Силовая электроника №2'2005

Вопросы контроля и обеспечения надежности изделий электронной техники для силовой электроники

Владимир Громов
Иван Илюшкин


Как известно, проверка параметров и функционирования изделий электронной техники (ИЭТ) на соответствие ТУ не гарантирует его надежную работу. Для отбраковки потенциально ненадежных изделий традиционно используют электротермотренировку (ЭТТ), т. е. подачу на прибор электрических режимов и температуры в течение определенного времени. Однако этот метод имеет свои недостатки, которые могут поставить под сомнение целесообразность его применения. В качестве альтернативы авторы предлагают методы диагностического контроля и отбраковки на основе активации и выявления скрытых дефектов в структуре изделия.


Для эффективного и серийного проведения операции ЭТТ на изделиях силовой электроники требуется выполнение крайне сложных и противоречивых требований:

  • динамический режим ЭТТ (на предельно-допустимой частоте переключения);
  • контроль функционирования каждого изделия в процессе проведения ЭТТ;
  • высокая производительность операции (емкость стендов — сотни и тысячи приборов);
  • индивидуальная защита каждого прибора по току, напряжению, температуре;
  • надежная защита режимных блоков на стенде ЭТТ от перегрузок;
  • отвод тепла из камеры стенда и равномерное распределение заданной температуры по всему объему камеры;
  • обеспечение надежного контактирования изделий. Удовлетворение вышеперечисленных требований

предопределяют высокую сложность и ненадежность стендового оборудования, наработка на отказ которого становится меньше времени ЭТТ. Отказы стенда (его режимных блоков) вызывают нарушение режимов ЭТТ, выход из строя нормально функционирующего изделия, прерывание технологического процесса.

Все это приводит к увеличению техпотерь, повышению трудоемкости, энергозатрат, стоимости микросхемы и, в конечном счете, дискредитации возможности нормального серийного производства мощных высоковольтных изделий.

Существует и другая крайность данной проблемы, когда из-за невозможности реализации всех или части перечисленных требований проведение ЭТТ превращается в чисто формальную операцию, не обеспечивающую требуемые качество и цели отбраковки приборов.

Необходимо также отметить, что сам процесс ЭТТ не является естественным и органичным методом отбраковки потенциально ненадежных изделий для отрасли, разрабатывающей и изготавливающей твердотельные полупроводниковые приборы. К тому же этот процесс реально обладает только одной степенью свободы — временем проведения ЭТТ, что и наглядно подтверждается непрерывным нормативным его увеличением (сейчас уже 240 ч).

Знание и использование физических процессов молекулярной электроники, разработка технологических процессов изготовления кристаллов полупроводниковых приборов и их корпусирования, отбраковки, классификации и испытаний, понимание разных видов и механизмов отказов, большой опыт их выявления и анализа, подготовки мероприятий по их предотвращению предопределяют совсем другой подход к решению этой проблемы.

Как показывают результаты многочисленных исследований вопросов обеспечения надежности, основной причиной ранних отказов ИЭТ является несовершенство исходных материалов, используемых при изготовлении полупроводниковых приборов, недостаточная точность технологических режимов и т. д. В результате структуры полупроводниковых приборов могут содержать различные дефекты. Эти дефекты не обнаруживаются при проверке электрических параметров и на функциональном контроле. По этой причине их называют скрытыми.

Наиболее существенно скрытые дефекты снижают надежность высоковольтных и мощных ИЭТ. При коммутации значительных уровней тока, напряжения, мощности и в режиме высоких температур и энергий сокращается время проявления дефекта. Наличие дефектов в кремниевой структуре прибора приводит к резкому увеличению рассеиваемой мощности, локальному перегреву кристалла, тепловому пробою структуры и, как следствие, быстрому катастрофическому отказу изделия.

Существует другой подход к решению вопроса отбраковки потенциально ненадежных ИЭТ — это методы диагностического контроля на основе активации и выявления скрытых дефектов в структуре полупроводникового прибора.

Диагностические методы представляют собой провоцирование характерных видов отказов ИЭТ путем активации скрытых дефектов в физической структуре кристалла. Для активации этих дефектов используются методы термического, электрического и термоэлектрического воздействия. Нагрев ИЭТ до заданной температуры можно осуществлять электрической мощностью, рассеиваемой самим изделием.

Наличие активного дефекта приводит к перераспределению потенциалов и токов внутри схемы, что вызывает изменение вида ВАХ, передаточных характеристик и возникновение паразитных элементов. По результатам измерения электрофизических параметров и характеристик ИЭТ, обладающих высокой чувствительностью к наличию скрытых дефектов, проводится их достоверное выявление. Проверки носят неразрушающий характер и не снижают надежность изделия.

По результатам моделирования, измерений и анализа экспериментальных результатов определяются:

  • методы диагностического контроля, режимы или условия, приводящие к активизации скрытых дефектов;
  • критичные конструктивные элементы (физические и топологические структуры) в составе изделия, в том числе структуры, способные при определенных условиях образовывать паразитные элементы;
  • состав тестовых структур (ТС);
  • контролируемые характеристики и их параметры изделия и ТС;
  • критерии отбраковки по количественным или качественным признакам;
  • место в технологическом цикле для проведения диагностического контроля. Диагностический контроль совмещается

с проверкой параметров ИЭТ и проводится, как правило, на всех стадиях. С точки зрения минимизации затрат выявление дефектов предпочтительнее проводить на ранних стадиях изготовления прибора. Например, дефекты на границе раздела «окисел — полупроводник», «металл — полупроводник» легче выявить на пластине методом наведенного заряда. Для этого при проверке ВАХ, статических параметров и функционального контроля ИЭТ на зондовой установке вводятся дополнительные параметры и (или) режимы измерения.

В ряде случаев эти проверки проводятся дважды: при проверке статических параметров и функционального контроля прибора в составе пластины и на классификации закор-пусированного прибора, в связи с возможностью появления новых дефектов на сборочных операциях. Проверяется качество присоединения внутренних выводов и контакта кристалла с теплопроводящими элементами конструкции корпуса оценкой температуры перегрева, теплового сопротивления и т. д. Для этого применяется метод нагрева кристалла путем подачи на изделие статической, квазистатической или импульсной мощности и измерение термочувствительных параметров по специальной программе, включая контроль температуры кристалла.

На нагретом кристалле дополнительно измеряются наиболее информативные параметры: токи потребления и утечки отдельных функциональных узлов или ИЭТ в целом, падения напряжений на транзисторах и диодах, занимающих большую площадь, параметры источника опорного напряжения и т. д.

С целью определения причин отказа, наиболее уязвимых функциональных элементов и доминирующих механизмов отказа в пластинах размещаются ТС. В состав ТС включаются критичные конструктивные элементы и фрагменты ИЭТ с дополнительными контактными площадками, цепями питания и общей шиной. Тестовые структуры изготавливаются в едином технологическом цикле с ИЭТ.

Установление критериев и норм отбраковки проводится экспериментальным или расчетным методом в два этапа: предварительный и окончательный.

1. Предварительный этап.

Все ИЭТ подвергаются диагностическому контролю с индивидуальной фиксацией результатов для каждого изделия или разбиваются на несколько групп по значению диагностического параметра. Далее все группы ИЭТ подвергаются испытаниям при крайних температурах с измерением дополнительных параметров, циклическому воздействию температур, после чего результаты испытаний сопоставляются с результатами предварительной оценки по диагностическому контролю. По результатам сопоставления определяется наличие корреляционной связи между значениями диагностируемых параметров и отказами при испытаниях. При наличии такой связи устанавливаются предварительные значения норм диагностических параметров.

2.  Окончательный этап.

ИЭТ классифицируются на условно годные и негодные по предварительно выбранной норме и комплектуются две раздельные выборки, на которых проводятся сравнительные испытания.

Объемы выборок, режимы и продолжительность сравнительных испытаний для конкретного изделия устанавливаются в частной методике для подтверждения правильности выбора параметров диагностического контроля. Результаты сравнительных испытаний обеих выборок оцениваются по нормам, установленным в ТУ или ТЗ.

Разница числа отказов в этих выборках свидетельствует об эффективности метода.

При включении диагностического контроля в технологическую документацию указывается цель, метод, режим контроля и нормы на диагностические параметры. При использовании диагностического контроля для отбраковки изделий применяется сплошной контроль.

На основе накопленных статистических данных по диагностическому контролю проводится анализ причин отказов и характерных видов дефектов на каждом виде контроля с целью корректировки КД и ТД, а также оптимизация допусков на параметры критичных конструктивных элементов и изделия в целом.

Применение метода диагностики позволяет учитывать требования потребителя и выявить именно те дефекты, которые обусловливают наибольший риск, определить их потенциальные причины и выработать корректирующие действия по их устранению.

На рисунке представлена диаграмма процесса разработки и внедрения диагностического контроля и отбраковки потенциально ненадежных ИЭТ.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_02_18.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо