Надежность (полупроводник)

Надежность полупроводникового устройства — это способность устройства выполнять предназначенную ему функцию в течение всего срока службы устройства в полевых условиях.

При разработке надежных полупроводниковых устройств необходимо учитывать множество факторов:

Полупроводниковые приборы очень чувствительны к примесям и частицам. Поэтому для изготовления этих устройств необходимо управлять многими процессами, точно контролируя уровень примесей и частиц. Качество готового продукта зависит от многоуровневых взаимоотношений каждого взаимодействующего вещества в полупроводнике, включая металлизацию , материал чипа ( список полупроводниковых материалов ) и упаковку.
Проблемы микропроцессов и тонких пленок должны быть полностью изучены применительно к металлизации и склеиванию проводов . Необходимо также анализировать поверхностные явления с точки зрения тонких пленок.
Из-за быстрого развития технологий многие новые устройства разрабатываются с использованием новых материалов и процессов, а время проектирования ограничено из-за единовременных инженерных ограничений, а также времени для решения проблем рынка . Следовательно, невозможно основывать новые конструкции на надежности существующих устройств.
Для достижения экономии за счет масштаба полупроводниковая продукция производится в больших объемах. Кроме того, ремонт готовых полупроводниковых изделий нецелесообразен. Поэтому обеспечение надежности на этапе проектирования и уменьшение отклонений на этапе производства стали необходимыми.
Надежность полупроводниковых устройств может зависеть от сборки, использования, условий окружающей среды и охлаждения. Факторы стресса, влияющие на надежность устройства, включают газ , пыль , загрязнение, напряжение , тока плотность , температуру , влажность , механическое воздействие , вибрацию , удар , радиацию , давление и интенсивность магнитных и электрических полей.

Факторы проектирования, влияющие на надежность полупроводников, включают: напряжения , мощности и тока снижение ; метастабильность ; логические временные запасы ( логическое моделирование ); временной анализ ; температурное снижение характеристик; и контроль процесса .

Методы улучшения [ править ]

Надежность полупроводников поддерживается на высоком уровне за счет нескольких методов. Чистые помещения контролируют примеси, управление процессом контролирует обработку, а также выгорание (кратковременная работа в экстремальных условиях), а также зондирование и тестирование уменьшают утечки. Зонд ( вафельный зонд ) проверяет полупроводниковый кристалл перед упаковкой с помощью микрозондов, подключенных к испытательному оборудованию. Заключительный тест проверяет упакованное устройство, часто до и после проработки, на предмет набора параметров, обеспечивающих работу. Слабые стороны процесса и конструкции выявляются путем применения ряда стресс-тестов на этапе квалификации полупроводников перед их выводом на рынок. e. г. в соответствии с квалификацией стресса AEC Q100 и Q101. ^[1] Среднее тестирование деталей — это статистический метод выявления и помещения в карантин полупроводниковых кристаллов, которые имеют более высокую вероятность отказов в надежности. Этот метод идентифицирует характеристики, которые находятся в пределах спецификации, но за пределами нормального распределения для этой совокупности, как выбросы риска, не подходящие для приложений с высокой надежностью. Разновидности среднего тестирования деталей на основе тестера включают, среди прочего, параметрическое среднее тестирование деталей (P-PAT) и географическое среднее тестирование деталей (G-PAT). Встроенное среднее тестирование деталей (I-PAT) использует данные контроля производственного процесса и метрологии для выполнения функции распознавания отклонений. ^[2]^[3]

Измерение прочности соединения проводится двумя основными типами: испытание на растяжение и испытание на сдвиг. И то и другое можно сделать деструктивно, что встречается чаще, или недеструктивно. Неразрушающие испытания обычно используются, когда требуется чрезвычайная надежность, например, в военной или аэрокосмической промышленности. ^[4]

Механизмы неудач [ править ]

Механизмы отказа электронных полупроводниковых приборов делятся на следующие категории.

Механизмы, индуцированные взаимодействием материалов.
Механизмы стресса.
Механически вызванные механизмы разрушения.
Механизмы отказов, вызванных воздействием окружающей среды.

материалов взаимодействием вызванные Механизмы,

транзистора Затвор-металл полевого
омического контакта Деградация
Деградация канала
Эффекты поверхностного состояния
Загрязнение формованной упаковки — примеси в упаковочных материалах вызывают сбой в работе электрооборудования.

стрессом вызванных отказов , Механизмы

Электромиграция – электрически индуцированное движение материалов в чипе.
Выгорание – локальное перенапряжение
Захват горячих электронов - из-за перегрузки в силовых радиочастотных цепях.
Электрическое напряжение – электростатический разряд , сильные электромагнитные поля ( HIRF ), фиксирующееся перенапряжение , перегрузка по току.

отказов механических Механизмы

матрицы Излом – из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения.
при прикреплении штампа Пустоты – производственный дефект – можно выявить с помощью сканирующей акустической микроскопии.
Разрушение паяного соединения из-за ползучести или интерметаллических трещин.
Расслоение матрицы/формовочной массы из-за термоциклирования

отказов, вызванных воздействием среды окружающей Механизмы

Влияние влажности – поглощение влаги корпусом и контуром.
Водородные эффекты – пробой частей цепи, вызванный водородом (металл).
Другие температурные эффекты — ускоренное старение, усиление электромиграции с температурой, усиление выгорания.

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

Библиография [ править ]

Джулио Ди Джакомо (1 декабря 1996 г.), Надежность электронных корпусов и полупроводниковых устройств , McGraw-Hill
А. Кристу и Б. А. Унгер (31 декабря 1989 г.), Надежность полупроводниковых устройств , Научная серия НАТО E
MIL-HDBK-217F Прогноз надежности электронного оборудования
MIL-HDBK-251 Надежность/проектирование тепловых применений
MIL-HDBK-H 108 Процедуры отбора проб и таблицы для испытаний на долговечность и надежность (на основе экспоненциального распределения)
Справочник по проектированию надежности электронной техники MIL-HDBK-338
MIL-HDBK-344 Проверка электронного оборудования на воздействие окружающей среды
Планы и процедуры выборки частоты отказов MIL-STD-690C
MIL-STD-721C Определение терминов надежности и ремонтопригодности
MIL-STD-756B Моделирование и прогнозирование надежности
MIL-HDBK-781 Методы испытаний надежности, планы и условия для инженерных разработок, квалификации и производства
MIL-STD-1543B Требования программы надежности для космических и ракетных систем
MIL-STD-1629A Процедуры выполнения анализа характера, последствий и критичности отказа
MIL-STD-1686B Программа контроля электростатических разрядов для защиты электрических и электронных деталей, узлов и оборудования (за исключением взрывных устройств, инициируемых электрическим током)
Классификация отказов MIL-STD-2074 для испытаний надежности
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) . ^{[ нужна полная цитата ]}
«Стандарты и справочники надежности» . Архивировано из оригинала 8 ноября 2005 года.
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 .
Акбари, М.; Бахман, А.С.; Рейгоса, PD; Яннуццо, Ф.; Бина, MT (сентябрь 2018 г.). «Тепловое моделирование проводных силовых модулей с учетом неоднородного взаимодействия температуры и электрического тока» . Надежность микроэлектроники . 88–90: 1135–1140. дои : 10.1016/j.microrel.2018.07.150 . S2CID 53529098 .

[AEC_Documents-1] Документы AEC

[2] «AEC Q001» (PDF) .

[3] «Д.В. Прайс и Р.Дж. Ратерт (KLA-Tencor Corp.). «Наиболее известные методы контроля скрытых дефектов надежности на предприятиях по производству полупроводников 90–14 нм». Девятнадцатый ежегодный семинар по надежности автомобильной электроники. Нови, Мичиган. Апрель 2017 г.» .

[sykes-4] Сайкс, Боб (июнь 2010 г.). «Зачем тестировать облигации?» . Журнал Global SMT & Packaging.

[1]

[2]

[3]

[4]