114

Глава 5 ОТБРАКОВОЧНЫЕ ИСПЫТАНИЯ – СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПАРТИЙ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

5.1СОСТАВ ОТБРАКОВОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ

К качеству и надежности интегральных микросхем предъявляются очень высокие требования независимо от того, в какой радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) они будут применены: для комплектации ракет, авиационных объектов, атомных электростанций или в телевизорах, видеомагнитофонах. Подсчитано, что если дефектные ИЭТ составляют 2% в партии, то это приводит в среднем к работоспособности только 72% изготовляемой РЭА [16]. Расходы на восстановление РЭА при отказе ИЭТ в эксплуатации выше на порядок, чем расходы на восстановление работоспособности аппаратуры при ее изготовлении.

Надежность ИЭТ при эксплуатации характеризуется кривой зависимости интенсивности отказов от времени (рис. 4). Данная кривая показывает относительно высокую интенсивность отказов в период ранних отказов (период приработки), сравнительно низкую и стабильную интенсивность отказов в период эксплуатации, и возрастающую интенсивность в период износа (примерно после 25 лет нормальной работы). Ранние отказы возникают, как правило, вследствие конструкторских и технологических недостатков. В нормальных условиях работы этот период длится до 1000 ч или примерно 6 недель. На окончание этого этапа указывает выравнивание кривой интенсивности отказов. Интенсивность отказов в период приработки имеет тенденцию к уменьшению по мере усовершенствования конструкции и технологии.

В настоящее время общеприняты два основных направления увеличения надежности выпускаемых ИЭТ:

•устранение причин отказов при изготовлении изделий путем изучения, усовершенствования производственного процесса и повышения контроля, т.е. воздействие на процесс производства посредством обратной связи передачи информации и создания в конечном счете бездефектной технологии;

115

•выявление и удаление изделий с отказами (действительными и потенциальными) из готовой партии до поставки потребителю.

Наиболее эффективным методом повышения качества и надежности выпускаемых изделий является первый метод.

Известно, что отказы возможны даже в хорошо освоенном производстве. По этой причине распространенным способом - повышения качества и надежности выпускаемой партии ПП и ИС (а не конкретно каждого изделия) является проведение отбраковочных испытаний в процессе выходного контроля этих партий на заводе-изготовителе.

Считается, что случайных отказов ИЭТ не бывает, каждый отказ имеет причину и является следствием приложения некоторой нагрузки. "Слабые" ИЭТ, которые остались не выявленными к началу эксплуатации, могут явиться причиной отказов РЭА. Для того чтобы отбраковочные испытания были эффективными, нужно знать, какие нагрузки и как ускоряют появление отказов. Опыт использования ИС в РЭА показывает, что внедрение отбраковочных испытаний существенно повышает средний уровень их надежности.

В табл. 24 даны характеристики отдельных видов отбраковочных испытаний, преимущества и недостатки этих испытаний. Многие различные по природе слабые места приводят к одним и тем же механизмам отказов, многие одинаковые механизмы отказов ускоряются различными нагрузками и многие различные механизмы отказов - одними и теми же нагрузками. В частности, работа ИС при повышенной температуре и термоциклы ускоряют многие механизмы отказов. Повышенные температуры вызывают ускоряющие ряды химических реакций, ведущих к усилению коррозии, старению, ухудшению изоляции, способствуют снижению пробивного напряжения, растрескиванию пластмассы, увеличению токов утечки.

116

Таблица 24 Механизмы отказов, выявляемые при отбраковочных испытаниях ИС

Процессы, приводящие к отказам, ускоряются при повышении температуры по экспоненциальному закону вида:

где Еа - энергия активации дефекта; k - постоянная Больцмана;

Тпер - температура перехода;

Тпер.п - температура перехода повышенная.

Основная идея ускорения процессов развития потенциальных дефектов базируется на том факте, что скорость развития дефектов оказывается существенно различной при различных по своей физической природе, интенсивности и продолжительности дестабилизирующих воздействий. Выбор физической при-

117

роды ускоряющих воздействий может быть сделан на основании результатов анализа взаимосвязей между возможными физическими и физико-химическими процессами и явлениями, внешними условиями их развития с учетом специфики конкретных типов и классов элементов РЭА. Исследованиями доказано, что термо- и электромагнитные факторы оказывают влияние на кинетические закономерности развития, практически, всех возможных процессов и явлений и поэтому могут рассматриваться как наиболее приемлемые ускоряющие воздействия.

Из этого не следует делать вывод о том, что указанные способы интенсификации физических (физико-химических) процессов - единственные, так как в ряде случаев, например, механические или радиационные факторы оказываются не менее эффективными с точки зрения ускорения развития потенциальных дефектов. Термо- и электромагнитные факторы, кроме универсальности их характера, наиболее доступны и поэтому получили наибольшее распространение.

К числу физических (физико-химических) процессов, кинетика которых изменяется при изменениях температуры (так называемые термоактивационные процессы), могут быть отнесены;

¾диффузионные процессы в объеме и на поверхности твердых тел;

¾диффузионные процессы в гетерогенных системах;

¾химические реакции;

¾сорбционные процессы;

¾электролитические процессы;

¾сублимационные процессы;

¾перемещение и скопление точечных дефектов и дислокаций в кристаллических твердых телах;

¾разрывы межатомных связей;

¾разрывы связей макромолекул в полимерных материалах;

¾процессы ионизации и смещения атомов в кристаллических решетках в результате воздействия потоков ускоренных частиц и т. д.

118

Каждому физическому (физико-химическому) процессу соответствует некоторое минимальное значение энергии (так называемая энергия активации), при воздействиях которой процесс не происходит или, в терминах неравновесной термодинамики, термодинамическая система не отклоняется от состояния стационарного равновесия.

Иными словами, в физико-химических процессах могут участвовать только те микрочастицы (молекулы, атомы, электроны, ионы и т. д.), энергии которых не меньше энергии активации данного процесса [17].

В табл. 25 представлены механизмы отказа и характер его проявления при ускоряющем факторе - повышенной нагрузке.

Таблица 25 Классификация основных механизмов отказов при повышенной температуре

Термоциклы, т.е. попеременный нагрев и охлаждение, также являются ускоряющим воздействием и хорошо выявляют относительно малые негерметичности корпуса. Влага проникает при термоциклах в негерметичные объемы и вызывает увеличение токов утечки и коррозию. Напряженные места конструкций, склонные к трещинообразованию, также выявляются при термоциклах.

Диапазон изменений температуры при термоциклах (используются, как правило, диапазоны (0...+55)°С, (-65...+125)°С, (-65...+150)°С и др.), количество термоциклов, длительность пребывания при край них температурах, скорость изменения температуры выбираются разными; они по-разному воздействуют на интенсивность отказов изделий. Испытания термоциклами не являются неразрушающими; они не только вызывают отказы ИЭТ со слабыми местами, но мо-