) с учетом стоимости корпуса. Полная стоимость БГИС определяется по формуле = (Спл/Рпл + Ссб)/Рсб. (3.6.5) где рсб -коэффициент выхода годных при сборке. При увеличении степени интеграции БГИС ее стоимость растет, так как увеличиваются затраты на кристаллы, изготовление плат, сборку и монтаж и уменьшается выход годных изделий. Однако затраты, приходящиеся на один кристалл С jjg=C /n„D сложным образом зависят от количества кристаллов в БГИС. Типичная зависимость С„„ =Р(пкр) имеет минимум, свидетельствую- щий о наличии оптимальной сложности конструкции микросхемы для конкретного производства. Уровню Сис mm соответствует оптимальное количество кристаллов Пкр opt. Рассмотрим более подробно методику определения составляющих выражения (3.6.5). Стоимость платы. Для,БГИС с однородной (регулярной) структурой можно полагать, что стоимость платы пропорциональна количеству кристаллов: Спл - Спл «кр > (3.6.6) где Спл - удельные затраты на один кристалл. Выход годных плат. В процессе изготовления тонкопленочных коммутационных плат основной причиной брака являются короткие замыкания в областях пересечений проводников различных слоев. Суммарная площадь пересечений, чувствительная к проколам в изолирующем слое, определяется площадью пересечений Sa и их количеством пя: Sqya = 5и Пи = «и Ь где b - ширина пленочного проводника. Дефекты-проколы в изолирующем слое распределены по поверхностям плат хаотически со средним числом проколов на единицу площади dn. Пусть в процессе производства изготавливается партия из п плат (рис. 3.6.2,а). Каждая плата на фиксированной площади 5,ув имеет случайное коли- Рис. 3.6.2. Примерная картина распределения дефектов на чувствительной к проколам площади 5чув. в партии из N плат (а) и модель простейшего потока событий (б)
Y /С Я; =2 »2=/7 х-т щ=0 Him Х-Х-Н 1-1 Ь>««««К-1 I---i l-JfHXXXH Ь-х-Е чество дефектов (проколов) х, определяемое рядом целых чисел /п=0, 1, 2, 3, ... (/п=0 -дефекты отсутствуют). Возникновение дефектов (проколов) на 5чув в процессе производства можно рассматривать как поток редких событий (рис. 3.6.2,6). Для такого потока событий случайная величина х подчиняется распределению Пуассона: Рт (5чув) - (dn Sy)m exp ( -dn 5чув). (3.6.7) Выражение (3.6.7) определяет вероятность обнаружения (появления) т дефектов на площади 5чув. Если обозначить Nm количество плат с т дефектами (проколами) на площади 5чув в конкретной партии из N плат (рис. 3.6.2,а), то вероятность попадания т дефектов на площадь 5чув можно определить как отношение благоприятного количества событий Nm к полному числу событий N: Рт= - Рш (5чув) = ехр ( - dn S.b) . N т\ Для /п=0 это соотношение дает выход годных плат: Рпл = Р*о = NJN л; Ро (5чув) = ехр (- dn 5чув). (3.в.8) Из (3.6.8) видно, что вероятность выхода годных плат уменьшается с увеличением площади, чувствительной к проколам. Если предположить, что эта пло- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [ 18 ] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||