Микроэлектроника. Книга 5. Качество и надежность интегральных микросхем - Коледов Л.А.

Автор: Коледов Л.А.
Теги: электротехника микрорадиоэлектронная аппаратура микроэлектроника интегральные микросхемы теория надежности
Год: 1987
Похожие
Физические основы функционирования изделий микроэлектроники. Книга 1
Контроль качества и надежность микросхем: Учебник для техникумов
Интегральные микросхемы и их зарубежные аналоги. Справочник. Том 5. K544-K564
Технология полупроводниковых приборов и изделий микроэлектроники. Книга 5
Текст
                    КНИГА
И
КАЧЕСТВО
НАДЕЖНОСТЬ
ИНТЕГРАЛЬНЫХ
МИКРОСХЕМ
Под редакцией
проф. Л.А.Коледова
Дорущено Министерством х" .
высшего и среднего специального
образования GCCP
в качестве учебного Пособия
для студентов втузов
о
I ©
§ Москва
g «Высшая школа» 1987
О
ББК 32.844.1
М59
УДК 621.396
Рецензенты:
кафедра «Конструирование н технология производства РЭА» Москов-
ского авиационного института им. Серго Орджоникидзе (зав. ка-
федрой д-р техн, наук, проф. Б. Ф. Высоцкий); д-р техн, наук,
проф. В. А. Лабунов (Минский радиотехнический институт)

Микроэлектроника: Учеб, пособие для втузов.
М59 В 9 кн. / Под ред. Л. А. Коледова. Кн. 5. И. Я. Ко-
зырь. Качество и надежность интегральных микро-
схем.— М.: Высш, шк., 1987.— 144 с.: ил.
В пособии приведены сведения об основных понятиях теории и
количественных показателях качества и надежности интегральных мик-
росхем; рассмотрены методы контроля качества, расчета и оценки на-
дежности, а также вопрос]»» прогнозирования и повышения показателей
качества и надежности ИМС и БИС.
2403000000(4309000000)—297
М --------------------------- 191—87
ББК 32.844.1
6 Ф2.13
001(01)—87
© Издательство «Высшая школа», 1987
ПРЕДИСЛОВИЕ
В книгах 1 - - 4 данной серии читатель познакомил-
ся с интегральными микросхемами, изготовляемыми по
различным конструктивно-технологическим вариантам.
Любая из выпускаемых промышленностью микросхем,
любая из разрабатываемых и подготавливаемых к промы-
шленному производству микросхем предназначена для
выполнения определенных функций в составе радиоэлект-
ронных и электронно-вычислительных средств приема,
передачи, обработки и хранения информации, о которой
пойдет речь в последующих книгах серии. Эти функции
должны гарантированно выполняться в заданных услови-
ях эксплуатации в течение определенного срока (который
в свою очередь определяется надежностью микросхемы),
а сама микросхема должна удовлетворять целой гамме
потребительских свойств, к которым относятся, например,
форма, габариты, масса, удобство обращения, универсаль-
ность, себестоимость, цена (и которые входят в -понятие
качества микросхемы).
Техническая политика СССР в эпоху перестройки и
ускорения научно-технического прогресса направлена на
сознательную ориентацию всех инженерно-технических
работников, всех отраслей промышленности на высокое
качество продукции. Эта масштабная, общегосударственная,
стратегическая первостепенная задача должна быть решена
путем проведения мероприятий, носящих комплексный
системный характер.
К ним относятся:
создание совершенной производственно-технической
базы, реконструкция предприятий, выпускающих изделия
микроэлектроники, создание принципиально нового обо-
рудования и модернизация существующего, которое,
как известно, в этих динамично развивающихся
отраслях промышленности устаревает и требует замены
каждые 5—7 лет;
3
повышение сознательности и ответственности работников
(рабочих, инженерно-технического персонала, служащих,
руководителей различных рангов) в вопросах выпуска
изделий микроэлектроники высокого качества, стимули-
рование заинтересованности и готовности всех работников
принять участие в повышении качества изделий; массовое
обучение всего персонала предприятий методам управле-
ния качеством изделий и процедурам контроля качества;
разработка методов анализа и прогнозирования надеж-
ности и качества нового изделия микроэлектроники еще
до запуска его в производство, так как высокое качество и
надежность должны быть заложены в изделии на самых
первых этапах его разработки;
разработка стабильной и бездефектной технологии
производства изделий микроэлектроники: четкий ритм
производства, отсутствие срывов, авралов, исключение
производственных дефектов;
разработка продуманной и эффективной системы прове-
рок качества и технического контроля изделий, осно-
ванной, однако, на понимании того, что одними проверками
и контролем нельзя обеспечить качество продукции, а так-
же того, что контроль требует затрат средств и увеличивает
себестоимость изделий.
Инженерно-технические работники, занимающиеся во-
просами электронизации народного хозяйства, проблемами
разработок микроэлектронной аппаратуры и ее элементной
базы, должны быть хорошо ориентированы в области тех-
нических и организационных мер, необходимых для про-
изводства продукции высокого качества, должны знать
и уметь использовать в практической работе методы и
средства создания изделий микроэлектроники высокого
качества.
Вопросам обеспечения качества и надежности наибо-
лее ответственных и массовых изделий микроэлектроники —
интегральных микросхем — и посвящено данное учеб-
ное пособие.
Л. А. Коледов
4
ВВЕДЕНИЕ
Проблема повышения качества промышленной продук-
ции сложна и многогранна. Она охватывает научно-тех-
нические, производственные н социальные аспекты.
На современном этапе научно-технического прогресса
обеспечение и повышение качества продукции рассматри-
ваются как важнейший фактор, определяющий произво-
дительность общественного труда, эффективность произ-
водства и капитальных вложений, а также внешнеторго-
вый баланс.
Возрастающее значение проблемы качества обусловлено:
быстрым развитием науки и техники в электронике,
аппаратостроении, авиа- и ракетостроении, приборост-
роении, машиностроении и др., характеризуемым значи-
тельным повышением сложности выпускаемых изделий и
требований к их технико-эксплуатационным характерис-
тикам;
усложнением производственного процесса вследствие
применения современного оборудования, средств механи-
зации и автоматизации;
расширением отраслевой, межотраслевой и между-
народной специализации и кооперации;
расширением объемов и номенклатуры производства,
увеличением числа предприятий, выпускающих однотип-
ные изделия.
Проблема повышения качества стоит остро прежде
всего перед теми отраслями науки и техники, которые оп-
ределяют темпы ускорения научно-технического прогресса.
Это в полной мере относится и к микроэлектронике, ко-
торой отводится ведущая роль в ускорении научно-техни-
ческого прогресса.
Микроэлектроника развивается как самостоятельное
научно-техническое направление, объединяющее комплекс
физических, химических, технологических, схемотехни-
ческих и кибернетических исследований и промышленных
реализаций, предназначенных для создания высоконадеж-
ной, малогабаритной и высокоэкономичной РЭА.
5
Крупнейшим достижением современной микроэлект-
роники является разработка и организация промышленного
выпуска интегральных микросхем (ИМС) — функциональ-
но законченных и конструктивно оформленных блоков и
узлов. Являясь основными изделиями микроэлектроники,
ИМС широко используются для построения радио-
электронной аппаратуры самого различного назначения
и постепенно вытесняют устройства на дискретных ком-
понентах.
Сложившаяся на начальном этапе развития ИМС прак-
тика контроля их качества и оценки надежности не всегда
удовлетворяла возрастающим требованиям, а иногда и
сдерживала темпы развития. Это объясняется многими
факторами, основными из которых являются:
быстрый рост функциональной сложности и надеж-
ности ИМС;
недостаточная эффективность сложившихся методов
контроля качества и оценки надежности ИМС;
сложность и многообразие технологических процессов
изготовления ИМС, постоянное совершенствование конст-
рукций, использование новых материалов и видов обору-
дования;
неподготовленность разработчиков к проектированию
аппаратуры на основе ИМС с учетом их особенностей.
Все эти факторы, объединяющие комплекс научных,
технических, организационных и экономических вопросов,
находились в тесной взаимосвязи и их проявление не всег-
да давало положительный эффект при оценке качества
ИМС. Попытки усовершенствования существующих систем
обеспечения качества, а также приспособление отечествен-
ных и зарубежных систем управления качеством, разрабо-
танных в смежных отраслях, тоже не дали положительных
результатов. Поэтому возникла необходимость создания
стройной системы обеспечения качества и надежности
ИМС. Это потребовало поиска новых методов и средств,
разработки комплекса научно-производственных проблем.
Успех такой работы может быть положительным при
обязательном анализе достигнутых показателей качества
и надежности ИМС и научно обоснованном выборе путей
их дальнейшего совершенствования.
Быстрое и широкое развитие микроэлектроники об-
условлено высокой потенциальной надежностью ИМС.
Повышенная надежность ИМС по сравнению с электронны-
ми узлами на дискретных компонентах объясняется со-
вместимостью материалов, элементов и компонентов; мень-
6
шим количеством межэлементных соединений; защищенно-
стью наиболее чувствительных элементов; групповой тех-
нологией изготовления; малыми мощностями рассеяния;
невозможностью неправильного применения элементов и
компонентов; конкретной областью применения; гермети-
зацией и другими факторами, которые действуют в комплек-
се.
На практике надежность ИМС закладывается при
проектировании, обеспечивается в процессе изготовления
и поддерживается при эксплуатации. Принято считать,
что качество и надежность ИМС определяются прежде
всего их конструкцией, комплектующими компонентами
и материалами, а также сложностью и стабильностью
технологических процессов их изготовления. Определяю-
щей при этом является технология изготовления.
Основная проблема, стоящая перед разработчиками и
изготовителями ИМС, — обеспечение требуемого уровня
их качества и надежности. Решение этой проблемы явля-
ется актуальным и многоплановым. Актуальность обуслов-
лена широкими областями применения ИМС, когда на
передний план выдвигаются требования снижения массо-
габаритных показателей и энергопотребления аппаратуры.
Требования к надежности и качеству возрастают также
в связи с усложнением функций, выполняемых аппаратурой
на ИМС. Существенным фактором при этом являются усло-
вия эксплуатации. Бесперебойную работу аппаратуры
при воздействии климатических, механических и других
факторов гарантирует только достижение необходимого
уровня надежности ИМС.
Важное место в проблеме надежности отводится и эконо-
мическим факторам, поскольку на разработку и производ-
ство сложной аппаратуры на ИМС затрачиваются большие
средства.
Обеспечение требуемого уровня надежности ИМС ак-
туально еще и потому, что успехи многих отраслей науки
и техники во многом определяются надежностью ИМС,
особенно на современном этапе развития.
Современные ИМС характеризуются большим коли-
чеством параметров и критериев качества. Это в определен-
ной степени затрудняет сравнительную оценку качества
различных видов ИМС и требует разработки обобщенных
критериев качества или их оптимальной номенклатуры.
Бурный рост функциональной и физической сложности
ИМС, переход к БИС, СБИС и МСБ, совершенствование
и использование новых технологических процессов дик-
7
туют необходимость постоянного совершенствования мето-
дов и технических средств контроля качества. При этом
возрастает число факторов, определяющих качество и
надежность БИС и СБИС. Большое значение приобретает
разработка и применение физико-технических методов
неразрушающего контроля качества ИМС и БИС (СБИС,
МСБ) для различных этапов производства и диагностики.
Темпы развития микроэлектроники существенно ус-
ложнили также задачу прогнозирования и оценки надеж-
ности ИМС прежде всего потому, что надежность ИМС
значительно повысилась, а «моральное старение» ускори-
лось. Получать достоверные оценки надежности ИМС
традиционными методами испытаний нерентабельно: уве-
личение количества испытываемых ИМС удорожает испы-
тания, а увеличение продолжительности испытаний
снижает достоверность результатов из-за разработки новых
типов ИМС и изменения технологии их производства.
Кроме того, расширение сферы применения ИМС сопровож-
дается ростом воздействия различных факторов, и опре-
деление надежности статистическими методами для различ-
ных условий работы, в свою очередь, удорожает испытания
и удлиняет их сроки.
Поэтому возникла необходимость в разработке новых
методов оценки надежности ИМС (особенно БИС и МСБ),
которые позволили бы получать достоверные сведения при
меньших затратах и в более короткие сроки. Эта проблема
может быть решена на основе физического подхода к проб-
леме надежности, т.е. разработки физико-математических
моделей отказов и их исследования с целью определения
количественных показателей надежности. Не исключаются
и вероятностно-статистические методы оценки надежности.
Большое значение приобретают сбор и обработка инфор-
мации об эксплуатации ИМС, о браке в процессе произ-
водства, разработка нормативно-технической документации
и машинных методов обработки информации, подготовка
кадров и др.
Таким образом, многоплановость проблемы обеспече-
ния требуемого уровня и повышения качества и надежно-
сти ИМС состоит в том, что она включает комплекс задач
научно-технического, организационного, информационного
и экономического характера, решение которых требует
системного подхода.
8
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕОРИИ
КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ИМС
§ 1.1. Основные понятия
и показатели качества
Понятие «качество» в промышленности используется
давно, однако до сих пор не выработан единый подход к его
определению. Это объясняется тем, что многие изделия,
в частности ИМС, характеризуются большим количеством
показателей, которые могут быть использованы в качестве
критериев качества. Такими показателями являются значе-
ния электрических параметров, потребляемая мощность,
процент выхода годных ИМС, габариты, масса, стоимость,
надежность и др. Поскольку эти показатели определя-
ются совокупностью схемотехнических, конструктивных,
технологических и эксплуатационных факторов, а требо-
вания к ним в большинстве случаев являются противо-
речивыми, количественная оценка качества ИМС по дан-
ным показателям затруднена. Задача усложняется и тем,
что требуется комплексная оценка качества ИМС.
Определение качества. Наиболее целесообразной явля-
ется теория «относительного качества», сущность которой
состоит в том, что качество продукции определяется ее
целевым назначением.
Качеством продукции, в том числе интегральных микро-
схем (ИМС, БИС, СБИС и МСБ), называют совокупность
свойств продукции, обусловливающих ее способность
удовлетворить определенные потребности в соответствии
с назначением. При этом качество определяется как сте-
пень совершенства продукции, которая фиксируется требо-
ваниями, учитывающими запросы потребителя и возмож-
ности производства.
В этом случае понятие качества продукции ставят в
зависимость от этапов ее создания:
на этапе проектирования — соответствие техническому
заданию (ТЗ);
на этапе производства — соответствие требованиям
технической документации (ТД);
9
на этапе применения — степень удовлетворения потре-
бителя.
Такой подход позволяет поставить задачу количествен-
ной оценки качества. Его применение для оценки качества
ИМС требует разработки стройной системы показателей
и критериев качества, в первую очередь обобщенных
(комплексных) показателей качества.
Показатели качества. Существует ряд методов оценки
качества ИМС единым комплексным показателем, напри-
мер коэффициентом качества. За высшую оценку условно
принимают коэффициент качества, равный единице. Он
складывается из процента сдачи продукции с первого
предъявления, претензий потребителя, величины брака,
состояния технологической дисциплины и др. При ухудше-
нии любого из показателей коэффициент качества снижает-
ся. В ряде случаев основным критерием качества служит
наличие рекламаций на готовые изделия. Иногда уровень
качества изделий определяют по результатам сравнения
количественных показателей качества рассматриваемого
изделия с показателями действующего стандарта.
Наиболее эффективной является количественная оцен-
ка качества ИМС комплексным показателем Q, вычисляе-
мым по формуле
п
------• (1.1)
/I
2 mi
L — 1
где тг — весовые коэффициенты каждой группы; q, —
групповые показатели качества; п — число групп свойств.
Согласно методике оценки уровня качества изделий
электронной техники имеется восемь групп свойств и со-
ответственно восемь групповых показателей качества: по
назначению, надежности, стандартизации и унификации,
технологичности, экономичности, эргономичности и эс-
тетичности, а также патентно-правовые.
Каждая из этих групп описывается совокупностью тех-
нико-экономических показателей, количество которых опре-
деляется конструктивно-технологическим исполнением ИМС
и областью их применения. Тем не менее из всей совокупно-
сти групповых показателей качества можно выделить
обобщенные, которые характеризуют определяющее зна-
чение уровня качества ИМС. Это относится прежде всего
к показателям качества по назначению, технологичности
и надежности. Так, для цифровых ИМС показателем каче-
10
ства по назначению часто служит коэффициент
F=P/;,.cp,	(1.2)
где Р — удельная мощность, потребляемая одним элемен-
том или ИМС, мВт; /3 ср — среднее время задержки на
один элемент или ИМС, нс.
По значению данного показателя производят не только
оценку уровня качества однотипных или разнотипных
ИМС, но и их сравнение с целью выбора элементной базы
для практического применения.
При повышении степени интеграции помимо необхо-
димости улучшения коэффициента качества важнейшей
задачей является уменьшение площади, занимаемой ИМС
и приходящейся на элементарный вентиль цифровой
ИМС или на одно преобразование информации. В этом
случае (для цифровых БИС) наиболее . целесообразно
использование обобщенного коэффициента, учитывающего
конструктивно-технологическое совершенство ИМС:
К = -^-,	(1.3)
р/
~‘3.ср
где п — количество элементарных вентилей, приходя-
щихся на I мм2 площади кристалла (интегральная плот-
ность).
В табл. 1.1 приведены значения коэффициентов показа-
телей качества по назначению для основных классов
цифровых ИМС.
Таблица 1.1
Значения коэффициентов показателей качества по
назначению для различных типов цифровых ИМС
Тип логики	Потребляемая мощность на вентиль Р, мВт	Задержка переклю- чения на вентиль *3- ср* НС	Показа- тель качества по назна- чению F	нтегральная лотность вентиль/ м8		Число элементов в вентиле на два входа	Обобщен- ный коэффи- циент качества К
				X	се 2		
ТТЛ	10	10	100		15	9—12	0,15
ттлш	20	3	60		15	14	0,25
эсл	25—50	0,5—2	50—25		15	10—12	0,3—0,6
И2Л	50 мкВт	10	0,5		100	3—4	200
п-МДП	0,1 — 1 ,0	1 — 10	1 ,0		1.50	3	150
кмдп	50 нВт (статичес- кая), зависит от частоты	10—50	Зависит от час- тот ы		70	4	Зависит от час- тоты
11
Аналогичные показатели качества по назначению мож-
но применить и для аналоговых ИМС:
K=nQ,	(1.4)
где Q — добротность усилительного каскада.
Среди показателей качества по технологичности важное
место отводится проценту выхода годных ИМС и БИС.
Это объясняется тем, что выход годных изделий опреде-
ляет в комплексе не только уровень и стабильность про-
изводства ИМС и БИС, но и их стоимость, а также тем, что
между процентом выхода годных изделий и показателями
надежности ИМС существует определенная связь.
§ 1.2. Основные понятия
и свойства надежности
Одним из основных и важнейших показателей качества
промышленных изделий является их надежность. Однако
в отличие от других показателей качества истинная надеж-
ность изделия проявляется и реализуется только в период
его эксплуатации.
На первых этапах развития микроэлектроники, т.е.
на этапах создания ИМС 1-й и 2-й степеней интеграции,
теория и практика надежности изделий микроэлектроники
базировалась на стандартных п-онятиях и методах класси-
ческой статистической теории надежности. Следует от-
метить, что большинство из этих понятий и определений
сохранилось до настоящего времени. Рассмотрим основные
из них.
Основные понятия. Надежностью изделия* называют
свойство изделия, в том числе ИМС, сохранять значения
установленных параметров функционирования в опреде-
ленных пределах, соответствующих заданным режимам
и условиям эксплуатации, хранения и транспортировки.
Как следует из определения, основными составляющими
надежности являются три элемента: выполнение ИМС
заданных функций; время, в течение которого должно
быть обеспечено выполнение этих функций; условия эксп-
луатации. хранения и транспортировки.
Выполнение ИМС заданных функций зависит от ее
состояния. Для характеристики состояния ИМС в теории
* Здесь и в дальнейшем под изделием будем понимать основные
изделия микроэлектроники, в том числе ИМС различной степени
интеграции (БИС, СБИС, МСБ).
12
и практике надежности используют понятия исправности,
работоспособности и отказа.
Исправность — состояние ИМС, при котором она со-
ответствует всем требованиям, установленным техничес-
кой документацией.
Работоспособность — состояние ИМС, при котором она
способна выполнять заданные функции, сохраняя значе-
ния параметров в пределах, установленных технической
документацией.
При имеющемся в практических случаях отождеств-
лении этих понятий необходимо исходить из того, что поня-
тие исправности шире понятия работоспособности.
Изменение состояния ИМС, ведущее к потере этих
свойств, в теории надежности рассматривается как отказ.
Отказ — событие, заключающееся в нарушении работо-
способности, т.е. утрата работоспособности, наступающая
внезапно или постепенно.
Применительно к ИМС отказ — это событие, заключа-
ющееся в полной утрате работоспособности ИМС или
уходе одного либо нескольких параметров, установленных
техническими условиями в качестве критериев годности,
за пределы заданных норм (критерий годности —параметр,
по значению или изменению которого ИМС считают годной
или отказавшей). В зависимости от проявления различают
внезапные (катастрофические), постепенные и перемежа-
ющиеся (параметрические) отказы.
Исходным положением статистической теории надежности
является признание случайного или случайно-детерминиро-
ванного характера отказов. На этом базируются методы
экспериментального изучения и количественного описания
надежности ИМС. Математической основой надежности
ИМС служат теория вероятностей, теория случайных функ-
ций и математическая статистика.
Теория вероятностей позволяет определить законы
распределения отказов, возникающих в ИМС. Поскольку
отказы ИМС вызываются различными причинами и прояв-
ляются по-разному, каждый тип отказов характеризуется
особым распределением и требует различной математичес-
кой обработки.
Следующим важнейшим критерием, определяющим на-
дежность ИМС, является время.
Время работы ИМС до отказа (время безотказной ра-
боты), т. е. время, в течение которого выполняются за-
данные функции, у каждой ИМС различно. Это объясняет-
ся тем, что при изготовлении ИМС практически невозмож-
13
но идеально выдержать технологический режим и строгую
однородность физико-химической структуры применяемых
материалов. Поэтому случайные колебания параметров
исходных материалов, режимов работы применяемого
технологического оборудования и других факторов влияют
на продолжительность безотказной работы ИМС. Это
приводит к тому, что за рассматриваемый конечный про-
межуток времени отказ каждой конкретной ИМС может
произойти или не произойти, т.е. возникновение отказов
работающих или хранящихся ИМС в разные промежутки
времени представляет собой случайное событие.
Поэтому в теории надежности ИМС используют основ-
ные законы теории вероятностей, изучающей случайные
события. К основным законам теории вероятностей распреде-
ления случайной величины относят: гипергеометрический,
биномиальный, Пуассона, экспоненциальный, Вейбулла и
нормальный.
Отметим, что любой уровень истинной надежности ИМС
справедлив только для конкретных условий эксплуата-
ции, обусловленных определенными значениями факторов
внешней среды и режимом использования.
Свойства надежности. Надежность любого устройства
характеризуется следующими свойствами: безотказностью,
долговечностью, ремонтопригодностью и сохраняемостью.
Безотказность — свойство изделия сохранять работо-
способность в течение требуемого времени необходимой
наработки без перерывов.
Долговечность — свойство изделия сохранять работо-
способность до полного износа при эксплуатации с необхо-
димыми для ремонта и обслуживания перерывами.
Ремонтопригодность — приспособленность изделия к
обнаружению, устранению и предупреждению отказов.
Все изделия подразделяются на ремонтируемые (вос-
станавливаемые) и перемонтируемые (невосстанавливаемые).
Большинство изделий микроэлектроники, в том числе
полупроводниковые ИМС и БИС, корпусные гибридные
ИМС и БИС, относятся к невосстанавливаемым. Бес-
корпусные гибридные ИМС и БИС, микросборки допуска-
ют восстановление работоспособности при отказах путем
частичной замены компонентов. Как правило, такое вос-
становление (ремонт) производят на завершающих стадиях
изготовления и контроля этих изделий. Поэтому на этапе
изготовления их можно относить к восстанавливаемым
изделиям.
14
Сохраняемость — свойство изделия непрерывно сох-
ранять исправное и работоспособное состояние в течение
и после хранения и транспортировки.
Ремонтируемым, т. е. восстанавливаемым, изделиям
присущи все четыре свойства, а большинству ИМС только
три. Характерно, что для ИМС понятия безотказности и
долговечности совпадают, иначе при наступлении первого
отказа у них нарушается безотказность и исчерпывается
долговечность.
Таким образом, основными свойствами, определяющими
надежность ИМС и БИС, являются безотказность и сохраня-
емость.
Необходимо отметить, что использование только класси-
ческой вероятностно-статистической теории надежности
применительно к ИМС является недостаточным, так как
при этом не раскрывается (а следовательно, не учитывает-
ся) физическая природа надежности и ее экономическая
сущность. Особенно это актуально на современном этапе
развития микроэлектроники — этапе создания и широкого
применения БИС, СБИС и МСБ, когда сами ИМС стали
высоконадежными. Поэтому современная теория надеж-
ности ИМС дополняется физическими и другими ме-
тодами исследований причинно-следственных связей на-
дежности с физическими процессами, технологией, опти-
мизацией технических решений и стоимостью. В то же
время согласно теории надежность ИМС является ком-
промиссной характеристикой между техническими пот-
ребностями и рациональными материальными (экономи-
ческими) затратами.
Совершенствование теории надежности ИМС, ее научных
и практических основ происходит на базе системного под-
хода к проблеме надежности, где ведущая роль отво-
дится физико-статистическому моделированию и управ-
лению качеством выпускаемых ИМС. При этом теория
надежности включает как методы расчета проектной надеж-
ности, так и методы ее экспериментальной оценки и прог-
нозирования.
§ 1.3. Количественные показатели
надежности
Для определения и прогнозирования надежности не-
обходимы критерии и количественные показатели надеж-
ности.
15
Критерий надежности —• признак, мерило, по которо-
му оценивается надежность различных изделий. Количест-
венное значение критерия надежности конкретного изделия
называют характеристикой или количественным показате-
лем надежности. Для практического использования очень
удобны временные показатели надежности. Поскольку
надежность ИМС определяется безотказностью и сохраня-
емостью, а в некоторых случаях и долговечностью, в каче-
стве количественных показателей надежности ИМС исполь-
зуют показатели этих свойств. Количественно безотказ-
ность оценивается такими показателями, как вероятность
безотказной работы, интенсивность отказов и средняя на-
работка до отказа, долговечность — ресурсом и сроком
службы, а сохраняемость — сроком сохраняемости или
у-процентным сроком сохраняемости.
Рассмотрим эти показатели с учетом их вероятностного
и статистического толкования, так как первое необходимо
при теоретическом определении и анализе, а второе — при
определении из опытов.
Вероятность безотказной работы р (/), или функция
надежности, является интегральной функцией распреде-
ления времени безотказной работы.
Вероятность безотказной работы р (t) — вероятность
того, что при заданных режимах и условиях работы, в
заданном интервале времени (или в пределах заданной
наработки ИМС) отказ не возникнет («наработка» —
широко используемый в литературе по надежности термин,
который определяет продолжительность или объем работы
изделия).
Возникновение отказа является случайным событием,
поэтому время появления отказа — также случайная
величина. Согласно определению вероятности безотказной
работы
р(0-р(/<Л),	(1-5)
где р — вероятность; t — текущее время.
Как функция распределения р (/) обладает следующими
свойствами:
1)	р (0 — монотонно невозрастающая функция, т.е. при
h > ti Р < P О
2)	р (/) изменяется в пределах 0 р (/)	1;
3)	в начальный момент времени (t = 0) р (0) = 1, в
пределе, когда tоо, р (оо) = 0.
Исправная работа и отказ являются событиями несов-
местимыми и противоположными. Поэтому в теории надеж-
16
ности вводится понятие вероятности появления от-
каза
q(f)=q(t>td.	(1.6)
Это позволяет рассматривать q (/) как функцию распре-
деления случайной величины — времени до появления
отказа.
Функция q (/) обладает такими свойствами:
1) q (/) — монотонно неубывающая функция, т.е. при
> U (Q > <?&);
Рис. 1.1. Функциональные за-
висимости и <7hlM
2) 0 < q (О С 1;
3) q (0) = 0 и q (со) = 1.
Поскольку исправная ра-
бота и отказ события несов-
местимы,
p(t)= l-q(t).	(1.7)
Графическое представле-
ние функций р (/) и q (/) по-
казано на рис. 1.1.
Помимо интегральной характеристики, какой является
функция распределения q (t), широкое распространение
находит дифференциальная характеристика в -виде функ-
ции плотности распределения f (t):
А/
(1.8)
ИЛИ
= J f(T)dx.
0
(1.9)
С учетом (1.9) выражение для вероятности безотказной
работы можно записать в виде
₽(/) = !- p(T)dt = J /(i)dT.
b	о
Дифференцируя по времени (1.7), нетрудно
at
(1.Ю)
получить
Выражения (1.9) —(1. И) определяют взаимосвязь
функций q (f) и f (t).

ЬиоЛмотвКа
17
Статистически вероятность безотказной работы опре-
деляют как
р(t) = -	(i.i2)
N	N
где M — число ИМС, работоспособных в начальный момент
времени (t = 0); п (/) — число отказавших ИМС к моменту
времени N1 (t) — число ИМС, безотказно проработав-
ших до момента t.
Интенсивность отказов А (/) — условная плотность
вероятности возникновения отказа ИМС, определяемая
для рассматриваемого промежутка времени при условии,
что до этого момента отказ не возник.
Исходя из определения для момента времени (/, t +
+ А /), с учетом (1.9) можно записать, что
q(t,t + &f) =р (t) А (/) А/,
или
q(t, t + A/) =f(t) \t.	(1.13)
Из (1.13) следует, что р (/) А (/) A t = f (t) A t,
или
(1.14)
p (0
С помощью выражений (1.11) и (1.14) можно соста-
вить дифференциальное уравнение безотказности:
%(/) =---— ^1 .	(1.15)
p(t)dt	р (/)
Его решение относительно р (/) имеет вид
I
-J
,p(t) = e °	+ С.
Значение постоянной С находим из начальных условий
t = 0, р (0) = 1, следовательно, С = 0.
Окончательно решение дифференциального уравнения
(1.15) принимает вид
t
- f Х(0<»
0
р(0 = е ,	(1.16)
что является математическим выражением основного зако-
на надежности.
18
Для вейбулловского закона распределения, которому
подчиняются отказы некоторых ИМС, интенсивность отка-
зов определяется соотношением
•	(1-17)
n(tfa)1’-'
где а и b — постоянные (параметры распределения).
При экспоненциальном законе распределения отказов
во времени, который применим для большинства ИМС и
будет использоваться в дальнейшем, интенсивность отка-
зов не зависит от времени (6 = 1, X = 1/а = const). Поэ-
тому для экспоненциального закона имеем
p(t)—	=. е	(1.18)
или
1П р (/)=-Х/.	(1.19)
Эти соотношения применяют для вычисления р (/)
при X/ >0,1. Для этого же закона справедливо соотноше-
ние
р (t) лг 1 —X/ при X/ 0,1,	(1.20)
которое наиболее часто используют для расчета р (Z) при
известном значении X и наоборот. Согласно (1.16)
f Х(/) -1п/ДД	(1-21)
о
С помощью формул (1.14), (1.16) и (1.21) можно найти
выражение, связывающее между собой основные функции
надежности:
i
f (/) -=Х(0 р (/) = Х(/)е °	(1.22)
Используя (1.22) и зная одну из функций, можно отыс-
кать остальные.
Статистическим путем интенсивность отказов можно
определить и в процессе испытания ИМС как отношение
разности чисел работоспособных ИМС в моменты вре-
мени / и t + A t к произведению числа работоспособных
ИМС в момент времени t на длительность интервала вре-
мени A t:
19
Исследования долговечности большого числа различных
компонентов и ИМС дали возможность определить общую
зависимость интенсивности отказов от времени (рис. 1.2).
Форма этой функции практически не зависит от критериев
годности, рабочих условий и размера партии испытуемых
ИМС. В начальный период времени интенсивность отказов
может значительно изменяться. Эти отказы обусловлены
Рис. 1.2. Типичная кривая за-
висимости интенсивности от-
казов от времени:
I *— начальный период отказом;
II — период служебных отказов
(время нормальной работы); 111 —
период износа (старения)
в основном различными про-
изводственными дефектами и
выявляются в процессе ис-
пытаний или специальной тре-
нировки. Во второй период вре-
мени интенсивность отказов
практически постоянна и обус-
ловлена случайными отказами.
Этот период весьма значителен
и характеризует полезную дол-
говечность или срок службы
ИМС. Последующий период ха-
рактеризует отказы, вызванные
износом при длительной эксп-
луатации. Интенсивность отка-
зов в этот период существен-
но возрастает.
Средняя наработка до отказа /„ — математическое ожи-
дание наработки до первого отказа:
tH = ^tf (/) dt = —(J tp' (Z) dt.
о	о
(1-24)
Интегрируя выражение (1.24) по частям, получаем
— tP (t)
оо оо	оо
+ p(t) dt — ^ p(t)dt.
оо	b
(1.25)
В качестве ресурса наиболее часто применяется гамма-
процентный ресурс tv — наработка, в течение которой
ИМС не достигает предельного состояния с заданной
вероятностью у процентов.
Гамма-процентный ресурс определяется выражением
1	=7/100,
(1.26)
где q (/v) — функция распределения ресурса.
20
Полагая закон распределения времени безотказной
работы ИМС экспоненциальным и используя (1.26),
имеем
L_ .
100
Логарифмируя данное выражение, при /н = 1/Х полу-
чаем
Гамма-процентный ресурс можно найти на основании
статистической обработки результатов испытаний вы-
борки микросхем размером N„. После испытаний отказы-
вает 100 — у процентов ИМС и гамма-процентный ресурс
рассчитывают по выражению
А’в( । -0.01Т)
/т=-------!------ У С, (1.28)
O.Oly)
I = I
где ti — наработка до первого отказа i-й микросхемы.
Срок службы /сл определяется календарной продолжи-
тельностью эксплуатации микросхемы от начала эксплуа-
тации до ее предельного состояния. Данный показатель
для характеристики долговечности ИМС применяется ред-
ко.
Срок сохраняемости /хр — календарная продолжитель-
ность хранения и (или) транспортирования ИМС в заданных
условиях, в течение и после которой сохраняются значения
заданных показателей. Величину /хр определяют как время,
в течение которого ИМС сохраняют свои технико-эксплуа-
тационные показатели при хранении в специальных поме-
щениях или в аппаратуре.
Показатели /н, /сл, /хр применяют для задания требо-
ваний по надежности в техническом задании и нормативно-
технической документации, в том числе в паспорте на ИМС.
Показатель X (t) является справочной величиной и чаще
всего указывается в справочниках по надежности. Пока-
затель р (t) совместно с q (/) обычно используют для расче-
тов. Значения каждого из этих показателей устанавливают
в зависимости от назначения и конструктивно-технологи-
ческого исполнения ИМС в соответствии с требованиями,
оговоренными в ГОСТах и других стандартах (отрасли или
предприятия).
21
§ 1.4. Эксплуатационные воздействия
и требования к надежности ИМС
При обеспечении надежности необходимым является
знание условий эксплуатации аппаратуры и ИМС.
Условия эксплуатации ИМС характеризуются комп-
лексом воздействующих факторов, которые имеют различ-
ную физико-химическую природу, изменяются в достаточно
широких пределах и по-разному влияют на работоспособ-
ность ИМС и их надежность. Эти факторы подразделяют
на электрические, климатические, механические и радиа-
ционные.
Электрические факторы: изменения напряжений и
токов источников питания и входных сигналов, напряже-
ния статических помех, электрической нагрузки, влияние
электрических и магнитных полей.
Климатические факторы: изменения температуры и
влажности окружающей среды, атмосферного давления,
тепловой удар, присутствие активных веществ в атмосфере,
морской туман, наличие солнечного облучения, грибковых
образований (плесени) и др.
Механические факторы: воздействие вибраций, ударов,
линейных ускорений (центробежных нагрузок).
Радиационные факторы: космическая и ядерная радиа-
ция, облучение потоком гамма-фотонов, быстрыми нейтро-
нами, альфа- и бета-частицами, протонами, нейтронами.
В зависимости от области применения интегральные
микросхемы подвергаются воздействию отдельных факторов
либо независимо от других, либо в совокупности с разными
факторами той или иной группы.
Воздействующие факторы по-разному влияют на работо-
способность ИМС. В качестве примера в табл. I. 2 пере-
числены возможные повреждения и отказы в ИМС при
воздействии на них различных климатических факторов.
Для обеспечения требуемого уровня надежности уста-
навливают предельные (допустимые) значения воздейству-
ющих факторов. Эти значения вносят в нормативно-техниче-
скую документацию на микросхемы конкретных типов,
чем обусловливаются условия их эксплуатации. Для ИМС
широкого применения такие предельные значения факторов
изложены в ГОСТ 18725—83 Е. Так, например, ИМС
должны сохранять электрические параметры в установлен-
ных пределах при воздействии:
вибрационных нагрузок в диапазоне частот 5—500 Гц
при максимальном ускорении до 40 g;
22
Таблица 1.2
Влияние климатических воздействий на работоспособность
интегральных микросхем
Вид климатического воздействия		Возможные результаты воздействия
Повышенная тура	темпера-	Нестабильность и деградация электри- ческих параметров; возникновение теп- ловой неустойчивости и теплового про- боя диэлектриков конденсаторов и р-п- переходов полупроводниковых ИМС; по- тери герметичности корпуса; изменение механических характеристик
Повышенная ность воздуха	влаж-	Нестабильность и деградация электри- ческих параметров; обрывы и короткие замыкания металлизации ИМС; наруше- ние проводимости тонкопленочных рези- сторов; пробой диэлектриков в тонко- пленочных конденсаторах; коррозия вы- водов, корпуса, металлизации и внутрен- них проволочных соединений; поврежде- ние лакокрасочных покрытий
Пониженная тура	темпера-	Деградация электрических парамет- ров, обрывы и короткие замыкания; из- менение механических характеристик; нарушение механической целостности; потеря герметичности; коррозия внут- ренних проволочных соединений и ме- таллизации ИМС, имеющих вакуумплот- ную герметизацию
Резкие температуры	колебания	Нестабильность и деградация электри- ческих параметров; обрывы и короткие замыкания соединений и выводов; пере- межающиеся отказы; потеря герметично- сти корпуса изменение механических ха- рактеристик
Низкое атмосферное давление		Ухудшение условий теплообмена, пе- регрев, возникновение тепловой неустой- чивости и теплового пробоя; появление дуги ползучего разряда, пробоя по по- верхности изоляционных промежутков; физическое разрушение заливочных со- ставов, нарушение герметичности
23
Продолжение табл. 1.2
Вид климатического воздействия	Возможные результаты воздействия
Плесневые грибы	Коррозия выводов, корпуса, потеря герметичности корпуса, отслаивание ла- кокрасочных покрытий; ухудшение элек- трических параметров
Морские соли в атмо- сфере	Нестабильность и деградация электри- ческих параметров
многократных ударов с максимальным ускорением до
150 g при длительности удара от 2 до 6 мс;
линейных нагрузок с ускорением до 150 g;
одиночных ударов с ускорением до 1000 g;
изменения температур в диапазоне от —60 до 125°С;
относительной влажности воздуха до 98%.
Для ИМС специального назначения предельные значе-
ния воздействующих факторов выше и устанавливаются
в зависимости от степени жесткости условий по ГОСТ
16962—71.
В процессе эксплуатации при воздействии факторов
(как отдельных, так и совокупных) ИМС должны обеспечи-
вать заданный уровень надежности, который устанавлива-
ется в нормативно-технической документации на ИМС
конкретных типов, в том числе в ГОСТах, отрас-
левых стандартах (ОСТ) и технических условиях (ТУ).
Для ИМС широкого применения установлены опре-
деленные требования к количественным показателям
надежности. Минимальное значение вероятности безотказ-
ной работы при испытании в максимально допустимом
электрическом режиме и при максимальной положитель-
ной температуре в течение 500 ч должно быть не менее
0,95 при риске заказчика £ = 0,1 (для ИМС 1-й степе-
ни интеграции); 0,9 при £=0,2 (для ИМС 2-й степени
интеграции) и 0,85 при Р = 0,2 (для ИМС 3-й степени
интеграции).
Минимальная наработка до отказа должна составлять
10 000 ч, срок хранения ИМС в корпусном исполнении — не
менее 6 лет, в бескорпусном исполнении в герметичной
упаковке — не менее 2 лет.
Однако эти требования повышаются по мере развития
24
техники ИМС и расширения областей их применения. В
настоящее время поставлена и решается задача изготовления
ИМС со следующими значениями эксплуатационных
показателей надежности: интенсивностью отказов X =
= 10-10 ч-1, минимальной наработкой 15—30 тыс. ч, вре-
менем хранения 12—15 лет.
Повышение сложности ИМС, ужесточение требований к
их надежности, расширение областей применения при
постоянном увеличении диапазонов • эксплуатационных
воздействий требуют не только совершенствования проекти-
рования и технологии изготовления микросхем, но и четкой
организации единого подхода к решению методологи-
ческих вопросов при оценке качества и надежности ИМС.
Важное место при этом отводится испытаниям ИМС.
§ 1.5. Испытания ИМС
Цель и назначение испытаний. Оценку качества и
надежности ИМС осуществляют в основном по результатам
их испытаний. Цель испытаний ИМС:
определение количественных показателей качества и
надежности;
установление возможности применения в данной облас-
ти;
получение гарантии качества и снижения возможных
отказов в будущем.
Испытания заключаются в воздействии на ИМС различ-
ных внешних факторов, которые характерны для данной
области применения. Испытания должны быть повторяю-
щимися и максимально приближенными к эксплуатацион-
ным условиям. С экономической точки зрения требуется,
чтобы испытания были простыми и прямыми, без проме-
жуточных расчетов или с минимальным числом простых
вычислений.
Испытания ИМС могут осуществляться в лабораторных
и эксплуатационных условиях.
В промышленности испытания проводят, как правило,
в лабораторных условиях, имитируя различные воздейст-
вующие факторы с помощью специально предназначенных
для этих целей испытательных стендов.
Испытательный стенд представляет собой техническое
устройство для установки объекта испытаний (в нашем
случае ИМС) в заданных положениях, создания необхо-
димых воздействий, съема информации и осуществления
управления процессом испытаний и объектом испытаний.
25
В зависимости от поставленной цели назначение испы-
таний может быть разным — для контроля качества и
испытания на надежность.
Категории испытаний. Для контроля качества ИМС,
т. е. для оценки соответствия ИМС требованиям стандартов
и технических условий, проводят контрольные испытания
следующих категорий: квалификационные, приемо-сдаточ-
ные, периодические, типовые и контрольно-выбороч-
ные.
Квалификационные (К) испытания определяют соответ-
ствие ИМС данной новой серии полному объему требова-
ний стандартов и ТУ и готовность производства к массово-
му изготовлению ИМС, выпуск которых осуществляется
впервые.
П риемо-сдаточные (ПС) испытания проводят для конт-
роля качества каждой предъявляемой к сдаче партии ИМС;
по результатам испытаний принимают решение о возмож-
ности приемки и поставки данной партии ИМС.
Периодические (П) испытания служат для периодичес-
кого (в определенные сроки) контроля качества ИМС и
подтверждения стабильности технологического процесса
производства ИМС за контролируемый период. Неудов-
летворительные результаты периодических испытаний
указывают на дефекты производственного процесса или
конструкции ИМС, которые не были выявлены ранее.
Типовые (Т) испытания необходимы при изменении
конструкции, технологии, материалов, полуфабрикатов и
компонентов. После внесения подобных изменений эти
испытания проводят для проверки соответствия модерни-
зированных ИМС требованиям стандартов и ТУ. По резуль-
татам Т-испытаний принимают решение о возможности,
целесообразности и эффективности внесения изменений в
конструкторско-технологическую документацию и постав-
ки ИМС по измененной документации.
Контрольно-выборочные (КВ) испытания проводят для
определения соответствия серийно выпускаемых ИМС пол-
ному объему требований стандартов и ТУ, а также при
необходимости дополнительным требованиям. Такие испы-
тания проводятся вышестоящей организацией либо для
контроля качества производственного процесса, либо
для решения вопроса о применении выпускаемых ИМС в
новых областях науки и техники.
Испытания на надежность подразделяют на определи-
тельные и контрольные.
Определительные испытания проводят для определения
26
статистическим путем фактических значений количествен-
ных показателей надежности для одного типа или серии
ИМС. Такие испытания проводят после освоения вновь
разработанных или модернизированных ИМС, изготовлен-
ных по технологии, соответствующей предполагаемому
виду (серийному или массовому) производства. При
определительных испытаниях проводится также проверка
закона распределения отказов для данного типа ИМС.
Контрольные испытания необходимы для контроля
соответствия количественных показателей надежности
требованиям стандартов или ТУ.
Поскольку в качестве показателей надежности ИМС
приняты вероятность безотказной работы, минимальная
наработка, ресурс, интенсивность отказов и срок сохра-
нения, для определения или контроля этих показателей
установлены следующие категории испытаний на надеж-
ность: на безотказность, на долговечность, ресурсные,
специальные, на сохраняемость.
Испытания на безотказность контролируют безотказ-
ность работы ИМС в течение времени, достаточного для
выявления дефектов, которые могли возникнуть в процес-
се изготовления и привести к отказам.
Испытания на долговечность необходимы для подтверж-
дения установленного в нормативно-технической докумен-
тации значения минимальной наработки.
Таким образом, испытания на безотказность и долго-
вечность являются контрольными испытаниями ИМС на
надежность для установления соответствия ИМС требо-
ваниям ТУ или стандартов по минимальной наработке.
Эти испытания проводят как на этапе разработки ИМС, так
и в процессе их серийного производства.
Ресурсные и специальные испытания служат основой
для статистического определения количественных пока-
зателей надежности и поэтому являются определительными
испытаниями ИМС на надежность.
Ресурсные испытания проводят для определения ресур-
са ИМС. Они являются либо продолжением испытаний на
долговечность, либо самостоятельными испытаниями.
Специальные испытания преследуют цель определить
интенсивность отказов ИМС. Таким испытаниям подвер-
гают каждый тип или группу ИМС, имеющих одинаковые
функциональное назначение и конструктивно-техноло-
гическое исполнение. Результаты ресурсных и специаль-
ных испытаний не являются основанием для отбраковки
ИМС при их приемке.
27
Испытания на сохраняемость проводят с целью подтвер-
ждения установленного в стандартах и ТУ на ИМС гамма-
процентного срока сохраняемости. Они позволяют также
накопить информацию о техническом ресурсе по сохраня-
емости, разработать рекомендацию по повышению сохра-
няемости и уточнить нормы на срок хранения. Испытаниям
на сохраняемость подвергаются ИМС, прошедшие испыта-
ния по контролю качества.
Состав испытаний по видам и порядок их проведения
по каждой категории (как контрольных, так и на надеж-
ность) определяются конкретно для каждого конструктивно-
технологического типа ИМС в зависимости от функциональ-
ного назначения и условий эксплуатации в соответствии
с требованиями стандартов и технических условий. Состав
испытаний, входящих в каждую категорию, может быть
подразделен на отдельные группы. В каждую группу
входят один или несколько видов испытаний. Такое раз-
деление обусловлено прежде всего различными периодами
и планами контроля качества, а также целесообразностью
параллельного или последовательного способа их проведе-
ния.
Кроме рассмотренных категорий испытаний в производ-
стве ИМС особое место занимают так называемые техно-
логические испытания, которые имеют большое значение в
практике исследования и повышения качества ИМС. Целью
технологических испытаний является своевременная от-
браковка потенциально ненадежных ИМС. Состав и после-
довательность проведения этих испытаний базируются на
использовании изложенных ниже видов испытаний и
методики их проведения.
Виды испытаний. По характеру воздействий испытания
ИМС делятся на конструктивные, электрические, механи-
ческие, климатические и радиационные.
Конструктивные испытания заключаются в испытании
конструкции ИМС как в целом, так и отдельных ее узлов.
В конструктивные испытания входит проверка габаритных
и присоединительных размеров, массы и внешнего вида,
механической прочности выводов и соединений, качества
антикоррозионных покрытий, герметичности, светонепро-
ницаемости и др.
Проверку габаритных и присоединительных размеров
осуществляют измерением с помощью мерительных инстру-
ментов и сличением с чертежами. Внешний вид ИМС про-
веряют визуальным осмотром и сличением с чертежами и
28
образцами внешнего вида. Массу ИМС контролируют
взвешиванием на весах с точностью до 10%.
Механическую прочность выводов определяют проведе-
нием испытаний на многократные изгибы и растяжения.
В бескорпусном исполнении гибкие выводы также подвер-
гают испытаниям на изгиб и растяжение, жесткие выводы —
на сдвиг, балочные — на изгиб и растяжение. Коли-
чество изгибов, величину усилия и время действия усилия
на растяжение устанавливают для каждого типа ИМС в
нормативно-технической документации.
Испытания на герметичность осуществляют тремя осно-
вными методами: вакуумно-жидкостным, радиоактивным и
масс-спектрометрическим.
В основе вакуумно-жидкостного метода лежит регист-
рация пузырьков воздуха, выходящих через отверстия,
щели, неплотности в корпусах, помещенных в жидкость,
над которой создается вакуум. В качестве жидкости чаще
всего используется прозрачное масло, которое помещают
в сосуд вместе с ИМС и нагревают до температуры ~ 120°С.
Вакуумно-жидкостный метод—самый простой при контроле
герметичности.
Радиоактивный метод заключается в том, что испытыва-
емые ИМС помещают в герметичную камеру, наполненную
радиоактивным газом. После выдержки ИМС в течение
некоторого времени радиоактивный газ удаляют из камеры,
ИМС извлекают и проверяют интенсивность их радиации.
Если в корпусе ИМС нарушена герметичность, то радио-
активный газ проникнет внутрь, и после извлечения из
камеры такие ИМС будут давать интенсивное излучение.
Недостатки этого метода — сложность, высокая стоимость
и опасность работы с радиоактивными элементами.
Масс-спектрометрический метод основан на воздействии
гелия на корпус ИМС, удалении гелия с поверхности
корпуса и последующем его обнаружении с помощью
гелиевых течеискателей при вытекании из корпуса.
Данный метод позволяет обнаруживать течи от 10-1 до
10~8 л • мкм/с.
Электрические испытания служат для проверки работо-
способности ИМС и стабильности их параметров в различ-
ных рабочих режимах. Работоспособность ИМС проверяют
тренировкой. Различают два способа тренировки: электри-
ческий и термоэлектрический.
При электрической тренировке ИМС включают в
электрическую схему с максимально допустимыми электри-
ческими параметрами (токами и напряжениями). В таких
29
условиях ИМС выдерживают определенное время в соответ-
ствии с ТУ. Осуществляют электрические испытания на
специальных испытательных стендах типа ИИС-1М, ИИС-3
и других, которые обеспечивают контроль параметров по
заданной программе с помощью тестов и их регистрацию
в процессе испытаний.
При’ термоэлектрической тренировке ИМС помещают
в специальные тепловые камеры при максимально допусти-
мой повышенной температуре в предельном электрическом
режиме. В таких условиях ИМС выдерживают положенное
время в соответствии с ТУ. Для этих целей в промышленно-
сти используют установки типа УНТИС-1 ,-2,-3, УТ-1 и
другие, которые позволяют одновременно испытывать до
500 ИМС в широких диапазонах температур и электричес-
ких режимов, а также специальные стенды электротермо-
тренировки типа СТТ для различных типов ИМС.
Механические испытания заключаются в испытании
ИМС на виброустойчивость, вибропрочность, ударную
прочность, воздействие линейных нагрузок.
Испытания на воздействие механических нагрузок
проводят при жестком креплении ИМС к платформам
испытательных стендов, чтобы воздействие нагрузки
передавалось испытываемым ИМСс минимальной амортиза-
цией. Обычно механические испытания проводят в двух взаи-
мно перпендикулярных положениях (наиболее опасных для
ИМС), указываемых в ТУ.
При испытаниях на вибропрочность ИМС проверяют
под электрической нагрузкой; при воздействии других
механических нагрузок ИМС испытывают без электричес-
кой нагрузки.
Испытания ИМС на виброустойчивость и вибропрочность
осуществляют на специальных вибрационных установках,
обеспечивающих испытания как на фиксированной частоте,
так и в диапазоне частот.
Продолжительность воздействия и параметры вибра-
ционных нагрузок устанавливают в зависимости от наз-
начения испытаний.
Устойчивость к одиночным и многократным ударам
определяют на ударном стенде при ускорении, во много
раз превышающем ускорение свободного падения, и очень
короткой длительности удара.
Число ударов, их амплитуда, длительность и ускоре-
ние устанавливают для каждой категории испытаний в
соответствии с ТУ.
30
Устойчивость ИМС к воздействию линейных нагрузок
проверяют испытаниями на специальных центрифугах,
создающих линейное ускорение до 500 g. Обычно испы-
тания проводят при ускорении 150 g в течение времени,
установленного в ТУ на ИМС.
Климатические испытания включают испытания на
теплоустойчивость при эксплуатации, холодоустойчивость
при эксплуатации и транспортировке, влагоустойчивость,
устойчивость к пониженному и повышенному атмосферному
давлению и воздействию морского тумана.
Испытания ИМС на теплоустойчивость проводят в
камерах теплоты при температуре более 100 °C в предель-
ном электрическом режиме. Время выдержки и электриче-
ский режим испытаний даны в ТУ. Холодоустойчивость
ИМС проверяют в камерах холода при температуре от
— 50 до — 60°С. Испытания на влагоустойчивость прово-
дят в камерах влажности в течение нескольких суток при
температуре и влажности, указанных в ТУ.
Устойчивость ИМС к воздействию смены температур
(термоциклирование) проверяют следующим образом. ИМС
помещают в камеру теплоты, температура которой доведена
до верхнего значения температуры при эксплуатации, и
выдерживают в течение 30 мин. Затем ИМС переносят в
камеру холода, температура которой доведена до нижнего
значения температуры при эксплуатации, и также выдер-
живают в течение 30 мин. Обычно проводят три цикла
таких испытаний.
Устойчивость к пониженному и повышенному атмосфер-
ному давлению проверяют в барокамерах при давлениях
665 и 3-10 5 Па соответственно.
Устойчивость к воздействию морского тумана проверя-
ют при температуре + 26 С в камере, в которой созданы
условия, имитирующие морской туман распылением раст-
воров солей. Испытания длятся несколько суток.
Для климатических испытаний используют: камеры
теплоты типа КТ (от + 10 до + 350°С) или УТ-БИС (от
+ 60 до + 155°С); камеры теплоты и холода типа КТХ,
обеспечивающие воздействие пониженных ( — 60, — 65,
— 90°С) и повышенных ( + 250,+ 150, + 100°С) темпе-
ратур; камеры холода типа КХ-ИС ( — 60°С) или УХ-
БИС (— 65°С); камеры влаги типа КВ (относительная
влажность от 15 до 95%) или УВ-БИС (влажность до
98% при различных температурах); барокамеры типа
КБ на пониженное или повышенное атмосферное давление
и термобарокамеры типа КТХБ, обеспечивающие одновре-
31
менное воздействие температуры (от — 60 до + 155°С)
и пониженного атмосферного давления (до 133 Па).
При механических и климатических испытаниях ИМС
подвергаются измерениям (контролю) электрические пара-
метры (критерии годности) до воздействия нагрузки, после
ее снятия, а во многих случаях — в процессе воздействия.
Радиационные испытания относятся к числу специаль-
ных и проводятся облучением испытываемых ИМС заданной
дозой ионизирующего излучения: гамма-излучением, рент-
геновским излучением, потоком нейтронов и т.п.
Практическое использование испытаний для контроля
качества и оценки надежности ИМС изложено в последую-
щих главах.
32
КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА
КАЧЕСТВА ИМС
§ 2.1. Виды и методы
контроля качества
Процессы разработки, изготовления и применения ИМС
сопровождаются большим количеством контрольных
и измерительных операций. Несмотря на то что в основу
этих операций положены одни и те же физические методы,
назначение и методика их проведения различны на разных
этапах создания и применения ИМС.
Задачей измерений является определение (нахождение)
конкретных значений физической величины (параметров
структур и готовых ИМС) с помощью специальных техни-
ческих средств, в результате чего измерениями получают
количественную характеристику исследуемой величины
(параметра). Для обеспечения единства, точности и досто-
верности измерений качества ИМС создается метрологичес-
кое обеспечение производства ИМС. Основной задачей
контроля является проверка соответствия параметров
технологических процессов, материалов и сред, структур
ИМС, а также технической документации установленным
техническим требованиям. Поэтому на всех этапах разработ-
ки ИМС и освоения технологического процесса проводят
различного рода измерения, а в условиях массового произ-
водства и применения ИМС — контроль.
В зависимости от этапа создания и применения ИМС
выделяют различные виды контроля. Так, при проектиро-
вании структуры ИМС, особенно БИС и МСБ, удовлетворя-
ющей техническим требованиям по функционированию и
надежности, разработчик должен располагать совокупностью
сведений о номинальных размерах и электрических пара-
метрах элементов, обеспечиваемых выбранным для после-
дующего изготовления технологическим процессом, а
также о параметрах элементной базы — отклонениях
параметров элементов от нормы и характере распределения
их в пределах пластины (платы) и партии. Подобную
2 Зак. 124
33
информацию получают путем анализа статистических пара-
метров тестовых элементов, сформированных по выбранно-
му технологическому процессу и имитирующих отдельные
элементы и узлы ИМС. Для этого разрабатывают специаль-
ные тестовые ячейки (схемы), содержащие полный набор
тестовых элементов.
Разработчик, используя данные тестовых ячеек, на-
ходит эмпирические коэффициенты в аналитических моде-
лях элементов ИМС, проводит схемотехническое и топо-
логическое проектирование структуры ИМС и определяет
(расчетным путем) показатели надежности. Поэтому
основным видом контроля качества на этапе проектирова-
ния ИМС является тестовый контроль, с помощью которого
обосновывается применимость технологического процесса
для производства проектируемой ИМС и осуществляется
выбор элементной базы с параметрами, обеспечивающими
высокое качество разработки.
На этапе технического проектирования основным видом
контроля качества является контроль технической доку-
ментации на соответствие электрической принципиальной
или функциональной схеме, проектным нормам (техно-
логическим и конструктивным требованиям и ограничениям)
и требованиям ЕСКД.
Как известно, качество ИМС в значительной степени
определяется состоянием технологии их изготовления.
Сложность технологических процессов, состоящих из
нескольких десятков различных операций и переходов,
несовершенство и нестабильность отдельных технологичес-
ких операций, обусловливающих невоспроизводимость
и разброс параметров изготовляемых структур, использо-
вание ручного труда в проведении большого количества
операций, — все это приводит к отклонению от технологии
вследствие ошибок операторов; появление дефектов в
процессе изготовления ИМС неизбежно. Поэтому с целью
обнаружения дефектов и устранения дефектных структур
из последующего цикла изготовления, а также для про-
верки соответствия изготовленной ИМС требованиям тех-
нических условий вводится система контроля качества.
В связи с этим на данном этапе создания ИМС разли-
чают два вида контроля их качества: производственный
контроль и контроль готовых ИМС.
Производственный контроль является составной частью
типового технологического процесса и сводится к опреде-
лению двух его составляющих: явных дефектов, характери-
зующих процент выхода годных изделий, и скрытых де-
34
фектов, характеризующих производственную надежность.
В обоих случаях контроль может носить как пассивный,
так и активный, диагностирующий характер.
Диагностирующий контроль (диагностика) дает инфор-
мацию о природе дефектов, позволяющую вносить необхо-
димые коррективы в производство.
Пассивный контроль регистрирует только факт сущест-
вования дефекта по принципу «годен — не годен», не вскры-
вая механизма дефекта. При контроле качества по явным
дефектам пассивный контроль сводится к сортировке.
Сортировка осуществляется путем разделения изделий
или полуфабрикатов на группы, либо по принципу 100%-
ного отсева «годен—не годен».
Контроль готовых ИМС является завершающей кон-
рольно-измерительной операцией в типовом технологи-
ческом процессе. Кроме того, его применяют при практи-
ческом использовании ИМС (например, перед установкой
ИМС в аппаратуре) или при исследовании ИМС (при
испытаниях, в процессе анализа отказов).
Следует отметить, что целью производственного контро-
ля является не только своевременная отбраковка дефектных
изделий на различных этапах изготовления, но и обеспе-
чение требуемого уровня качества ИМС, что достигается
за счет контроля технологических операций и процессов.
Такой контроль может быть осуществлен как путем измере-
ния параметров структуры, сформированной в результате
проведения технологической операции или процесса, так и
путем контроля технологических режимов и параметров,
характеризующих данную операцию. Производственный
контроль охватывает комплекс различных физических,
химических и электрических методов измерений, предназна-
ченных для контроля параметров материалов, полуфабри-
катов, структурных элементов и готовых ИМС, а также для
контроля технологических режимов и параметров отдель-
ных операций.
Производственный контроль параметров изготовляемых
структур подразделяют на следующие виды: входной,
пооперационный (межоперационный) и финишный.
Входной контроль материалов, полуфабрикатов, вспо-
могательных и комплектующих изделий, поступающих
на данную операцию, — это контроль качества полупровод-
никовых материалов, металлов, органических и неоргани-
ческих продуктов, диэлектриков, деталей корпуса, фото-
шаблонов и масок и др., а также дискретных компо-
нентов, ПОСТ"!: ИЩИХ на сборку гибридных ИМС.
35
Пооперационный контроль осуществляют с целью оцен-
ки качества проводимой операции. Сюда относятся опера-
ции по контролю качества полупроводниковых и пленоч-
ных структур, полученных после различных операций, в
частности, качества очистки, эпитаксиального наращи-
вания, окисления, диффузии, металлизации, напыления,
фотолитографии, разделения, монтажа и др. Пооперацион-
ный контроль проводят либо после выполнения, либо в
ходе технологической операции, причем в качестве контро-
лируемых объектов используют как изготовленные струк-
туры, так и технологические режимы и среды.
Финишный контроль параметров изделий проводят по
завершении определенного этапа изготовления ИМС.
Сюда относятся контроль пассивной части гибридных ИМС,
коммутационных плат гибридных БИС, контроль полупро-
водниковых ИМС на функционирование на неразделенной
пластине и т.д. На завершающем этапе изготовления ИМС
финишный контроль совпадает с контролем качества
готовых ИМС.
Контроль качества готовых ИМС осуществляют путем
измерения электрических параметров, характеризующих
функциональную принадлежность микросхемы. Проводят
такие измерения либо при нормальных условиях окружаю-
щей среды, либо в режимах, имитирующих условия эксп-
луатации. В последнем случае контроль качества ИМС
выполняют путем их испытаний с последующим измере-
нием электрических параметров. Организационно контроль
проводят сплошным, когда контролируется 100% изде-
лий, или выборочным, когда контролируется определенная
часть изделий, результаты контролируемых параметров
которых подлежат статистической обработке. Контроль
качества ИМС осуществляют путем измерения параметров
непосредственно самих изделий или параметров специаль-
но предназначенных для этих целей элементов — тестовых
структур или тестовых ячеек.
§ 2.2. Контроль
полупроводниковых ИМС
Полупроводниковые ИМС являются наиболее массовы-
ми изделиями интегральной микроэлектроники. Поэтому
контроль их качества в процессе производства является
решающим фактором, обеспечивающим высокую надеж-
ность ИМС.
36
Для производственного контроля качества полупровод-
никовых ИМС характерны следующие особенности:
а)	контроль осуществляют, как правило, по электро-
физическим параметрам и свойствам сформированных
на различных стадиях структур;
б)	сложность и длительность технологического процесса
требуют методов измерения электрофизических параметров
структур, обладающих быстротой и оперативностью
контроля;
в)	геометрические размеры контролируемых структур
очень малы, что обусловливает специальные приемы и
методику контроля;
г)	установление связи между качеством и параметрами
контролируемых структур и ходом проведения тех или
иных операций не всегда удается осуществить непосред-
ственно после выполнения данной операции.
Применяют четыре вида производственного контроля
качества полупроводниковых структур:
1)	100%-ный или выборочный неразрушающий контроль
структур, получаемых после проведения различных опе-
раций и подвергающихся в дальнейшем новым технологи-
ческим операциям, например контроль толщины пластин
и оксидных слоев, удельного сопротивления эпитаксиаль-
ных слоев. При этом недопустимы внесение загрязнений и
разрушение структур в процессе контроля;
2)	выборочный контроль полупроводниковых структур,
которые разрушаются в процессе контроля, например
контроль прочности термокомпрессионных соединений на
обрыв;
3)	контроль качества проведения технологического
процесса путем измерения параметров специальных «спут-
ников», например контроль поверхностного сопротивления
и толщины диффузионных слоев, когда диффузия прово-
дится в окна, а контроль осуществляют при использовании
пластин-спутников, или контроль удельного сопротивления
п-п+ -структур по измерению удельного сопротивления
л-р-структур четырехзондовым методом на «спутниках»;
4)	контроль качества проведения технологического
процесса путем изготовления на пластинах специальных
испытательных элементов. В этом случае на фотошаблонах
изображения нескольких «рабочих» структур (обычно
пять-девять структур в центре и на периферии пластины)
заменяют изображениями специальных тестовых структур.
Измерения тестовых структур дают информацию о таких
параметрах, как поверхностное сопротивление и сопротив-
37
ление металлизации, контактное сопротивление между
слоем металла и полупроводника, стабильность оксида и
т.д. Преимуществом использования этих структур является
возможность применения автоматизированного много-
позиционного контрольно-измерительного оборудования с
многозондовыми головками, а также то, что контролируе-
мые параметры характеризуют свойства всех остальных
«рабочих» структур на пластине.
Статистические методы обработки позволяют по данным
тест-измерений прогнозировать процент выхода годных
схем на стадии контроля электрических характеристик
структур на пластине.
В процессе производства полупроводниковых ИМС воз-
можно возникновение различных дефектов материалов,
структур и полуфабрикатов, которые существенно влияют
на качество и надежность ИМС. Поэтому производственный
контроль наряду с контролем параметров структур вклю-
чает также контроль наличия дефектов и их плотности.
В каждом конкретном случае выбор метода контроля
осуществляют с учетом контролируемого параметра,
информативности, оперативности и стоимости контроля.
Выбор вида контроля также зависит от конкретных усло-
вий, определяемых масштабами производства и сложностью
выпускаемых ИМС.
Для каждого типового (базового) технологического
процесса изготовления ИМС разрабатывается индивидуаль-
ная система контроля, основанная на одинаковых методах.
Содержание контрольных операций отражается в техно-
логической документации (ТД) — в маршрутных,
маршрутно-контрольных и операционных картах. В табл.
2.1 приведены сведения по наиболее распространенным
методам и средствам контроля параметров структур полу-
проводниковых ИМС, осуществляемого после основных
технологических операций их изготовления.
Полная система производственного контроля полу-
проводниковых ИМС включает также контроль операций
скрайбирования и ломки пластины на кристаллы,
сборки и герметизации кристаллов. Это контроль кристал-
лов на функционирование, контроль внешнего вида и
качества поверхности кристаллов, контроль дефектности
корпуса и соединений, которые проводятся визуально
на 100% ИМС (в цехе и ОТК), а также выборочный контроль
прочности сварных соединений.
Существенным при организации производственного кон-
троля является выбор числа контролируемых парамет-
38
ров после каждой операции. Предпочтение при этом от-
дается обобщенным информативным параметрам, содержа-
щим интегральную информацию о структуре, сформирован-
ной с помощью последовательно проведенных двух-трех
операций. Например контроль напряжения пробоя изо-
лирующего р-п-перехода при изготовлении кристаллов по
планарно-эпитаксиальной технологии может характери-
зовать качество выполнения операций термического окис-
ления, фотолитографии и диффузии.
При изготовлении полупроводниковых ИМС важное
значение имеет качество технологических сред и микро-
климата. Для контроля наличия примесей в технологичес-
ких газах используют различные методы: конденсационный
и кулонометрический (для примеси паров воды); хроно-
метрический, электролитический, оптико-акустический
(для примеси газов); нефелометрический и люминесцент-
ный (для примеси паров масла); визуально-микроскопичес-
кий и фотоэлектрический (для механических примесей).
Для контроля качества деионизованной воды, которая
является основной технологической средой в микроэлектро-
нике, используют следующие методы: электрической
проводимости (для удельного сопротивления); титрования
раствора (для перманганатной окисляемости); калоримет-
рический и спектрального анализа (для содержания крем-
ниевой кислоты, меди, железа и др.); фильтрования с
наблюдением под микроскопом (для содержания микро-
частиц).
Для обеспечения требуемого микроклимата в произ-
водственных помещениях контролируют чистоту, количест-
во пылевых частиц на 1 л воздуха, температуру, влажность,
скорость воздушного потока и избыточное давление, на
значения которых установлены соответствующие требова-
ния.
Следует отметить, что в настоящее время при создании
автоматизированного технологического оборудования из-
готовления полупроводниковых ИМС и БИС (СБИС)
главное внимание в производственном контроле качества
уделяется контролю дефектов, вносимых в структуру
кристаллов как в результате проведения той или иной
операции, так и технологическими средами, а также среда-
ми при транспортировке с одного рабочего места на другое
и хранении между операциями.
39
Таблица 2.1
Методы и средства контроля параметров структур после основных
операций изготовления кристаллов полупроводниковых ИМС
Технологическая операция	Контролируемые параметры	Методы контроля	Средства контроля	Вид контроля	Возможные дефекты
Формирование партии пластин	Толщина, диа- метр, прогиб Длина базового и дополнительного срезов Ориентация по- верхности	Визуальный Рентгеновская дифрактометрия	Индикатор МИГ-1, установка для замера гео- метрических раз- меров Линейка Дифрактометр УРС-50ИМ, пово- ротное устройство	Цех — 100%, отк — 10% Цех, ОТК-5% Цех, ОТК — вы- борочно	Отклонение раз- меров от заданных в ТД То же Отклонения ориентации от до- пустимого, задан- ного в ТД
	Тип электропро- водности Поверхностные дефекты Чистота поверх- ности	Электрический Визуальный	Установка опре- деления типа электропроводно- сти Микроскопы МБС-1, МБС-2, линейка Микроскопы МБС-1, МБС-2, стол СМП-1	Цех, ОТК-5% Цех — 100%, ОТК —5% То же	Трещины. ско- лы, царапины, риски Пятна, подте- ки, следы мате- риалов
	Удельное сопро- тивление	Электрический
Очистка поверх- ности	Чистота поверх- ности	Визуальный
Эпитаксиальное наращивание	Толщина слоя Удельное по- верхностное сопро- тивление Плотность дис- локаций н дефек- тов упаковки Целостность пла- стины	Фотометрический Электрический Визуальный
Термическое окисление (нане- сение оксида или нитрида)	Толщина слоя	Визуальный, эл- липсометрический
	Пористость	Электрохимиче- ский, электронная микроскопия
Измеритель ИУС-1	Цех, ОТК — вы- борочно (одна Пластина)	Отклонения сопротивления от заданного в ТД
Установка УВК-2, микроско- пы МБС-1, МБС-2	Цех — 100%, ОТК-5%	Подтеки, разво- ды, пятна, светя- щиеся точки
Спектрофото- метры ИКС-14, ИКС-22 Измеритель ИУС-3	То же Цех, ОТК — вы- борочно	Отклонения от норм, заданных в ТД То же
Микроскопы ММУ-1, ММУ-3	То же	
—	Цех, ОТК- 100%	Риски, сколы, трещины
МикросМбд^ МБС-1, МБС-2, цветовая таблица; эллипсометр	Цех - 100%, ОТК-5%	Отклонения от норм, заданных в ТД
Установка элек- троосаждения, электронный мик- роскоп	Цех, ОТК — вы- борочно	То же
м	Продолжение табл. 2.1
Технологическая операция	Контролируемые параметры	Методы контроля	Средства контроля	Вид контроля	Возможные дефекты
	Плотность заря- да Качество поверх- ности слоя	Вольт-фарадных характеристик Визуальный	Установка ИППМ-2 Лампа ЛБ-30	Цех. ОТК — вы- борочно Цех — 100%, ОТК —5%	Отклонения от норм, заданных в тд Включения, про- колы
Фотолитография	Внешний вид ри- сунка Размеры элемен- тов рисунка (мо- дуля)	Визуальный	Микроскопы МБС-1, МБС-2, микроинтерферо- метр МИИ-4 Микроскоп ММУ-3, микро- метр М0В-1Х1.6, микроинтерферо- метр МИИ-4	Цех — 100%, ОТК —5% Цех, ОТК-вы- борочно (5%)	Подтеки, остат- ки фоторезиста, разводы, пятна Уход размеров за пределы, задан- ные в ТД
	Плотность де- фектов	»	То же	То же	Проколы в сло- ях SiO2(SiaN4), остатки слоев в окнах, выступы и впадины по конту- ру элемента
Локальная диф-	Глубина диффу-	Визуальный на	Установка для	Цех, ОТК — вы-	Отклонения от
фузия (ионное ле- гирование)	знойного (легиро- ванного) слоя	шлифах	получения шлифов	борочно	(одна пластин а-спутник из каждой пар- тии)	глубины, заданной в ТД
	Удельное по- верхностное сопро- тивление	Электрический	Измеритель ИУС-3	То же	Отклонения от норм, заданных в ТД
	Пробивное на- п ряжение	»	Характериограф ПНХТ-1	Цех — 100 % по тестовым срукту- рам, ОТК — выбо- рочно	То же
Металлизация	Чистота поверх- ности алюминие- вой пленки	Визуальный	Микроскопы ММУ-1, ММУ-3	Цех - 100%, ОТК — 20%	Поры, царапины
	Толщина алю- миниевой пленки		Микроинтерфе- рометр МИИ-4	Цех, ОТК — 100%	Отклонения от толщины, задан- ной в ТД
	Адгезия алюми- ниевой пленки		Микроскоп МИИ-4	Цех, ОТК — вы- борочно (одна-две пластины из пар- тии)	Отклонения, разрывы
§ 2.3. Контроль гибридных ИМС и МСБ
Спецификой контроля качества гибридных ИМС, БИС
и МСБ является изготовление пассивной части (в большинст-
ве случаев) в непрерывном вакуумном цикле. При этом
в задачу контроля входит не только оценка качества полу-
чаемых пленочных структур, но и проведение процессов
напыления в контролируемом режиме параметров самих
пленок. Основными контролируемыми параметрами при
нанесении пленок являются толщина и скорость нанесения.
Контроль толщины и скорости нанесения пленок.
Основными требованиями к методам и аппаратуре на их
основе, предназначенными для контроля толщины и ско-
рости нанесения пленок, являются:
а)	малая погрешность измерений — не более несколь-
ких процентов от измеряемой величины, а в некоторых
случаях не более 1%;
б)	высокая надежность, стабильность во времени и
независимость показаний от условий работы: температуры,
давления, воздействия агрессивных паров и т.д.;
в)	высокая чувствительность и ее постоянство в широком
диапазоне измеряемых величин.
В отдельных случаях к методам предъявляются до-
полнительные требования:
а)	возможность одновременного измерения толщины
и скорости нанесения пленок;
б)	пригодность для измерения толщины и скорости
нанесения металлических и диэлектрических пленок;
в)	возможность автоматического регулирования скоро-
сти нанесения пленок и прерывания процесса осаждения
при достижении заданного значения толщины пленки.
По физическим принципам методы измерения толщины
и скорости нанесения пленок можчо подразделить на три
основных типа:
1)	методы, основанные на измерении параметров осаж-
даемой на подложку пленки в течение определенного
промежутка времени;
2)	методы, основанные на измерении параметров потока
испаряемого материала;
3)	методы, основанные на измерении реакции конт-
рольной подложки на удары об нее испаряемых частиц.
Методы первого типа позволяют непосредственно из-
мерять массу (или толщину) пленки в процессе нанесения,
а методы второго и третьего типов — скорость нанесения
пленки. Однако методами первого типа можно определить
44
и скорость нанесения пленки путем измерения приращения
толщины (или массы) слоя в единицу времени (дифферен-
цирование), а методами второго и третьего типов — массу
(или толщину) пленки путем суммирования приращений
скорости нанесения в единицу времени (интегрирование).
Скорость нанесения пленки определяют по двум вели-
чинам: скорости испарения, характеризующей поток испа-
ряемого материала, и скорости осаждения, характеризую-
щей рост пленки на подложке. Следовательно, скорость
испарения можно измерить методами второго и третьего
типов, а скорость осаждения — методами первого типа.
Однако если допустить, что поток испаряемого материа-
ла молекулярный и все молекулы, подлетая к подложке,
осаждаются на ней, то для измерения скорости осажде-
ния можно воспользоваться методами второго и третьего
типов, разместив преобразователь измерительного уст-
ройства на уровне подложки.
Таким образом, методы измерения толщины и скорости
нанесения пленок, несмотря на разнообразие физических
принципов, обладают универсальностью и могут быть
использованы для измерения как параметров потока
испаряемого материала, так и параметров пленки, осаж-
даемой на подложку. Для этих целей наибольшее при-
менение нашли резистивный, резонансно-частотный и
ионизационный методы.
Резистивный метод основан на измерении сопротивле-
ния металлической пленки в процессе ее нанесения.
Для измерения сопротивления резистивных пленок
в процессе их осаждения применяют прибор КС-2, кото-
рый позволяет измерять сопротивление в диапазоне от О
до 100 кОм с точностью до 0,5%.
В основу резонансно-частотного метода (метода
кварцевого резонатора) положено свойство кристалла
кварца изменять частоту колебаний при нанесении на его
поверхность дополнительной массы. Измеряя изменение
частоты генератора при нанесении какого-либо материа-
ла на кварцевый преобразователь, включенный в контур
этого генератора, можно определить толщину осажденной
пленки, зная ее плотность.
Для измерения толщины слоев данным методом в про-
цессе осаждения в пределах от 0,01 до 5 мкм используют
прибор КИТ-2.
Сущность ионизационного метода состоит в следующем.
При нанесении тонких пленок в вакууме методом терми-
ческого испарения для контроля параметров технологичес-
45
кого процесса можно пользоваться системами, основанными
на измерении ионного тока, который создается путем
ионизации части потока паров осаждаемого материала в
специальном устройстве— ионизационном преобразователе.
При этом значение ионного тока оказывается пропор-
циональным скорости осаждения пленки, если преобразо-
ватель находится рядом с подложкой. Однако в простран-
стве, где происходит ионизация, наряду с молекулами
испаряемого материала, движущимися в определенном
направлении, всегда имеются хаотически перемещающиеся
молекулы остаточных газов, которые тоже ионизируются
и тем самым создают помеху, искажающую результат
измерения. Поэтому при измерении скорости осаждения
ионизационным методом возникает необходимость вы-
деления из общего ионного тока полезной составляющей,
т.е. ионного тока испаряемого материала. На основе этого
метода построен отечественный прибор контроля скорости
роста и толщины пленок КСТ-1.
Контроль внешнего вида. В процессе изготовления
пассивной части гибридной ИМС или МСБ, а также при
сборке проводят контроль внешнего вида. Этот контроль,
являющийся первой операцией межоперационного и финиш-
ного контроля, проводите целью отбраковки ИМС, которые
имеют явно выраженные дефекты пленок, соединений и
навесного монтажа. При таком контроле обнаруживают
следующие дефекты пленок:
а)	смещение слоев относительно друг друга и края
подложки;
б)	искажение рисунка тонкопленочной микросхемы;
в) вздутие и отслаивание участков пленки;
г) царапины на пленках;
д) капли испаряемого материала на поверхности пленок.
Внешний вид обычно контролируют с помощью микро-
скопа МБС-200, увеличивающего рассматриваемый объект
от 3,5 до 88 раз, в поле зрения соответственно от 42 до
2,6 мм.
В результате данного контроля удается избежать
непроизводительного расхода времени на измерение электри-
ческих параметров ИМС.
Контроль электрических параметров. При межопера-
ционном и финишном контроле тонкопленочных ИМС
проводят большое количество измерений различных
электрических параметров элементов: сопротивлений рези-
сторов, проводников и изоляции, а также емкости и тан-
генса угла диэлектрических потерь конденсаторов. Эти
4fi
измерения характеризуются рядом особенностей, обуслов-
ленных весьма малыми размерами пленочных элементов,
большим количеством и разнообразием таких элементов
на одной подложке, а также широким диапазоном значений
измеряемых параметров. Кроме того, с развитием тонко-
пленочной микроэлектроники наблюдается тенденция к
ужесточению допусков на параметры элементов (в основном
элементов аналоговых ИМС). Поэтому при измерении
параметров элементов микросхем используют специальные
приспособления, служащие для надежного подключения
пленочного элемента к измерительному прибору и получе-
ния небольшого переходного сопротивления между зондом
приспособления и контактной площадкой ИМС при малой
площади контактирования.
На одной подложке обычно содержится до 300 и более
пленочных элементов, и таких подложек одновременно
поступает на измерительные операции несколько десятков,
поэтому измерения в производстве тонкопленочных микро-
схем носят массовый характер. В связи с этим важное
значение приобретает автоматизация измерений.
Широкий диапазон измеряемых параметров и различные
требования к их точности обусловливают применение для
тонкопленочных ИМС различных измерительных приборов.
Нередко для измерения параметров только одной микросхе-
мы используют несколько приборов.
Для подключения измерительных приборов к элементам
ИМС широко распространены специальные контактные при-
способления с двумя зондами, изготовленными из посереб-
ренной латуни и заостренные на концах. Техника контак-
тирования с помощью двухзондового приспособления за-
ключается в последовательной перестановке зондов с одной
пары контактных площадок на другую. Время, затрачивае-
мое на одну перестановку, равно примерно 3 с.
Для автоматизации измерений и снижения их трудоемко-
сти в производстве тонкопленочных ИМС начали применять
различные конструкции многозондовых приспособлений.
Для измерения электрических параметров тонкопленоч-
ных элементов используют следующие измерительные при-
боры: одинарные равновесные мосты постоянного тока с руч-
ным и автоматическим уравновешиванием и омметры для
измерения сопротивлений тонкопленочных проводников,
резисторов и изоляции; равновесные мосты переменного
тока и приборы на основе резонансного метода для измере-
ния емкости и тангенса угла диэлектрических потерь тон-
копленочных конденсаторов.
47
В производственных условиях предпочтение отдается ав-
томатическим цифровым приборам, которые настраивают-
ся на измеряемую величину автоматически, а результат
измерения выдают в цифровой форме. В Приложении 1
приведены данные по методам и средствам производст-
венного контроля гибридных ИМС, платы которых изго-
товляют фотолитографическим методом.
§ 2.4. Тестовый контроль БИС И МСБ
С ростом степени интеграции ИМС усложняется процеду-
ра производственного контроля их качества, а визуальные
и электрические методы контроля параметров отдельных
слоев после выполнения соответствующих операций ста-
новятся малоэффективными из-за их ограниченности. Огра-
ниченность рассмотренных в § 2.2, 2.3 методов и видов конт-
роля при изготовлении БИС и МСБ состоит в том, что сведе-
ния, полученные в результате единичных измерений, рас-
пространяются на всю партию, т. е. статистически не обосно-
ваны. Кроме того, в ходе межоперационного контроля, про-
водимого до металлизации, а при изготовлении гибридных
БИС и МСБ — до сборки нельзя получить информацию
о параметрах готовых элементов БИС и МСБ и об отдельных
дефектах, а также о характере распределения параметров
на пластинах (подложках) и в партии. На основе данных
существующего производственного контроля качества не-
возможно практически установить степень взаимного влия-
ния контролируемых параметров и влияния каждого из
них на выход годных БИС. Следовательно, визуальные и
электрические методы контроля параметров отдельных слоев
при изготовлении БИС недостаточно полно характеризуют
технологический процесс в целом и тем самым — качество
БИС. Поэтому в отечественной и зарубежной практике
в последнее время для контроля качества ИМС, в первую
очередь БИС и МСБ, как в процессе разработки (см. § 2.1),
так и при изготовлении применяют тестовый контроль.
Тестовый, или параметрический, контроль — это конт-
роль технологического процесса по тестовым схемам. Тес-
товая схема является, как правило, обобщенным аналогом
реальной БИС или МСБ и в то же время содержит специаль-
ные структуры, предназначенные для получения парамет-
ров качества технологического процесса и изделия. Конст-
руктивно тестовые схемы реализуют в виде тестовых ячеек
и тестовых кристаллов или плат.
Различают три вида тестового контроля качества БИС:
1) на базе тестовых ячеек, встроенных в рабочие кристаллы
48
(платы) БИС; 2) на базе тестовых кристаллов (плат), зани-
мающих определенные места на рабочей пластине (подлож-
ке) БИС; 3) на базе сопровождающих технологический про-
цесс тестовых пластин. Выбор вида тестового контроля
определяется характером требуемой информации и условия-
ми производства. Характер требуемой информации обуслов-
лен назначением контроля (анализ конструкции БИС,
анализ и управление технологией, контроль качества БИС)
и количеством контролируемых параметров. В качестве
последних могут быть использованы параметры, рассмотрен-
ные в § 2.2 и 2.3, но с большей детализацией в части пара-
метров дефектности.
Поскольку качество готовой БИС определяется главным
образом электрофизическими свойствами слоев (БИС пред-
ставляют собой многослойную структуру), соблюдением
требуемых размеров и совершенством топологической струк-
туры (минимум дефектов и повреждений), все параметры
для тестового контроля подразделяют на электрофизиче-
ские, геометрические и структурные. Назначение тестового
контроля и совокупность контролируемых параметров оп-
ределяют конструкцию тестовых схем. Тестоваясхема долж-
на содержать все конструктивные элементы реальной БИС
(МСБ) и изготовляться по тому же технологическому марш-
руту.
К конструкции тестовых схем предъявляют ряд требо-
ваний, основными из которых являются:
один порядок степени интеграции и плотности упаковки
тестовых схем и БИС;
идентичность технологических процессов изготовления
тестовых схем и БИС;
возможность простого и быстрого (с применением автома-
тизированных средств) контроля параметров каждого эле-
мента БИС.
Конструирование тестовых схем представляет само-
стоятельную задачу, решаемую для каждого конструктив-
но-технологического исполнения БИС (МСБ) с учетом оп-
ределенных принципов. В общем случае конструирование
тестовой схемы (тестового кристалла или платы) означает
выбор номенклатуры и количества информативных элемен-
тов (тестовых ячеек), позволяющих по результатам измере-
ний на них (в основном электрическими методами) получать
сведения о параметрах всех видов, формируемых при из-
готовлении БИС.
Все тестовые ячейки и составляющие их тестовые эле-
менты по принципу конструирования подразделяют на два
49
вида: элементы физической структуры БИС и функциональ-
ные элементы. Первые представляют собой сочетание слоев
и областей БИС, измерение электрических параметров (тока,
напряжения, сопротивления, емкости) которых позволяет
определить их электрофизические, геометрические и струк-
турные параметры. Функциональные элементы близки по
конструкции к элементам и фрагментам реальной БИС. Их
назначение — обеспечивать
Рис. 2.1. Тестовая ячейка
типа «крест-мост» для кон-
троля сопротивления слоя
и ширины линии W
определение параметров, ха-
рактеризующих функциониро-
вание отдельных элементов
или частей БИС. Если пара-
метры элементов физической
Рис. 2-2. Тестовая ячейка
для контроля сопротив-
ления контактов ме-
талл — полупроводник
структуры, формируемые на отдельных операциях (группах
операций) технологического процесса, позволяют произво-
дить количественную оценку уровня только этих операций,
то параметры функциональных элементов дают возможность
интегрально оценивать качество процесса в целом.
При разработке тестовых ячеек, входящих в состав тес-
товых кристаллов (схем), определяют тип ячейки, обеспе-
чивающей измерения одного или нескольких заданных па-
раметров; выбирают размер ячейки и число входящих в нее
тестовых элементов, что необходимо для оптимизации топо-
логии и размеров тестового кристалла (схемы) и получе-
ния статистически значимой выборки; определяют точность
идентификации дефекта с помощью данной ячейки, в том
числе выявляют единичные и множественные дефекты.
Перечень основных тестовых ячеек, используемых для
тестового контроля полупроводниковых БИС на МДП- и
биполярных транзисторах приведен в табл. 2.2.
Наиболее важные в информативном отношении тестовые
ячейки для полупроводниковых БИС приведены на
50
PS
И
ширину линий W в мо-
Г~
гдс~|
в)
Рис. 2.3. Тестовая ячейка в
виде цепочки для контроля
структурных параметров
a)
рис. 2.1—2.3. Резистивные структуры типа «крест-мост»
(рис. 2.1) представляют собой сочетание «греческого крес-
та», образованного между контактами Pt, Р2, Р± и Р5, и
мостовой части, содержащей токовые контакты Р2, Р3 и
потенциальные контакты Р5, Р6. С помощью таких структур
определяют сопротивление слоя	”
водящей области (р, п, п+, p-Si)
стовой части (для минимизации
ошибок измерений размеры от-
дельных частей структуры на
рис. 2.1 должны удовлетворять
соотношениям W^M-, Л>15 Л4;
А > W). Для контроля сопро-
тивления контактов RK исполь-
зуют тестовую ячейку контакт-
ного «креста» (рис. 2.2), для
контроля структурных парамет-
ров — тестовые ячейки в виде
цепочки тестовых элементов
(рис. 2.3). При этом по цепоч-
кам рис. 2.3, а оценивают уро-
вень дефектности металлизации,
по цепочкам рис. 2.3, б —обры-
вы алюминиевой металлизации
на ступеньках оксида, а по це-
почкам рис. 2.3, в — обрывы
разводки из легированного по-
ликристаллического кремния.
Количество элементов в цепоч-
ке (контактов, ступенек) состав-
ляет 100—1000.
В качестве функциональных тестовых ячеек применяют
отдельные транзисторы с различными геометрическими раз-
мерами (для определения электрических параметров в за-
висимости от размеров) или матрицы одинаковых транзисто-
ров (для контроля случайных дефектов типа закорачиваний
или обрывов). Специальную форму имеют тестовые ячейки
для контроля параметров других операций или структурных
элементов БИС (фотолитографии, диффузии, подзатворного
диэлектрика и др.).
Тестовые кристаллы разрабатывают на основе тестовых
ячеек. Они могут быть универсальными, т. е. включать пол-
ный набор тестовых ячеек для контроля технологического
процесса, или специализированными по определенному
типу параметров.
51
Таблица 2.2
Тестовые ячейки для тестового контроля полупроводниковых БИС
Тестовые ячейки (тестовые элементы)	Назначение	Контролируемые параметры	Примечание
Элементы физической структуры БИС Простые диффузионные	Контроль качества диф-	ps, П(р — п), Д 1Г,	П (р-п) — совокупность
резисторы	фузии (ионной импланта-	1	1	ц. .	.	параметров р-п-переходов
Резистивные структуры	ции) и ФЛ Контроль качества форми-	Рз	Метод Ван-дер-Пау
типа «греческий крест» Комбинированные рези-	рования проводящих слоев Контроль качества фор-	PS, uz, Д1Р, 6п+(р+)	(ВДП)
стивные структуры типа «крест-мост» (модифици- рованные ВДП-структуры) Специальные резистив-	мирования проводящих сло- ев и ФЛ Контроль качества ФЛ	АПК, ДХ(У)	
ные структуры для измере- ний размерных отклонений Контактные «кресты»	Контроль качества фор-	Як	Контакты всех типов
Цепочки контактов	мирования контактных «окон» и контактов То же	1Гк. Nr.k	(А1—n+, Al—pSi и т. д.) Количество	контактов
(«змейки») Резисторы в виде длин-	Контроль дефектов ФЛ	и?обр	100—500; определяется ве- роятность появления де- фектного контакта А1—pSi; число ступенек
ных шин, пересекающих ступеньки оксида МОП-конденсаторы над	(травления) и металлиза- ции Контроль качества подза-	^SiOt ’ ^ПР	100—1000 Псп — параметры SiO,
различными	областями	творного оксида и меж-		
(подложка, «карман» и	слойной изоляции	
т. д.) Матрица МОП конден- саторов Структуры для визуально- го контроля качества ФЛ Специальные структуры	Контроль качества (це- лостности) подзатворного оксида (тонкий SiOj) Контроль дефектов ФЛ Контроль примесей, каче-	
для физического анализа Функциональные элемен- ты МОП-транзисторы раз- личного типа и геометрии Матрица МОП-транзи-	ства поверхности, механиче- ских нарушении Контроль качества основ- ных операций техпроцесса Контроль случайных де-	М
сторов Биполярные транзисторы	фектов техпроцесса Контроль качества основ-	п
различного типа и геомет- рии Матрица биполярных	кых операций техпроцесса Контроль случайных де-	
транзисторов Диоды различной геомет- рии Цепочки диода Кольцевой генератор Фрагмент из последова- тельно соединенных инвер- торов	фектов техпроцесса Контроль качества пере- ходов и изоляции То же Контроль функциониро- вания фрагмента БИС То же	
IT - w пр	Число элементов 50—ЗООС
^d » mln »	h — высота ступенек (р Si, «окно», Me и т. д.)
Vnp, U, V, NnB	ВК, масс-спектрометрия и т. д. ^пв — концентрация по- сторонних включений
ПТ’ ^SiO2' I-K	Пт — параметры транзи-
обр* ^д-к. и др-	сторов Число транзисторов в
Г' ^SiO2 l’ Ь< Д	матрице 100—400
^обр> ^дк	Число транзисторов в
Vp-n- 'ув. iys	матрице 100—300
П р-п’ ‘ув- 'ys	Применяются при недо- статочной чувствительности
		аппаратуры
Число инверторов 45
В качестве примера на рис. 2.4 приведена схема универ-
сального тестового кристалла размером 3,7 х 4 мм, пред-
назначенного для тестового контроля КМДП-БИС с поли-
кремниевыми затворами. Тестовый кристалл имеет «строчеч-
ный» принцип организации: в каждой строке размещаются
тестовые ячейки одного типа, содержащие несколько тесто-
вых элементов с различными геометрическими параметрами.
В данном случае строка 1 содержит диоды м+-р_-(«карман»)
□ □□□□□□ □_□ □□□□□□□
□ □□□□□□ □-□ □□□□□□□
jja □□□□□□ 3 □□□□□□□□
Одд □□□□□□-□□□□□□□□
Врппапоп 4 □□□□□□□□
jA □□□□□□__□□□□□□□□
□ □□□□□□ П-□ □□□□□□□
□	□	□	□	□	□
□	□	□	6	□	□	□
□	□	□____□	□	□
Рис. 2.4. Тестовый кристалл для контроля КМДП-БИС с поликрэм-
нмйёыми затворами
54
тестовая схема для контро-
ля качества межэлемент-
ных соединений гибрид-
ных ИМС:
1 — токоведущая дорожка;
2 — контактная площадка
и л--р~-типов различной конфигурации, строка 2 — п-ка-
нальные транзисторы с разными значениями ширины и дли-
ны канала, строка 3 — тестовые ячейки из контактных «кре-
стов», цепочек всех видов и простых диффузионных рези-
сторов, строка 4 — тестовые ячейки типов «крест-мост» и
диффузионных резисторов, строка 5 — МДП-конденсаторы
всех видов, строка 6 — р-канальные транзисторы разных
размеров.
Аналогичную структуру име-
ют тестовые кристаллы для
контроля биполярных БИС.
Для тестового контроля гиб-
ридных БИС и микросборок раз-
работаны тестовые схемы для
оценки качества переходов меж-
ду слоями многослойной развод-
ки, пересечений элементов ком-
мутации изолирующих слоев,
системы межэлементных соеди-
нений и резистивных элементов.
При этом тестовые схемы долж-
ны иметь высокую чувствитель-
ность как к дефектам подлож-
ки, так и к нестабильности тех-
нологических операций.
В качестве примера на рис. 2.5 приведена конструкция
трехдорожечной тестовой схемы для оценки качества меж-
элементных соединений, выполненных с минимальной ши-
риной и разной длиной, а на рис. 2.6 — тестовая схема для
оценки качества и надежности пересечений элементов ком-
мутации (схема содержит до 3000 пересечений). Использо-
вание тестового контроля предусматривает автоматизацию
измерительных операций и статистическую обработку ре-
зультатов.
Для обработки данных измерений, которые при тестовом
контроле носят массовый характер, используют статисти-
ческие методы, что позволяет достаточно полно характеризо-
вать состояние и особенности технологического процесса.
Первичная статистическая обработка включает в себя:
представление множества экспериментальных данных в на-
глядном и информативном виде (гистограммы, карты рас-
пределения параметров); вычисление статистических пока-
зателей (оценок), характеризующих совокупность значений
(выборки) каждого параметра; определение (проверку)
закона распределения параметров; определение доверитель-
55
ных интервалов для статистических характеристик и коэф-
фициентов корреляции генеральной совокупности. Даль-
нейшая обработка основана на применении современных
статистических методов — параметрической, непараметри-
ческой и робастной статистик. Следующий этап статисти-
ческой обработки данных связан с анализом взаимной кор-
реляции контролируемых параметров и влияния их на
процент выхода годных БИС. Завершается статистическая
обработка выделени-
Рис. 2.6. Тестовая схема для контроля ка-
чества пересечений соединительных про-
водников гибридных БИС н МСБ (/—то-
коведущие дорожки; 2 — контактная пло-
щадка)
ем и определением
границ областей оп-
тимальных значений
доминирующих пара-
метров, влияющих на
качество БИС.
В отечественной
практике использу-
ется ряд информа-
ционно-измер и т е л ь-
ных комплексов для
тестового контроля
БИС, например ком-
плекс иа базе изме-
рителя параметров
тестовых структур
Т-4503 и микроЭВМ
«Электроника 100/25».
Комплекс обеспечи-
вает автоматизиро-
ванные измерения
токов, напряжений,
сопротивлений и ем-
костей в широком
диапазоне со скоро-
стью 200 измереннй/с, а также контроль некоторых элект-
рофизических параметров с последующей статистической
обработкой (определение среднего, дисперсии, построе-
ние гистограммы), выводом результатов на дисплей и
цифропечать и хранением данных на внешнем ЗУ микро-
ЭВМ. Для организации контроля составляют специальную
программу, управляющую прохождением тестов, воспро-
изводящих процедуру измерений.
Следует отметить, что тестовый контроль в настоящее
время является наиболее универсальным инструментом
контроля качества БИС и-занимает ведущее место в системе
56
производственного контроля качества. Его функции и роль
постоянно расширяются по мере развития БИС, на этапе
создания БИС микропроцессоров и СБИС.
§ 2.5. Измерение параметров
и контроль функционирования ИМС
Как отмечалось (см. § 2.1), составной частью контроля
качества ИМС являются измерения их параметров и конт-
роль функционирования. Данный вид контроля применяют
на завершающих стадиях изготовления ИМС (сборка, гер-
метизация), при испытаниях, исследованиях отказов, ис-
пользовании ИМС в аппаратуре.
Каждая ИМС характеризуется совокупностью стати-
ческих и динамических параметров.
Система статических параметров цифровых ИМС сос-
тоит из совокупности параметров, характеризующихся то-
ками и напряжениями, которые определяют режим измере-
ния и измеряются по всем выходным,входным выводам и
выводам источников питания. К ним относятся входные и
выходные токи и напряжения, пороговые напряжения, на-
пряжения статических помех, а также токи, потребляемые
от источников питания при нахождении ИМС в одном из
двух логических состояний «1» или-«О».
Система динамических параметров цифровых ИМС оп-
ределяет временные соотношения между входными сигнала-
ми, между входными и выходными сигналами ИМС. Дан-
ные параметры определяют временные диаграммы различных
режимов работы ИМС. Конкретные значения статических и
динамических параметров устанавливаются для каждой
ИМС в ТУ, а их общее количество систематизировано для
каждой серии ИМС.
Контроль качества ИМС по измеряемым параметрам осу-
ществляют путем измерения токов, напряжений и времен-
ных интервалов с последующим сравнением их значений
с требуемыми — критериями, установленными в ТУ.
Для измерения статических параметров используют
известные методы амперметра и вольтметра. Измерение
статических параметров ИМС проводят в определенных
дочках входных, выходных и передаточных характеристик
ИМС, соответствующих логическим уровням «О» и «1». Из-
мерение каждого статического параметра осуществляют по
конкретной методике, предусматривающей режим измере-
ния, состояние ИМС, последовательность подачи сигналов
и др.
57
Методы измерения динамических параметров основаны
на определении временного интервала между двумя раз-
личными (или одинаковыми) уровнями напряжения вход-
ных и выходных сигналов. Электрический режим и уровни
отсчета при измерении динамических параметров устанав-
ливаются в нормативно-технической документации.
Широкая номенклатура аналоговых ИМС предопреде-
ляет большое количество измеряемых параметров. Каждый
тип аналоговой ИМС характеризуется своей совокупностью
параметров.
Функциональный контроь ИМС состоит в реализации
функциональных тестов, подаче на ИМС определенного
набора входных сигналов, формировании выходных эта-
лонных сигналов и получении результатов логического
сравнения эталонного и выходного (с ИМС) наборов сиг-
налов.
Для проведения функционального контроля ИМС ис-
пользуют различные методы, которые отличаются способа-
ми задания входных и получения выходных сигналов:
в составе устройства, сравнением с эталоном, алгоритми-
ческой генерацией сигналов, кодовым сигналом, а также по
заданной программе. Способ задания (генерации) входных
сигналов определяет эффективность функционального конт-
роля для конкретного вида ИМС. Так, для БИС ЗУ наиболее
эффективны алгоритмические сигналы, для БИС МП —
сигналы по заданной программе, полученной путем автома-
тического синтеза тестов, для матричных БИС — псевдо-
случайные коды. Поскольку с ростом функциональной слож-
ности ИМС количество разнотипных параметров увеличи-
вается и для БИС ЗУ, а также МП исчисляется десятками,
резко возрастает количество тестов при контроле на функ-
ционирование. При этом существенно усложняется проце-
дура контроля. Поэтому эффективным является функцио-
нально-параметрический контроль, обеспечивающий одно-
временно контроль функционирования ИМС и измерение
(контроль) ее статических и (или) динамических параметров
с заданной точностью
Средства контроля. В настоящее время для измерения
статических и динамических параметров и функциональ-
ного контроля ИМС в процессе массового производства ис-
пользуют в основном автоматические установки. Такие уста-
новки подразделяются на две части:!) ЭВМ и периферийное
оборудование для управления процессом контроля (изме-
рения) и регистрации результатов; 2) собственно установки
58
контроля для непосредственного параметрического и (или)
функционального контроля.
Независимо от типа контролируемых параметров и ИМС
структура установок контроля является постоянной и имеет
вид, показанный на рис. 2.7. Входящие в нее составные
части имеют следующее назначение:
устройство программного управления УУвыполняет фун-
кции приема, хранения перечня команд программы контро-
ля и данных контроля, распределяет информацию по всем
блокам установки и управ-
ляет ее работой;
блок синхронизации БС
определяет все временные
соотношения контроля (в не-
которых установках входит
в состав УУ и поэтому на
рис. 2.7 не показан);
блок БВВ служит для за-
дания входных воздействий
на контролируемую ИМС, Рис. 2.7. Структурная схема
включая источники питания; автоматической установки па-
блок контроля И измерения раметрнческого контроля ИМС
БКИ осуществляет сравне-
ние выходного сигнала контролируемой ИМС с программи-
руемым пределом (нормой) в случае контроля и измерение
выходного сигнала с цифровым выходом измеряемой ве-
личины;
коммутирующая матрица КМ осуществляет электриче-
ское подсоединение блоков БВВ и БКИ к выходам контро-
лируемой ИМС;
рабочее место РМ (измерительная головка, пост), сос-
тоящее из контактирующего устройства и специальных
согласующих (преобразующих) узлов, во многом определяет
технические характеристики установки в целом.
Установки контроля могут работать как с ЭВМ, так и
в автономном режиме. В последнем случае для ввода про-
грамм контроля используют внешние накопители или встро-
енные БИС ПЗУ и ППЗУ.
Важной характеристикой установок контроля является
производительность, которая определяется временем кон-
тактирования и временем прохождения контролирующих
тестов, что зависит от сложности ИМС. Для повышения
производительности при контроле ИМС используют раз-
личные структурные и схемотехнические приемы: совмеще-
ние контроля различных параметров, мультиплексорный
59
Рис. 2.8. Структурная схема установки совмещенного контроля ста-
тических и динамических параметров ИМС
режим работы, параллельный контроль нескольких ИМС,
совмещение параметрического и функционального конт-
роля и др.
В качестве примера на рис. 2.8 приведена структурная
схема установки совмещенного контроля статических (ст)
и динамических (д) параметров при одном контактировании,
что особенно целесообразно при контроле кристаллов ИМС
на пластинах (многократное контактирование приводит
к порче контактных площадок).
Мультиплексный режим работы установки, работающей
с пятью рабочими мостами РМХ — РМ5, подключаемыми
к одной КМ с помощью мультиплексных матриц ММ! —
ММ5, иллюстрирует схема рис. 2.9. При этом процессы кон-
тактирования и собственно контроля разделены во времени.
Рис. 2.9. Структурная схема установки контроля стати-
ческих параметров ИМС, работающей в мультиплекс-
ном режиме
60
Параллельный контроль нескольких ИМС используют
при контроле сложных БИС — МП, ЗУ, когда требуется
большое время прохождения тестов.
Организация функционального контроля на примере
контроля БИС произвольной логики (комбинационные схе-
мы, микропроцессоры) иллюстрируется схемой, показан-
ной на рис. 2.10. При таком контроле тестовые последова-
тельности формируются в виде таблиц истинности входных
и выходных состояний различными способами с помощью
Рис. 2.10. Схема проведения функционального контроля БИС
ЭВМ. В рассматриваемой схеме генератор тактовых сигналов
ГТС формирует тактовые сигналы 1 с заданным периодом и
стробирующие сигналы с заданной задержкой относительно
каждого тактового сигнала. Генератор тестовой последо-
вательности ГТП в каждом тактовом интервале формирует
слово (набор сигналов), часть 2 которого поступает на фор-
мирователи уровней входных сигналов, а часть 3 (эталонные
сигналы) — на устройство сравнения. Формирователи уров-
ней преобразуют входные сигналы в М сигналов 4, у кото-
рых уровни логического «0» и логической «1» соответствуют
логическим уровням сигналов контролируемой БИС. С вы-
ходов контролируемой БИС набор выходных сигналов 5
поступает на входы устройства сравнения, где осущест-
вляется сравнение выходного и эталонного наборов сигна-
лов, предварительно преобразованных в набор сигналов
с уровнями логических «0» и «1» системы контроля. Срав-
нение порисходит поразрядно во время действия стробирую-
щего сигнала 6. В результате на выходе устройства сравне-
61
ния в каждом тактовом интервале формируется сигнал
«годен — не годен», соответствующий правильности функ-
ционирования БИС.
Следует отметить, что в современных разработках БИС
и СБИС (БИС МП, ЗУ, однокристальных ЭВМ) предусмат-
ривается встроенная система функционального самоконт-
роля, для чего часть площади кристалла БИС отводится
под элементы (схемы), предназначенные для выполнения кон-
трольных тестов.
В промышленных условиях для контроля цифровых
ИМС и БИС применяют как специализированные установки
контроля, предназначенные для контроля ИМС определен-
ного типа (цифровых — ОЗУ, аналоговых — ОУ), так и
универсальные системы контроля, предназначенные для
полного контроля (параметрического и функционального)
одной категории ИМС (например, цифровых) различных
функциональной сложности и конструктивно-технологи-
ческого исполнения (ТТЛ, ЭСЛ, МДП, КМДП) в корпусе
и на пластине.
В отечественной практике наибольшее применение полу-
чали серийно выпускаемые установки и системы следующих
типов:
«Интеграл М» и «Вахта- 1М» для измерения и контроля
статических параметров цифровых ИМС;
ИИС-1Д, ППИ-2Д, ППС1010/01, «Элекон-ДЛ-1», «Эле-
кон-Д2М» для измерения и контроля динамических парамет-
ров цифровых ИМС;
«Элекон-Ф-ЗУМ» для функционального контроля БИС
ОЗУ, ПЗУ по различным алгоритмам;
«Элекон-СФ», «Элекон-СФ ЗУ», ИИС-3, ИИС-4 для сов-
мещенного контроля статических параметров и функцио-
нирования БИС МП и ЗУ;
ИИС-1003 для совмещенного контроля динамических
параметров и функционирования цифровых БИС;
ИИС-1010 для совмещенного контроля статических, ди-
намических параметров и функционирования цифровых
ИМС;
14КПЛ 300-02 для контроля статических и динамических
параметров ИМС ОУ;
14КПЛ 300-2 для совмещенного контроля статических
и динамических параметров БИС 12-разрядных ЦАП.
Перспективным является включение установок и систем
тестового, параметрического и функционального контроля
как составных частей в единую автоматизированную сис-
тему управления качеством производства ИМС и БИС.
62
§ 2.6. Оценка качества ИМС
по контрольным испытаниям
Контрольные испытания (квалификационные, приемо-
сдаточные, периодические и типовые) проводят по заранее
разработанным планам, устанавливающим объем, порядок
испытаний и критерии их прекращения. На основании пла-
нов составляют программы испытаний. Испытаниям подвер-
гаются не все изготовленные ИМС, а часть партии (выборка),
результаты испытаний которой распространяются на всю
партию ИМС.
В программе указывается объем выборки, состав, после-
довательность и методика проведения испытаний по видам,
критерии принятия решения по результатам испытаний.
В качестве критерия принятия решения принимают число
С отказавших ИМС в выборке, при котором результаты
испытаний считаются положительными.
Периодичность испытаний ИМС устанавливают в за-
висимости от назначения и условий эксплуатации, вида
производства, объема выпуска ИМС и категории испытаний.
Методика проведения контрольных испытаний ИМС широ-
кого применения изложена в ГОСТ 18725—83 Е.
Рассмотрим содержание и последовательность воздейст-
вия при проведении контрольных испытаний основных
категорий.
Квалификационные испытания. Такие испытания про-
водят один раз на каждом предприятии-изготовителе во
время приемки установочной партии ИМС. Их осуществ-
ляют по восьми группам и для каждой группы устанавли-
вают объем выборки, вид и последовательность испытаний,
значение приемочного числа С.
Для группы К1 проводят проверку: внешнего вида и
маркировки; электрических параметров.
Объем выборки /ij 50 шт. и пг = 100 шт. устана-
вливают для ИМС 1-й и 2-й степеней интеграции и
п = 10 шт. — для ИМС 3-й степени интеграции. При испы-
таниях ИМС 1-й и 2-й степеней интеграции допустимое при-
емочное число Сг = 1, С,2 - 0, при испытании ИМС 3-й
степени интеграции С ----- 0.
Группа К2 включает проверку: электрических парамет-
ров; теплоустойчивости; холодоустойчивости; устойчивости
к воздействию линейных ускорений; ударной прочности;
виброустойчивости; влагоустойчивости, а также испытание
на воздействие термоциклов.
63
Чтобы провести испытания по группе К2, устанавливают
выборки для ИМС 1-й и 2-й степеней интеграции соответст-
венно /ij = 20 шт., п2 = 40 шт., а для ИМС 3-й степени
интеграции значение п определяют по формуле
п,—2000/М или /72 = 4000/W,	(2.1)
где М — число элементов в ИМС 3-й степени интеграции.
Приемочное число С при этом составляет С±= 1, С2 = 1
(для ИМС 1-й и 2-й степеней интеграции) и С 0 (для ИМС
3-й степени интеграции).
Группы КЗ и К4 включают проверку наработки: КЗ —
при кратковременных испытаниях, К4 — при длительных
испытаниях.
Кратковременные испытания для контроля наработки
проводят при максимальной электрической нагрузке и по-
вышенной температуре, соответствующей степени жестко-
сти. Режимы испытаний указывают в технической доку-
ментации.
Длительные испытания на наработку являются опреде-
лительными, их проводят один раз при квалификационных
испытаниях в течение 10 000 ч. Оценку результатов испыта-
ний производят по накопленной выборке: для ИМС 1-й и
2-й степеней интеграции п — 100 шт., С — 5, а для ИМС
3-й степени интеграции п = 20 шт., С — 1.
Остальные группы включают следующие контрольные
испытания: группа К5 — проверку способности к пайке или
сварке выводов; группы К4 — Кб — проверку массы и
габаритных размеров; группа К7 — проверку механической
прочности выводов; группа К8 — проверку стойкости к про-
цессу монтажа (для бескорпусных ИМС).
Испытания по группам от 1\2 до К8 проводят на ИМС,
прошедших приемо-сдаточные испытания.
Результаты квалификационных испытаний считают по-
ложительными, если они удовлетворяют требованиям всех
групп, за исключением К4. При неудовлетворительных ре-
зультатах квалификационных испытаний принимают меры
по повышению качества ИМС и назначают новые испытания.
Приемо-сдаточные испытания. К приемо-сдаточным ис-
пытаниям ИМС 3-й степени интеграции предъявляют пар-
тиями от 10 до 100 шт., ИМС 2-й степени интеграции —
от 100 до 1000 шт., ИМС 1-й степени интеграции — от 100
до 5000 шт. Из них комплектуют выборку методом случай-
ного отбора. Приемо-сдаточные испытания проводят двух-
ступенчатым выборочным контролем или методом сплошного
64
контроля, если партия ИМС, представленных на испытания,
меньше установленной.
Приемо-сдаточные испытания включают проверку внеш-
него вида и маркировки, электрических параметров.
При двухступенчатом контроле выборка составляет
п± = 50 шт. и п2 = 100 шт. соответственно для ИМС 1-й и
2-й степеней интеграции и 25 % партии для ИМС 3-й сте-
пени интеграции. Браковочное число устанавливают: при
испытании первой выборки С1 = 1, при испытании второй
выборки С2 = 0 (для ИМС 1-й и 2-й степеней интеграции);
при испытании ИМС 3-й степени интеграции браковочное
число не допускается.
Партия ИМС, не выдержавшая приемосдаточных испы-
таний, приемке не подлежит. Такие ИМС подвергают
100 %-ной перепроверке и удаляют забракованные, после
чего составляют новые партии, формируют выборки и про-
водят повторные испытания. При отрицательных результатах
повторных испытаний партию ИМС бракуют окончатель-
но без права дальнейшего предъявления.
Периодические испытания. Такие испытания проводят
раз в 1,2, 3, 6, 12 и 24 месяцев и при получении положитель-
ных результатов после четырех последовательно проведен-
ных периодических испытаний осуществляют переход на
периодичность 2, 4, 6, 12, 24, 48 месяцев соответственно.
Периодическим испытаниям подвергают ИМС одного типа,
а их результаты распространяют на всю серию. Выборку
комплектуют из разных партий ИМС, прошедших приемо-
сдаточные испытания.
Периодические испытания проводят в такой последова-
тельности и объеме:
для группы П1 проверяют: электрические параметры;
теплоустойчивость; холодоустойчивость; устойчивость
к воздействию линейных ускорений; ударную прочность;
виброустойчивость; вибропрочность; влагоустойчивость;
кроме того, проводят испытание на термоциклы;
группа П2 включает проверку наработки при кратковре-
менных испытаниях;
для группы ПЗ проверяют габаритные и присоединитель-
ные размеры.
Испытания по группе П1 проводят методом двукратной
выборки: nL = 20 шт. и п2 = 10 шт. соответственно для
ИМС 1-й и 2-й степеней интеграции, а выборку для ИМС
3-й степени интеграции выбирают из выражения (2.1).
При этом приемочное число = 1, Сг = 1 для пг = 10-4-
3 Зак. 124
65
4-20 шт., п2 = 204-40 шт., Cj — 0 для пл = 24-4 шт. и С2=0
для «2 = 44-8 шт.
Планирование и оценку результатов испытаний по груп-
пе П2 проводят исходя из заданных значений минимальной
вероятности безотказной работы P2, риска потребителя
(заказчика) 0 и приемочного числа С. При этом планирова-
ние проводят для двух случаев:
1) продолжительность испытаний tn равна времени га-
рантированной наработки /г (/„ = Zr);
2) tn tr.
Испытания проводят по методу однократной или дву-
кратной выборки. Метод двукратной выборки применим
только при Р2 0,9.
При tn = /г планирование испытаний по методу одно-
кратной выборки осуществляют так:
устанавливают приемочные числа С;
определяют объем выборки п в зависимости от заданных
значений Р2, 0 и С. Для этого пользуются данными, при-
веденными в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Объем выборки п в зависимости от значений Р2, 0 и С
6	С	Н При Ра ИЛИ при							
		0,95	0,94	0,93	0,92	0,91	0,9	0,85	0.8
	0	45	37	32	28	24	22	14	10
0,1	1	76	63	54	47	42	37	24	18
	2	105	87	74	65	57	52	25	20
	0	31	26	22	19	17	15	10	7
0,2	1	59	49	42	36	32	29	19	14
	2	85	70	60	52	46	42	27	20
	0	23	19	17	14	13	11	8	6
0,3	1	48	40	34	30	26	24	16	12
	2	71	60	51	44	39	35	23	17
Оценку результатов испытаний производят по истече-
нии времени t„. Если число отказавших ИМС d < С, то
результаты испытаний считают положительными, если
d > С — отрицательными.
Планирование испытаний по методу двукратной выбор-
ки осуществляют следующим образом:
66
устанавливают продолжительность испытаний каждой
выборки (/„ = ir);
устанавливают для первой выборки приемочное число
С, = 0 и браковочное число С[ = 2, для второй выборки—
соответственно С2 = 0 и С2 = 1;
определяют объем первой и второй выборок из соотно-
шений
«! = а';/(1 —Р2); п2 = а2/(1 — Р2),
(2.2)
где а’ и а2 — параметры закона Пуассона для метода дву-
кратной выборки; значения а” и а2 выбирают в зависи-
______________________ мости от значений 0 из ряда:
р	а i	а a	Испытанию подвергают вы- борку П] в течение времени
			
0,1	2,6	2,00	будет (dj= 0), то испытания
0,2	2,0	1,43	прекращают и их результа-
0,3	1,6	1,18	ты считают положительными.
			Если dt 2, то испытания так-
же прекращают и их результаты считают отрицательными.
Если в выборке за время t„ откажет одна ИМС, то про-
водят испытания выборки п2 в течение времени /и. При
этом результаты считают положительными, если d2 — 0.
При /и Ф tr испытания проводят одно- или двухступен-
чатым методом. При одноступенчатом методе:
устанавливают продолжительность испытаний >
> 100 ч);
устанавливают приемочное число С;
определяют минимальную вероятность безотказной ра-
боты Р2 (t„) в зависимости от заданного значения Р2 и от-
ношения t„/tr, для чего используют данные табл. 2.4;
определяют объем выборки в зависимости от значений
Р2 (tu), 0 и С по данным табл. 2.3.
При двухступенчатом методе:
находят приемочное и браковочное числа для первой и
второй ступеней — 0, С{ = 2, С2 = 0, С2 = 1);
устанавливают продолжительность испытаний первой
ступени /и1;
вычисляют объем выборки п и продолжительность испы-
таний на второй ступени /и2:
п =—;	(2.3)
(1-Р«) (и>
j _______^2
112	(П-1)(1_Р2)
(2.4)
3
67
Таблица 2.4
Минимальная вероятность безотказной работы Рг (/„)
в зависимости от значения Р2 и отношения /и//г
Р2 (*И) При ИЛИ	При Pj
'и/'г	0,95	0,94	0.93	0.92	0,91	0.9	0,85	0.80
0,2	0,9898	0,9877	0,9856	0,9835	0,9791	0,9791	0,9670	0,9564
0,4	0,9697	0,9756	0,9714	0,9672	0,9630	0,9587	0,9371	0,9146
0,6	0,9697	0,9636	0,9574	0,9512	0,9450	0,9387	0,9071	0,8746
0,8	0,9598	0,9517	0,9436	0,9355	0,9273	0,9192	0,8781	0,8365
1 ,0	0,9500	0,9460	0,9300	0,9200	0,9100	0,9000	0,8500	0,8000
2,0	0,9025	0,8836	0,8649	0,8464	0,8281	0,8100	0,7225	0,6400
3,0	0,8574	0,8306	0,8043	0,7787	0,7536	0,7290	0,6241	0,5120
5,0	0,7738	0,7339	0,6957	0,6591	0,6240	0,5905	0,4437	0,3277
Результаты испытаний оценивают аналогично, как и
в случае t„ = ir.
Следует отметить, что периодические испытания по груп-
пе П2 являются контрольными испытаниями на надежность,
так как позволяют выявить минимальную наработку ИМС.
Если результаты испытаний по группам П1, П2, ПЗ ока-
жутся неудовлетворительными, то назначают новые перио-
дические испытания.
Типовые испытания. Состав и последовательность типо-
вых испытаний определяются характером влияния вносимых
изменений на качество изготавливаемых ИМС. Типовые ис-
пытания комплектуют из состава квалификационных, в них
включают и сравнительные испытания, проводимые для
сравнения различных типов ИМС по надежности.
Таким образом, проведение контрольных испытаний тре-
бует предварительного составления плана испытаний и раз-
работки методики проведения испытаний по каждому виду
воздействий, входящих в состав той или иной категории
испытаний.
Следует отметить, что испытания квалификационные,
приемо-сдаточные, периодические, типовые и на сохра-
няемость проводят службами технического контроля пред-
приятия-изготовителя при приемке выпускаемых ИМС,
правила которой установлены ГОСТ 25360—82.
Технологические испытания. Особое место среди меро-
приятий, обеспечивающих выпуск высококачественных из-
делий, занимают технологические испытания интегральных
микросхем. Главной целью их является своевременное вы-
68
явление дефектных ИМС на всех этапах изготовления. Тех-
нологические испытания включают термоциклирование, ис-
пытание на вибропрочность, центрифугирование, высокотем-
пературное старение, проверку герметичности и термото-
ковую тренировку. В процессе этих испытаний выявляются
образцы, имеющие производственные дефекты. От объема
испытаний и степени жесткости режимов зависят количест-
во и степень опасности выявляемых дефектов и число отб-
ракованных ИМС. Кроме того, при этом получают информа-
цию, необходимую для управления производственным про-
цессом. Технологические испытания подразделяются на
собственно технологические, проводимые в процессе изго-
товления ИМС, и отбраковочные, проводимые на готовых
микросхемах.
Отбраковка в процессе изготовления ИМС включает
в себя операции разбраковки структур по электрическим
параметрам, отбраковки поврежденных структур посредст-
вом визуального контроля и, наконец, контроль собранных
и испытанных на центрифуге ИМС перед их герметизацией.
На последнем этапе контроля выявляется основная часть
дефектных микросхем, обычно отказывающих в эксплуата-
ции из-за дефектов соединительных выводов, обрывов кон-
тактных соединений и внутрисхемной разводки, коротких
замыканий проволочных выводов между собой и на другие
элементы ИМС, царапин и загрязнений поверхности струк-
туры, дефектов кристаллической структуры, неправильно-
го монтажа кристалла на основании корпуса, наличия ино-
родных частиц и др.
Роль отбраковочных испытаний заключается в своев-
ременном выявлении и устранении из всей выпускаемой
партии ИМС, имеющих скрытые производственные дефекты,
для выявления которых требуется более продолжительное
время и более высокие уровни нагрузки, чем при техноло-
гических испытаниях. Кроме того, при этом выбраковывают-
ся образцы, у которых дефекты появились после герметиза-
ции. Большинство дефектов этой категории выявляется
лишь при продолжительном воздействии термоэлектриче-
ской нагрузки. Поэтому ИМС с подобными дефектами яв-
ляются потенциально ненадежными.
Эффективность программы отбраковки потенциально не-
надежных микросхем зависит от многих факторов и должна
оцениваться с учетом экономической целесообразности.
Помимо экономической целесообразности при определении
оптимальной программы обраковочных испытаний необхо-
димо исходить из соображений обеспечения гарантии сох-
69
рзнпости хороших ИМС Известно, что такие испытания,
как термоциклирование, испытания на вибропрочность,
вллгоустойчивость и другие, в ряде случаев являются ре-
сурсными. Чрезмерно жесткие режимы проведения подоб-
ных испытаний, включенных в состав отбраковочных, могут
привести к обратному эффекту—выработке ресурса и сни-
жению надежности хороших ИМС.
§ 2.7. Прогнозирование процента
выхода годных ИМС
При комплексной оценке качества ИМС руководствуют-
ся методическими указаниями РД50-149—79 Госкомстан-
дартов и методами, изложенными в ГОСТ 24294—80.
В производственных условиях процент выхода годных
ИМС как основной показатель качества по технологичности
определяют для каждой партии изделий простыми расчета-
ми, для чего подсчитывают количество ИМС, соответствую-
щих ТУ, и количество ИМС, забракованных после каждой
технологической операции (или групп операций), включая
контрольные. При этом различают выход годных ИМС по
пластине (подложке) при формировании кристаллов
(плат) и выход годных ИМС после сборки, что оценивается
в процентах к общему числу ИМС, запускаемых в произ-
водство и определяемых спроектированным числом кристал-
лов на пластине (плат на подложке) и числом пластин
(подложек), которые подвергаются одновременной обработ-
ке.
При разработке ИМС очень важно прогнозирование про-
цента выхода годных изделий, что является необходимой
процедурой на различных этапах разработки ИМС, особенно
БИС: при разработке ТЗ —для его технико-экономического
обоснования, при технологической подготовке производст-
ва — для определения материально-технических и людских
затрат и т. д. Выход годных ИМС зависит в первую очередь
от сложности технологического процесса.
Если известен процент выхода годных ИМС У; после
каждой операции или группы операций, то для вновь раз-
работанных ИМС одинаковой сложности выход годных ИМС
Y можно определить из выражения
У = У,Уг... УпУсб,	(2.5)
где п — количество технологических операций, для которых
известно У4; Усб—выход годных ИМС после сборки.
70
Вследствие того что технологическим процессам микро-
электроники присущ, случайно-детерминированный харак-
тер, значение Yможет колебаться в широких пределах не
только для каждой партии, но и для пластины. Поэтому
выражение (2.5) имеет ограниченное применение.
Многолетний опыт промышленного изготовления ИМС
показывает, что 85 % брака (отказов) из общего числа бра-
кованных ИМС и БИС обусловлены случайными дефектами,
а 15 % —грубыми дефектами, связанными с ошибками про-
изводства. Поэтому Теоретическую основу прогнозирования
процента выхода годных ИМС составляют статистические
модели возникающих в процессе производства ИМС случай-
ных отказов и характер распределения дефектов, обуслов-
ливающих отказы ИМС по функционированию.
Установлено, что для полупроводниковых БИС наиболее
вероятными причинами брака (отказов) являются случай-
ные дефекты трех типов: начальный пробой (прокол) слоев
SiO2, утечки токов р-п-переходов, дефекты фотолитогра-
фии. Разработанная теория прогнозирования выхода год-
ных ИМС не зависит от конкретного типа дефекта при слу-
чайном характере его проявления.
Для описания отказов разработаны некоторые матема-
тические модели случайных отказов.
Модель для среднего числа отказов:
dt = St Dt,	(2.6)
где di — среднее число отказов, вызываемых дефектами
i-ro типа; Sf — площадь критической (чувствительной к де-
фектам) области; D, — плотность дефектов.
Для отказов, обусловленных точечными дефектами
и связанных с длиной структур,
di^LiDi,	(2.7)
где Li — критическая длина.
Модель для отказов, обусловленных дефектами в пересе-
чениях многослойной разводки и в контактных соедине-
ниях:
di=doiMi,	(2.8)
где dOi — среднее число отказов на пересечение или кон-
такт; Ni — число пересечений или контактов.
Отказы в р-п-переходах в виде увеличенных значений
токов утечки обусловлены дефектами в обедненном слое,
71
который характеризуется площадью и толщиной. В этом
случае модель имеет вид
di^ViDi,	(2.9)
где Vi — критический (чувствительный к дефектам) объем
обедненного слоя.
При оценке отказов, обусловленных дефектами фотолито-
графии разных размеров х,
(2.10)
Здесь <Э, = ( 0, (х) ht (х) dx — средняя вероятность отказа;
о
5К — площадь кристалла (платы); 0,- (х)— вероятности
проявления на отказе z-ro дефекта; (х) — распределение
дефектов t-го типа.
Для оценки числа дефектов прогнозируемых ИМС зна-
чения плотности дефектов (числа дефектов на единицу дли-
ны, площади, объема или пересечение), входящие в выраже-
ния (2.6) — (2.10), определяются в результате контроля
тестовых структур. Для базовых технологических процес-
сов значения этих плотностей дефектов сохранятся и для
реальных МС. Поэтому среднее число dpi отказов прогно-
зируемой (реальной) ИМС, вызываемых дефектами z-ro
типа, равно
dpi^dTiSpi/Sri,	(2.11)
где dT, — среднее число отказов в тестовой ячейке; Spi,
STi — площади критических областей рабочей ИМС и те-
стовой ячейки.
Для прогнозирования процента выхода годных ИМС с уче-
том разновидностей неисправностей (отказов) и разных за-
конов распределения используют следующие математиче-
ские модели.
Модель для пуассоновского распределения, когда вероят-
ность появления случайных отказов не зависит от уже имею-
щихся отказов
т
У=П exp(-dpi),	(2.12)
<•= I
t
где dpi — J g (т) dx— среднее число отказов z-ro вида; т —
о
число видов отказов; g (т) — составное пуассоновское рас-
пределение отказов.
72
Модель для биномиального распределения, когда вероят-
ность появления отказов не зависит от времени и линейно
убывает в зависимости от числа имеющихся отказов:
т
Y = П (1	(2.13)
i -1
где = Cj/bi — число отказов, обусловленных дефектами
/-го вида; с; и Ь, — постоянные распределения для /-го
вида отказа.
Для отрицательного биномиального распределения,
когда отказы независимы,
т
Г = П (l+dpi/a,.)	(2.14)
<= 1
где а, — параметр распределения (зависит от размаха рас-
пределения) отказов, обусловленных дефектами /-го вида.
Выражение (2.14) является общей математической мо-
делью для прогнозирования процента выхода годных ИМС
при любом распределении отказов от случайных дефектов,
так как при а -> оо выражение (2.14) преобразуется
в (2.12), а при а = — N — в (2.13).
Выражение для прогнозирования процента выхода год-
ных ИМС с учетом грубых дефектов имеет вид
П	III
^ = П Го. П (l+dpi/a,)-^,	(2.15)
/=1	<=1
где п — число видов грубых дефектов; Yai — выход год-
ных ИМС при грубых дефектах /-го вида.
Значения входящей в (2.12) — (2.15) величины dpj оп-
ределяются выражением (2.12) по результатам тестовых
измерений.
Иногда выход годных прогнозируемых БИС связывают
с непосредственной площадью SK кристалла, для чего ис-
пользуют упрощенную математическую модель вида
y = (yr)sKs«,	(2.16)
где Y.r — выход годных серийно выпускаемых или тестовых
кристаллов площадью So.
73
Выражение (2.16) можно использовать в случае «малых»
( ^ 0,1 мкм) случайных дефектов.
В случае группирования («кластеризации») дефектов
для прогнозирования выхода годных ИМС служит выраже-
1978 1979 1980 1981 1982
Годы
Рис. 2.11. Распределение про-
гнозируемого (/) и производ-
ственного (2) процентов выхо-
да годных БИС по годам
ние, основанное на отрица-
тельной биномиальной стати-
стике:
(2.17)
где а — параметр «кластери-
зации» дефектов, определяе-
мый экспериментально с по-
мощью выражения Г.г •= (1 +
+ г/т/а)_<х.
В случае «больших»
( > 1 мкм ) дефектов, соиз-
меримых с размерами элемен-
тов БИС,
= J S (х) D (х) dx,
о
(2.18)
где S (х) — критическая площадь; х — размер (диаметр)
дефекта.
Если выявлены доминирующие механизмы отказов, то
прогнозирование процента выхода годных ИМС любого
типа осуществляют с помощью тестовых кристаллов, содер-
жащих блоки тестовых ячеек со структурами для контроля
определенного вида отказа. Тогда для трех основных видов
дефектов используют модель вида
Y = (l — D0)m‘ (1 — D,)m* (1 — D2)m>.	(2.19)
Здесь Do, Dt, D2 — вероятности отказов по каждому из де-
фектов, определяемые по измерениям соответствующих
тестовых ячеек; т — число тестовых ячеек в каждом блоке
тестового кристалла.
Для прогнозирования выхода годных резервированных
БИС используют выражение
Y = У —(МЧ-Р)!— рл< + л-П) _и у (2.20)
A (M + R-n) п! *	17	7
п— 0
74
где Л1 и R— число основных и резервных схем в БИС; Yt —
выход годных для одной основной схемы; п — целое
число (п = 0, .... R).
Применение модели (2.20) для прогнозирования процен-
та выхода годных кристаллов БИС ЗУПВ емкостью 64К
бит, как следует из рис. 2.11, дало хорошие результаты.
Следовательно, по рассмотренным моделям на основе
данных тестового контроля качества можно прогнозировать
выход годных ИМС любой функциональной сложности.
75
РАСЧЕТ НАДЕЖНОСТИ ИМС
§ 3.1. Виды и особенности
расчета надежности
Под расчетом надежности понимают определение зна-
чений количественных показателей надежности изделия
по тем или иным исходным данным. Полученные значения
показателей надежности позволяют оценить эксплуатацион-
ные свойства изделия на этапе его проектированя. Расчет
позволяет определить соответствие разрабатываемого изде-
лия заданным нормам надежности и при необходимости
принять меры к ее повышению. Как правило, расчет надеж-
ности изделия сводится к определению показателей его бе-
зотказности: вероятности безотказной работы р (/) за опре-
деленное время t и (или) интенсивности отказов X (/).
Виды расчета. В зависимости от этапа разработки изделия
применяют различные виды расчета надежности: ориен-
тировочный, полный и окончательный. Так, на этапе пред-
эскизного проектирования и разработки ТЗ определяют
нормы надежности, а на этапе эскизного проектирования
осуществляют расчет норм надежности или ориентировоч-
ный расчет надежности. На этапе разработки технического
проекта производят полный расчет надежности с учетом
режимов работы элементов и факторов, воздействующих на
изделие.
При разработке рабочего проекта осуществляют окон-
чательный вариант расчета с учетом дополнительных фак-
торов, зависящих от принятых схемных и конструктивных
решений. На этапе получения готовых образцов проводят
экспериментальную оценку уровня надежности по резуль-
татам испытаний или эксплуатации, выявляют места с не-
достаточной надежностью, вносят необходимые коррективы
в схему и конструкцию изделия и в окончательный расчет
надежности. При этом каждый вид расчета отличается пол-
нотой в зависимости от учета факторов, влияющих на на-
дежность разрабатываемого изделия. Применительно к ИМС
76
при их разработке производят в основном ориентировочный
и окончательный расчеты надежности.
Особенности и порядок расчета. При расчете вероятности
безотказной работы р (t) ИМС необходимо учитывать сле-
дующие особенности.
1.	Вероятность безотказной работы должна учитывать
три вида отказов: внезапный (катастрофический) а, постепен-
ный (параметрический) b и перемежающийся с. При этом
принимают допущение, что каждый вид отказа является не-
зависимым событием, т. е.
p(t)=P<At)Pt, (t)Pe (0-	(31)
Поскольку входящая в (3.1) функция рс (t) зависит от
ряда факторов, плохо подчиняющихся расчету, ее значение
определяют экспериментально на готовых образцах, а при
расчетах принимают рс (t) = 1.
2.	При расчете надежности следует различать: характер
работы ИМС (непрерывный или периодический); возможно-
сть ремонта (вид изделия — невосстанавливаемое или вос-
станавливаемое); неизменность структуры ИМС в процессе
работы (изделия с неизменной или изменяемой структурой).
3.	При расчете надежности ИМС расчленяют на части,
для которых имеются или легко определяются самостоятель-
ные количественные показатели надежности. Такие отдель-
ные части, имеющие самостоятельные количественные пока-
затели надежности, называют элементами расчета надеж-
ности.
В общем случае с учетом данных особенностей расчет
надежности изделий, в том числе ИМС, осуществляют в та-
кой последовательности:
1)	составляют функциональную (структурную) схему
изделия, в которую входят все элементы расчета надежно-
сти, необходимые для выполнения заданной основной функ-
ции изделия. Элементы, выполняющие вспомогательные
функции, в схему не входят;
2)	формируют понятия (виды) отказов для всего изделия
и для отдельных элементов расчета надежности в отноше-
нии как внезапных, так и постепенных отказов;
3)	составляют типовой график работы изделия (на цикл
либо на срок службы). При этом в случае необходимости
учитывают время хранения и транспортировки. Для каждо-
го интервала времени определяют режимы и условия ра-
боты изделия;
77
4)	в зависимости от требуемой точности результатов,
условий работы и стадии разработки изделия выбирают вид
и метод расчета и производят расчет надежности;
5)	устанавливают степень достоверности результатов
расчета в завимимости от принятых допущений и полноты
учета факторов, влияющих на работу изделия.
§ 3.2. Методы расчета надежности
На первых этапах развития микроэлектроники для рас-
чета надежности ИМС использовали в основном статисти-
ческие методы расчета, заимствованные из теории надежно-
сти дискретной электроники. Статистические методы рас-
чета надежности подразделяются на апостериорные и априор-
ные. Апостериорные методы используют в основном для
оценки надежности ИМС по результатам их испытаний или
эксплуатации. Априорные методы применимы для расчета
проектной надежности.
Для того чтобы понять сущность методов расчета надеж-
ности современных ИМС, рассмотрим применение статисти-
ческих методов для расчета структурной надежности.
Расчет структурной надежности. Как отмечалось, для
расчета надежности нужно предварительно разработать
(составить) функциональную в отношении надежности схе-
му изделия — схему из элементов расчета надежности, кото-
рая отражала бы выполнение заданной основной функции.
В основу построения такой схемы могут быть положены
принципиальная электрическая схема изделия и его конст-
руктивно-технологическое исполнение, где элементы схемы
заменяются элементами расчета надежности. Причем соеди-
нения между элементами расчета надежности должны соот-
ветствовать нормальному функционированию изделия с уче-
том вида отказов.
Применительно к ИМС функционально-надежностная
схема представляет собой структурную схему из элементов
конструкции, соединенных между собой таким образом, что
при данном виде отказа ее функционирование осуществляет-
ся в соответствии с принципиальной электрической схемой.
В качестве элементов конструкции здесь понимают весь
набор элементов, определяющих и обусловливающих вы-
полнение ИМС требуемой функции в определенных условиях
эксплуатации. К ним относятся: транзисторы, диоды, ре-
зисторы, конденсаторы, внутрисхемные соединения, эле-
менты корпуса, внешние выводы и др., для которых извест-
ны количественные показатели надежности.
та
При этом говорят о структурной надежности изделия,
т.е. о результирующей надежности изделия при заданной
его структуре и известных значениях надежности всех вхо-
дящих в нее составных частей (элементов конструкции).
Если отказ изделия наступает при отказе одного из его
элементов, то говорят, что схема изделия имеет основное
соединение элементов. При расчете надежности таких изде-
Рис. 3.1. Функционально-надежностные схемы с последователь-
ным (а), параллельным [б] и последовательно-параллельным (а, г]
соединениями элементов
лий предполагают, что отказ элемента является событием
случайным и независимым, а наработка на отказ распределе-
на по экспоненциальному закону.
В общем случае различают последовательное, параллель-
ное и последовательно-параллельное соединения элементов
в функционально-надежностной схеме. Любое изделие, для
которого разрабатывается функциональная схема надеж-
ности, может быть представлено в виде одного из соединений,
представленных на рис. 3.1, а — г.
Рассмотрим применение статистического метода расчета
надежности для этих соединений в предположении абсолют-
79
ной стабильности технологического процесса изготовления
однотипных элементов, когда корреляционные связи между
их показателями качества в пределах одной пластины (под-
ложки) ИМС перерастают в функциональные, а физико-
химические структуры одинаковы.
При последовательном соединении элементов в схеме
(рис. 3.1, а), если отказы отдельных элементов независимы,
то согласно теореме умножения случайных событий вероят-
ность безотказной работы изделия будет равна произведе-
нию вероятностей безотказной работы р, (/) его элементов,
т. е.
Px(t)=Pt (/)р2(0 .-РпЮ-П PdD- (3.2)
I = 1
Полагая pt (/) ехр ( — получим
Р£(0 =П ехр(—Xf/),
i = 1
или
Pt (() - exp [ —(Xj 4-Х2+ ... +х„)(| =
= ехр	Xj J =ехр( —Х2().	(3.3)
Соответствующее значение среднего времени безотказ-
ной работы
'еР=^-------=т“'	<3-4)
1
При наличии функциональных связей между показателя-
ми качества всех однотипных элементов и идентичности их
физико-химических структур, т. е. когда все элементы рав-
нонадежны и pt (t) ~ р2 (t) = рп (/) = р (/), можно
записать
Рх (0 = Р'1 (t) = exp (— n\t) == exp ( — Xv /),	(3.5)
где Xz = пХ.
При этом
(ср-=1/(лХ).	(3.6)
Рассмотрим случай, когда элементы, входящие в схему,
подразделяются на две группы с разными законами распре-
деления отказов:
80
I — элементы 1 — (k — 1), отказы которых подчиняются
экспоненциальному закону;
II —элементы k—п, отказы которых подчиняются вей-
булловскому закону.
В этом случае для элементов группы I вероятность бе-
зотказной работы
Р} (/) = exp (—Xj t) exp (—к,-1)... exp (—	t),
а для элементов группы II
Pi, (t) = exp
<*k
(<-Yfe+i)Pfe+1
OCZ-+1
... exp
(/-T»)Pn
an
Результирующая вероятность
^x(0=^i (0^u(0 = exP
X exp
безотказной работы
(3.7)
При параллельном соединении элементов в схеме
(рис. 3.1, б), когда отказы отдельных элементов независимы,
согласно теории случайных событий, вероятность отказа
qz (t) схемы равна произведению вероятностей отказа
qt (О ее элементов:
т
= qi (f) q2(f) ... qm (t) = П <7* (0.	(3 -8)
»= i
где 4l (0=1— Pi (0. Qi (0 = 1 — Pt (0  Qm (0=1 —
— pm (0-
Следовательно, вероятность безотказной работы схемы
(о = 1 (о = 1 - п (о =
i-l
т
= 1-П В-Pi (01.	(3.9)
4 Зак. 124
81
Для равнонадежных элементов, когда (/) = q2(t) = ...
 •• = q,n (t) = q (О,
qx (t)=qm (/) = [! —p(/)]'",
a
M) = l-?s(0 = l-[l-P(0lm.	(3.10)
Следует отметить, что если вероятность безотказной
работы элементов подчинена экспоненциальному закону,
то результирующая вероятность (/) не будет соответст-
вовать экспоненциальному закону.
Используя соотношения (3.3), (3.7) и (3.10), можно рас-
считать вероятность безотказной работы изделия при любом
последовательно-параллельном соединении элементов
в функционально-надежностной схеме. Среди последова-
тельно-параллельных соединений элементов наиболее рас-
пространенными являются два случая (рис. 3.1, в, г).
В случае, когда схема (рис. 3.1, в) состоит из п последо-
вательных цепочек по т элементов одинаковой надежности
р (/) в каждой,
-п {1 — [1—р (/)]"’}.	(3.11)
i 1
В случае, когда схема (рис. 3.1, г) состоит из т параллель-
ных цепочек по п элементов одинаковой надежности
р (Z) в каждой,
(0 = 1 -[1-р” (/)]'”.	(3.12)
Для расчета структурной надежности ИМС 1-й и 2-й
степеней интеграции и большинства БИС используют ос-
новное (последовательное) соединение элементов в функ-
ционально-надежностной схеме, а для расчета некоторых
БИС, особенно БИС ЗУ с резервированием (по словам и
разрядам), — последовательно-параллельное соединение.
Рассмотренные статистические методы расчета струк-
турной надежности в общем виде приемлемы для расчета
надежности как ИМС, так и РЭА (в том числе микроэлект-
ронной) на этапе их проектирования. Однако специфика
ИМС, БИС и МСБ, в частности изготовление интегрально-
групповыми методами, накладывает определенные требова-
ния на расчет их надежности. Поэтому на современном эта-
пе развития микроэлектроники для расчета надежности
основных изделий (ИМС, БИС и МСБ) с учетом их специфи-
ческих схемотехнических, конструктивных и технологи-
ческих особенностей, выработались две группы методов:
82
статистические, основанные на анализе отказов ИМС
и использовании традиционных методов статистической тео-
рии надежности применительно к расчету интенсивности
отказов;
физические (причинно-следственные), основанные на изу-
чении физики и механизмов отказов ИМС, взаимосвязи
физических явлений в ИМС с их надежностью.
Рассмотрим сущность и особенности этих методов.
Статистические методы. В основу статистических методов
расчета интенсивности отказов Х(/) ИМС положено предполо-
жение о том, что любую микросхему (БИС, МСБ) можно
рассматривать как функциональный узел, состоящий из
разнородных «дискретных» элементов. Правомерность та-
кого допущения обосновывается тем, что в настоящее время
преобладающее развитие получила «дискретная» микроэлект-
роника и современные ИМС представляют совокуп-
ность «дискретных» элементов или элементов и компонентов.
Следовательно, при расчете справедлив экспоненциальный
закон надежности. Указанные допущения позволяют рас-
считывать интенсивность отказов ИМС простым суммирова-
нием интенсивностей отказов элементов, составляющих
ИМС.
Разработаны различные методики расчета интенсивностей
отказов, отличающиеся степенью учета факторов, влияю-
щих на уровень надежности ИМС и элементов. Так, если
в ИМС имеется т типов элементов, а элементы каждого типа
равнонадежны и их отказы происходят одновременно, то
общая интенсивность отказов такой ИМС
гп
(3.13)
/= 1
где т — число типов элементов; — интенсивность отка-
зов элементов /-го типа.
В случае, когда ИМС содержит полностью коррелиро-
ванные элементы и полностью некоррелированные компонен-
ты (например, для гибридных ИМС — активные и пассив-
ные компоненты, паяные и сварные соединения и др.),
интенсивность отказов ИМС статистически определяется
как
";К	"'э
МО-	2 М(0.	(3.14)
i--= 1	i = 1
где /Пк, пгэ — число типов компонентов и элементов,
К , — число компонентов /-го типа; К (/), Л;Э (/) — ин-
4*
83
тенсивность отказов компонентов /-го типа и элементов
/-го типа.
В этом случае выражение для расчета вероятности бе-
зотказной работы ИМС при произвольном законе интенсив-
ности отказов имеет вид
(/) = ехр
(t)dt
о
= exp
mK t
'=* о;
тэ i
+ у J Ь/э (/) dt
i= i о
(3.15)
Выражение (3.15) можно использовать в предположении
наличия функциональных связей между показателями ка-
чества однотипных элементов ИМС. В то же время на прак-
тике на качество элементов влияет множество дестабилизи-
рующих факторов. Поэтому расчет надежности по соотно-
шениям (3.14), (3.15) дает заниженные значения интенсив-
ности отказов и, следовательно, завышенные значения
Ps (/). Выражения (3.14) и (3.15) позволяют рассчитать
максимально возможную надежность проектируемого конст-
руктивно-технологического варианта ИМС.
На практике наибольшее распространение получила
методика статистического расчета надежности ИМС, осно-
ванная на следующих предположениях: имеются только
внезапные отказы; коэффициенты режима работы ИМС яв-
ляются функцией лишь положительной температуры окру-
жающей среды, при которой теплота, выделяемая ИМС,
возрастает; влияние электрического режима работы и дру-
гих эксплуатационных факторов определяется соответст-
вующими коэффициентами; формирование структурных
элементов обусловлено конструктивно-технологическим ис-
полнением ЙМС. Применение данной методики изложено
в последующих параграфах при расчете проектной надеж-
ности полупроводниковых и гибридных ИМС.
Отметим, что статистические методы расчета надежности
даже при высокой достоверности исходных данных о на-
дежности элементов не позволяют получить приемлемую
точность расчетов. Кроме того, при таком подходе к расчету
надежности возникает ряд непреодолимых трудностей. Дей-
ствительно, надежность современных изделий электронной
техники характеризуется кривой распределения интенсив-
ности отказов, приведенной на рис. 3.2.
Из кривой рис. 3.2 следует,что надежность современных
ИМС достаточно высокая и оценивается в настоящее время
84
интенсивностью отказов X = 1СГ7 ~ 10~8	ч1. При
экспоненциальном законе надежности этой интенсивности
отказов соответствует средняя наработка ИМС до отказа
С = — =---------------!------------« 1 000 -у 10 000 лет.
к [(10-’— 10-9) (365 дн 24 ч)1
При таком уровне надежности ИМС статистические ме-
тоды расчета А (/) и р (/) требуют предварительного проведе-
ния чрезвычайно трудоемкого эксперимента на огром-
ном количестве образцов, что связано с большими
Рис. 3.2. Типовое распределение изделий электронной техни-
ки по интенсивности отказов:
1 —- мощные и крупногабаритные приборы; 2 —• приборы среднего уровня
надежности; 1 — ИМС и маломощные приборы; 4 — простейшие приборы,
элементы приборов н ИМС
экономическими затратами. Например, для подтверждения
(оценки) A (t) = 10-’ ч-1 с достоверностью у = 0,95 тре-
буется проведение испытаний партии ИМС в количестве
N = 3000 шт. в течение времени = 10Б ч = 10 лет,
а для проверки надежности ИМС с А (<) = 10~8 ч-1 эти
показатели возрастают на порядок, т. е. М = 30 000 шт.
и ilt -- 100 лет. Такие данные практически получить не-
возможно, поскольку требующийся объем выборки оказы-
вается равным объему производства или больше него, а про-
должительность испытаний превышает время разработок
ИМС и освоения их в серийном производстве.
Кроме того, как отмечалось, статистические методы
расчета надежности базируются на традиционном представ-
лении, характерном для РЭА на дискретных компонентах,
что ИМС и МСБ представляют совокупность разнородных
85
элементов и компонентов. В то же время, как доказано экс-
периментально, функциональная сложность ИМС мало влия-
-ет на их надежность, что обусловлено интегрально-группо-
вой технологией изготовления микросхем. Этого также не
учитывают рассмотренные методики расчета. И наконец,
статистические методы расчета базируются на статистике
фиксации отказов отдельных элементов ИМС без анализа
механизмов и причин отказов. Поэтому они нуждаются
в совершенствовании по мере изучения физики отказов
ИМС. В настоящее время статистические методы расчета
надежности применяются для сравнительной, ориентиро-
вочной оценки надежности альтернативных решений при
выборе варианта проектируемой ИМС, а также для сравне-
ния надежности проектируемой ИМС с имеющимися ана-
логами. При таких расчетах абсолютная ошибка расчета не
играет большой роли и не предъявляется жестких требова-
ний к достоверности исходной информации о надежности
ИМС, БИС, МСБ, их элементов и компонентов.
Причинные (физические) методы. Ограниченность стати-
стических методов расчета надежности ИМС привела к не-
обходимости развития физико-статистических методов, поз-
воляющих устанавливать причинно-следственные связи,
определяющие надежность ИМС. Такой подход наиболее
полно отражает конструктивно-технологические особен-
ности ИМС и базируется на анализе физики и причин отка-
зов ИМС.
Физические методы расчета надежности учитывают сле-
дующие особенности ИМС:
1)	при достигнутой надежности ИМС и высоких темпах
разработок функциональных структур ИМС и БИС, совер-
шенствовании технологии микроэлектроники, непрерывном
росте степени интеграции невозможно получить данные
о надежности ИМС и БИС путем прямых статистических
испытаний (большие экономические затраты, быстрое уста-
ревание приобретаемой информации);
2)	накопленные данные по результатам испытаний ИМС
показывают, что их надежность слабо зависит от числа эле-
ментов, но в значительной степени определяется качеством
технологического процесса (качеством оборудования, чис-
лом технологических операций и т. д.);
3)	типовые технологические процессы изготовления ИМС
и БИС (биполярная, МДП-технология и др.) отличаются
сравнительным постоянством, связанным с большими зат-
ратами и стандартизацией технологического оборудования
и процессов.
86
Постоянство типовых технологических процессов ука-
зывает на целесообразность перехода от оценки надежности
ИМС с одинаковой функциональной структурой к оценке
надежности технологически однотипных ИМС. Тем самым
сокращается объем статистических испытаний ИМС (испы-
таниям достаточно подвергнуть только один тип ИМС из
серии), а полученная информация о надежности ИМС рас-
пространяется на все ИМС серии и является устойчивой и
достоверной до изменения технологии или замены оборудо-
вания. Эти особенности положены в основу причинного
метода расчета интенсивности отказов ИМС.
Данный метод основан на изучении причин, физики и
механизмов отказов ИМС и установлении их связей с типо-
вой (базовой) технологией в целях совершенствования мето-
дов управления качеством ИМС, а также на ускоренном
выявлении потенциально дефектных и ненадежных ИМС.
Анализ отказов ИМС в аппаратуре показывает, что ос-
новными источниками отказов являются невыявленные на-
рушения технологического процесса изготовления ИМС.
Доминирующими являются внезапные отказы. Для оценки
X (/) требуются систематизация отказов и выделение в них
компонентов ненадежности. При этом руководствуются,
что компонентами ненадежности могут быть составные час-
ти ИМС, которые:
обладают определенной конструктивной или технологи-
ческой независимостью;
допускают изготовление с помощью сравнительно замк-
нутой последовательности технологических операций;
имеют количественные показатели, удобные для контро-
ля и анализа отказов.
Расчленение ИМС или БИС на компоненты ненадежности
условно и в каждом конкретном случае определяется воз-
можностями и удобством получения статистической инфор-
мации об их надежности. Так, например, анализ и система-
тизация данных по отказам полупроводниковых ИМС по-
казали, что их надежность определяется четырьмя компонен-
тами ненадежности:
внешними соединениями, включая выводы корпусов ИМС;
внутренними контактными соединениями, обеспечиваю-
щими соединения различных структурных областей полу-
проводника с металлическими пленочными или поликрем-
ниевыми проводниками (сюда относятся и затворы МДП-
ИМС);
площадью кристаллов ИМС;
корпусами ИМС.
87
Тогда при экспоненциальном законе надежности обоб-
щенную модель интенсивности отказов ИМС можно пред-
ставить в виде
^ИМС = ^вс + ^кс +	+ ^К.	(3.16)
где ХВо, Хкс, Хп, Хк — интенсивности отказов внешних сое-
динений, внутренних контактных соединений, кристалла
(обусловлена его площадью) и корпуса ИМС.
Данная модель может быть положена в основу физиче-
ских методов расчета надежности полупроводниковых ИМС.
Физические методы используют для:
расчета надежности ИМС с учетом качества их производ-
ства и эксплуатационных условий;
прогнозирования надежности технологически однотип-
ных ИМС с различной функциональной структурой.
Применение физических методов наиболее целесообразно
для расчета и оценки надежности полупроводниковых ИМС,
в первую очередь БИС и СБИС.
Кроме рассмотренных различают методы расчета надеж-
ности ИМС по внезапным и постепенным отказам.
§ 3.3. Расчет надежности гибридных
ИМС и МСБ по внезапным отказам
Расчет надежности гибридных ИМС и МСБ на этапе их
разработки в большинстве случаев основан на определении
интенсивности отказов и последующем вычислении вероят-
ности безотказной работы Р (?) за требуемый промежуток
времени. Для расчета надежности гибридных ИМС в на-
стоящее время применяют в основном статистические методы
определения X (/), которые базируются на предположении,
что гибридная ИМС представляет собой функциональный
узел из разнородных дискретных элементов, а отказ любого
из них приводит к отказу ИМС. При этом функционально-
надежностная схема состоит из последовательной цепочки
компонентов ненадежности, которые работают одновремен-
но, а их отказы являются случайными и независимыми собы-
тиями, т. е. для такой схемы справедлив экспоненциальный
закон надежности. Следовательно, интенсивность отказов
ИМС определяется простым суммированием интенсивностей
отказов компонентов ненадежности.
В качестве компонентов ненадежности гибридных ИМС
(МСБ) используют элементы и компоненты схемы, а также
элементы конструкции ИМС (рис. 3.3), для которых изве-
88
стны или могут быть определены значения интенсивности
отказов: пленочные резисторы 1, конденсаторы 2 и провод-
ники 3, дискретные кристаллы полупроводниковых при-
боров 4 и ИМС 12, дискретные резисторы 5 и конденсаторы
6, контакты между пленочными проводниками 7, проволоч-
ные перемычки 8, сварные и паяные соединения 9, подлож-
ка 10, корпус 11 и др.
Рис. 3.3. Конструкция гибридной ИМС
Расчет надежности производят после разработки тополо-
гии и конструкции гибридной ИМС (МСБ) с учетом реаль-
ных режимов работы элементов и компонентов и влияния
факторов окружающей среды.
Исходными данными для расчета надежности гибридных
ИМС (МСБ) являются:
принципиальная электрическая схема и режим работы,
топология, конструкция, технология изготовления и сбор-
ки ИМС;
значения интенсивности отказов loi для каждого ком-
понента ненадежности при нормальных условиях (темпера-
тура Т = (20 ± 5) °C, влажность (60 ±20) %, атмосфер-
ное давление 840—1067 Па, номинальный электрический
режим);
время безотказной работы t или минимальная наработка
t„ до отказа и условия эксплуатации;
89
зависимости интенсивности отказов отдельных компонен-
тов ненадежности от электрического режима и внешних
условии:
(3.17)
где а, = / (Т, k„) — коэффициент, учитывающий влияние
окружающей температуры и электрической нагрузки; /г; =
= k2 k3—коэффициент, учитывающий воздействия
механических нагрузок, влажности и атмосферного давления.
Значение интенсивности отказов гибридной ИМС,
содержащей плату с полным набором пленочных элементов и
компонентов и гибким проволочным монтажом, при учете
режима работы и условий эксплуатации согласно изложен-
ной методике определяется выражением
Xv =- [Nнмс ^оимс «имс + Л^т ^от «т + Мд ^од «д +
+ Мд Фд сс« + Мс ^ос «с + МП112.о„п апп + МкП ХОкП +
/ ''
+ Мн kn„ аи 4-I у Мяимс + З/Vt 2Мд + 2МП) Хопр 4~
\ >= 1
I к	\
\ 2 I V Л4, имс; ф ЗМТ + 2МД -ф 2Л'„ ф 2М„ | А0сосд ф
лЛн-Р-о,М',	(3.18)
где .Мимс, Л/т. Л/д, Nк, Nc, Л/П||, Л/кп, Л/н, Л/„имс,
Мв — количество кристаллов ИМС, транзисторов, диодов,
пленочных резисторов, конденсаторов, проводников и кон-
тактных площадок, навесных пассивных элементов (компо-
нентов), выводов <-й ИМС и выводов корпуса соответствен-
но, \)ИМС, \)Т> \>Д, ^оД, \>С, ^опп. \>кп> ^0п> /“опр.
\>Соед> Фп и Фи — интенсивности отказов полупроводнико-
вых ИМС, транзисторов, диодов, пленочных резисторов,
конденсаторов, проводников и контактных площадок, на-
весных пассивных элементов (компонентов), проволочных
перемычек, соединений, подложки и корпуса соответственно;
а — поправочные коэффициенты, учитывающие влияние
температуры и электрической нагрузки на соответствую-
щий компонент ненадежности; k = Л'имс — количество
полупроводниковых ИМС.
В случае применения в гибридной ИМС жесткого монтажа
компонентов выражение (3.18) упрощается. Расчетное
значение вероятности безотказной работы гибридной ИМС
за время t
Рр (/) =exp(-Xz/).
(3.19)
90
Рекомендуемые для расчетов средние статистические
значения интенсивностей отказов основных элементов и
компонентов гибридных ИМС следующие:
1от=ХОд= 1,0-IO'8 ч-‘; Хок= 1,0-10-’ ч-1;
Хос=(8,0ч- 10)-10-’ч-1; Хон = (5,04-7,0)-10-10 ч-1;
Хоп = 5,0-10 ~10 ч-’; Х01„, = 1,1 • 10-» ч-';
*осоед = 0, ИЮ-" Ч-'.
Зависимости коэффициентов аЛ, ат, ад и ас от тем-
пературы Т окружающей среды и коэффициента нагрузки
k,t для пленочных резисторов, транзисторов, диодов и кон-
денсаторов приведены на рис. 3.4, а — г.
Для определения коэффициентов нагрузки активных и
пассивных элементов производят расчет электрического
режима работы гибридной ИМС (цифровые ИМС рассчиты-
вают для двух логических состояний). Для этого сначала
рассчитывают токи, протекающие через элементы, пользуясь
системой уравнений первого порядка, составленной по вто-
рому закону Кирхгофа для принципиальной электоической
схемы ИМС.
В режиме насыщения активных элементов система урав-
нений имеет вид
2/;	+ Sl/кэн/ + 2б/БЭН1 + St/д.- =17и.п + Д^и.п, (3.20)
где /г — ток, протекающий через z'-й резистор; (7бэнь
б/к.Эн. — напряжения на участках база — эмиттер и
коллектор — эмиттер в режиме насыщения; б/д. — паде-
ние напряжения на открытом диоде; б/и.п, Аб/И.п — напря-
жение источника питания и абсолютный допуск на его
изменение.
В активном режиме система уравнений имеет вид
2/г Rt + Хб/Бэ.- + 2Uд(. = 67И.П + Дб/И.п, (3.21)
где 6/бэ — напряжение на участке база — эмиттер тран-
зистора в активном режиме (б/Бэ ~ 67бэн)-
Коэффициент нагрузки транзисторов и диодов опреде-
ляют из формул
fe11T = й„д = щах | k"' = Л//гдоп’	(3.22)
I йнц = б/г/бУгдоП,
где /, — ток коллектора Z-го транзистора или открытого
диода; U~ напряжение на участке коллектор— эмиттер
i-ro транзистора или на закрытом диоде; /гдоП, б/.дои—
91
56
19
допустимые значения токов и напряжений транзисторов и
диодов.
Коэффициент нагрузки дискретных резисторов
(3 23)
а пленочных резисторов
Ро).	(3.24)
Значения коэффициентов нагрузки пленочных и дискрет-
ных конденсаторов определяются соотношением
k.c =	(3.25)
Для различных условий эксплуатации значения коэф-
фициента klt входящего в (3.17) и учитывающего воздейст-
вие механических нагрузок, следующие: лабораторные 1,0-
полевые 1,07; корабельные 1,37; автомобильные 1,46; же-
лезнодорожные 1,54; самолетные 1,65.
Значения коэффициента k2 в зависимости от влажности
и температуры составляют; 1,0 при влажности 60—70 %
и Т = 20-?40 °C; 2,0 при влажности 90—98 % и Т = 20-4-
-4-25 °C; 2,5 при влажности 90—95 % и Т = 30-4-40 °C.
Значение коэффициента /гя, учитывающего влияние ат-
мосферного давления, изменяется в пределах 1,0—1,45 в за-
висимости от изменения высоты от 1 до 40 км (изменение
k3 составляет примерно 0,1 на каждые 5 км).
Расчет проектной надежности гибридных ИМС (МСБ)
производят в таком порядке:
1)	по разработанной топологии и конструкции состав-
ляют функционально-надежностную схему и определяют
количество однотипных компонентов ненадежности Мимс.
Nt Nr, No Nr- N N NN
Д» JV ;vG»'von»	/vh« 2*соед>
2)	по справочным данным определяют значение Xoi для
каждого компонента ненадежности;
3)	используя выражения (3.21) — (3.25), рассчитывают
электрический режим работы и для активных и пассивных
элементов определяют коэффициенты нагрузки йн;;
4)	в зависимости от условий эксплуатации, пользуясь
зависимостями на рис. 3.4, определяют коэффициенты
ат, ад, аЛ, ас (при этом принимают аимс « ат);
Рис. 3.4. Зависимости поправочных коэффициентов от температуры
и коэффициента нагрузки ka для пленочных резисторов (а), транзи-
сторов (б], диодов (в) и пленочных конденсаторов (г|
93
5)	по справочным данным определяют значение коэф'
фициента X,, при этом для бескорпусных гибридных ИМС
и МСБ ki — kik2k3, для корпусных гибридных ИМС
/г,- = /?,.
Следует отметить, что на такие компоненты ненадежно-
сти, как подложка, соединения, проволочные выводы и
перемычки, корпус, действуют только внешние условия,
характеризующиеся kt, т. е. для них X,- - Хо,£,-;
6)	с помощью выражения (3.18) определяют суммарную
интенсивность отказов спроектированной гибридной ИМС
(МСБ);
7)	по заданному времени и полученному значению Xs,
используя выражение (3.19), рассчитывают вероятность бе-
зотказной работы и сравнивают ее со значением, заданным
в ТЗ или оговоренным в ОТУ.
Поскольку в гибридных ИМС пленочные элементы фор-
мируются одновременно в определенном технологическом
цикле, свойства материалов и физико-химические процессы,
сопутствующие отказам, сильно коррелированы. В этом
случае в эквивалентной схеме надежности целесообразно
использовать в качестве компонентов ненадежности не
отдельные пленочные элементы, а комплексы (группы)
однотипных элементов, изготовляемых в одном технологи-
ческом цикле, а вместо Хд, Хс и других величин вводить
удельные интенсивности отказов для единицы длины рези-
стивной пленки с определенной шириной (Х^о), единицы
площади пленочных конденсаторов (ХСо), изолирующих
областей для многослойных коммутационных плат гибрид-
ных БИС и МСБ (Аи0) и т. д. При этом интенсивности отка-
зов групп однотипных элементов определяются выражения-
ми
k	т	I
).R = У /,• XW01-; Хс = V Soi Хсо; хи = У SaI- Х110, (3.26)
,= i	z=i	"i
где /, — длина резистора t-й группы; So; и SHi — площади
взаимного перекрытия металлических обкладок в конден-
саторах и изолирующих областях.
При этом расчет надежности становится более достовер-
ным, его процедура упрощается. Необходимые значения
удельных интенсивностей отказов определяют путем испы-
таний специальных тестовых структур.
Таким образом, расчет надежности по изложенной мето-
дике позволяет произвести оценку проектной надежности
разрабатываемой гибридной ИМС (МСБ) и в случае необ-
ходимости принять меры для ее повышения.
(И
§ 3.4. Расчет надежности
полупроводниковых ИМС
по внезапным отказам
Для расчета надежности полупроводниковых ИМС раз-
работан ряд методик на основе статистического и физическо-
го методов.
Статистические методы используют для ориентировочно-
го расчета надежности на этапе эскизного проектирования
ИМС, а физические —для окончательного расчета на этапе
разработки рабочей документации.
Рассмотрим наиболее распространенные методики расче-
та для этих двух методов.
Статистический метод. В основу методики расчета надеж-
ности полупроводниковых ИМС на основе статистического
метода положены те же допущения, что и при расчете гиб-
ридных ИМС. При этом учитывается, что резисторы и кон-
денсаторы формируются на базе транзисторной структуры,
т. е. с помощью прямых и обратно смещенных р-н-переходов.
Поэтому интенсивность их отказов принимается такой же,
что и у диодов. В качестве компонентов ненадежности полу-
проводниковых ИМС при данном расчете используют эле-
менты структуры и конструкции ИМС (рис. 3.5): транзистор-
ные 1 и диодные 2 р-л-переходы, внутрисхемные соединения
3 и выводы корпуса 4.
Интенсивность отказов корпусных полупроводниковых
ИМС рассчитывают по выражению
Лиме = [Л/т ест Хт + /Vд ад Лд ф-
+ (ЗМТ + 2МД + М„) Xc„eJ /?н,	(3.27)
где jVt — число условных транзисторных переходов;
Л/д — число условных диодных переходов, равное общему
числу диодов, резисторов и конденсаторов; Nn — число
внешних выводов; ат, ад — коэффициенты режима ра-
боты транзисторных и диодных переходов; Лт, Лд и
Лсоед — интенсивности отказов транзисторных переходов,
диодных переходов и соединений соответственно (для нор-
мальных условий); А,в — коэффициент вибрации.
При расчете Лт бескорпусных полупроводниковых ИМС
выражение (3.27) упрощается, так как отсутствуют соеди-
нения с выводами корпуса и Мв 0. Рекомендуемые для
расчетов средние статистические значения интенсивностей
отказов компонентов ненадежности следующие: Лт = 1,0х
95
X 10-8 ч-i; Хд =	= Хс = 0,6 • 10-8 ч-1; Хсоед =
= 0,1  10-8 ч-1.
Рекомендуемые значения коэффициентов режима работы
для различной температуры окружающей среды при расчете
по данной методике приведены в табл. 3.1.
Значение вероятности безотказной работы Р (/) опреде-
ляют обычным путем.
Рис. 3.5. Конструкция полупроводниковой биполярной
ИМС
Следует отметить, что полупроводниковые ИМС общего
применения универсальны и предназначены для многоцеле-
вого использования. В конкретном схемном включении
часть цепей и внешних выводов ИМС может не использо-
ваться и, следовательно, они не будут влиять на надежность
всего устройства. Поэтому расчет Хг по выражению (3.27)
необходимо производить с учетом конкретного включения
ИМС. Это часто имеет место при использовании бескорпус-
ных полупроводниковых ИМС в МСБ. Следовательно, одна
и та же ИМС может иметь различные уровни надежности.
96
Таблица 31
Коэффициенты режима работы элементов полупроводниковых ИМС
Коэффи- циент режима работы	Температура,				°C		
	20	30	40	50	60	70	80
ат	1,0	1 ,35	1 ,85	2,60	3,60	4,90	6,20
ад	1,0	1 ,27	1 ,68	2,0	2,60	3,40	4,10
Физический метод. Данный метод учитывает не только
количество компонентов ненадежности, но и качество раз-
работанной топологии, количество технологических опера-
ций, режим работы и эксплуатационные воздействия.
Исходными данными для расчета надежности полупровод-
никовых ИМС физическим методом являются принципиаль-
ная электрическая схема, разработанная топология, мар-
шрут технологического процесса и значения интенсивностей
отказов компонентов ненадежности.
В отличие от гибридных ИМС в полупроводниковых
ИМС выделяют следующие элементы конструкции, характе-
ризующиеся определенными значениями интенсивности от-
казов: кристалл, корпус, соединения. Однако активные
и пассивные элементы полупроводниковых ИМС
формируются в объеме и (или) на поверхности кристалла
с помощью определенного числа технологических операций
и не могут считаться самостоятельными (дискретными) при
расчете надежности. Их надежность во многом будет зави-
сеть от сложности технологического процесса. Анализ от-
казов полупроводниковых биполярных и МДП-ИМС поз-
воляет выявить наиболее часто встречающиеся отказы, обус-
ловленные различного рода дефектами, и определить их
интенсивность. Так, для полупроводниковых ИМС, в зави-
симости от вида дефекта, установлены такие значения ин-
тенсивности отказов элементов структуры и конструкции:
из-за дефектов, обусловленных диффузией (для одной
стадии) диф = 0,42 • 10-® ч-1;
из-за дефектов металлизации (на 1 мм2 площади)
мет = 3,4 • 10-’ ч-1;
из-за дефектов оксида (на 1 мм2 площади) Хо ок = 1,0 х
X Ю-8 ч-1;
из-за дефектов от посторонних включений в корпусе
(на 1 мм2 площади кристалла) пв = 0,65 • 10_® ч-1;
из-за поверхностных и структурных дефектов кристалла
(на 1 мм2 площади кристалла) кр = 0,57 • 10~* ч-1;
97
из-за некачественного крепления кристалла л0 D D =
= 6,0 • 10-» ч-1;
из-за обрыва термокомпрессионного сварного соедине-
ния ХОс = 0,37 • 10-в ч-1;
из-за повреждения корпуса АОк = 8,0 • 10~9 ч-1 (для
пластмассового корпуса) и ХОк= 1,5- 10~э ч-1 (для
металлокерамического корпуса).
По этим значениям можно определить интенсивности
отказов активных и пассивных элементов и элементов кон-
струкции полупроводниковых ИМС с учетом стадийности
диффузионных или других высокотемпературных процес-
сов, реальных площадей элементов, металлизации и кри-
сталла.
Поэтому в качестве компонентов ненадежности исполь-
зуют элементы структуры и конструкции полупроводнико-
вой ИМС, значения интенсивностей отказов которых опре-
деляются выражениями:
^эл = \>диф Мдиф + Хопв	(3.28)
^мет — Р-Омет + ^Оок + \)пп) ^мег!	(3.29)
Чр = ^-окр 5кр + ХОнр.кр,	(3.30)
где Х.эл, А.мст, Хкр — интенсивности отказов элементов (тран-
зистора, диода, диффузионного резистора, диффузионной
перемычки или шины), металлизации и кристалла соответ-
ственно; Л/диф — число стадий диффузии при формировании
того или иного элемента; 5ЭЛ, 5мет, Sltp — площади (в мм2)'
элемента, металлизации и кристалла соответственно.
К компонентам ненадежности относится также корпус и
соединения, характеризующиеся значениями и л0 соед.
Только после такого определения расчет можно свести, как
и в случае гибридных ИМС, к суммированию интенсивностей
отказов отдельных компонентов ненадежности с учетом по-
правочных коэффициентов на величину электрической на-
грузки и состояние окружающей среды.
В данном случае интенсивность отказов полупровод-
никовых ИМС с учетом того, что время появления внезап-
ных отказов распределено по экспоненциальному закону,
определяется выражением
Хд = 2 л£ аг	(3.31)
/= 1
где т — число групп элементов; — число элементов дан-
ного типа с одинаковым режимом работы; а; — поправоч-
08
ный коэффициент, учитывающий влияние окружающей тем-
пературы и электрической нагрузки; kt = k1k2k3— попра-
вочный коэффициент, учитывающий механические воздей-
ствия,относительную влажность и изменение атмосферного
давления; — интенсивность отказов элементов структуры
(транзисторов, диодов, резисторов), металлизации, кри-
сталла и конструкции (соединений, корпуса).
Порядок расчета надежности полупроводниковых ИМС
по внезапным отказам физическим методом следующий.
1.	По заданной принципиальной электрической схеме и
разработанной топологии определяют число структурных
элементов каждого типа и число т, типов элементов.
2.	По топологии и маршрутной карте технологического
процесса изготовления полупроводниковой ИМС опреде-
ляют число диффузий Мдиф для изготовления структурных
элементов каждого типа.
3.	По топологии определяют площади структурных эле-
ментов каждого типа S3J1, SMeT и площадь кристалла SKp.
4.	Используя данные по интенсивностям отказов элемен-
тов структуры и конструкции, по выражениям (3.28) —
(3.30) определяют значения X,- для элементов каждого типа.
5.	По заданным электрическим параметрам и принци-
пиальной электрической схеме производят расчет электри-
ческого режима и определяют коэффициенты нагрузки k„t для
активных и пассивных элементов (как при расчете гибрид-
ных ИМС). Коэффициент нагрузки k„Mi наиболее нагружен-
ных проводников металлизации (шины питания, сигнальные
выходные шины и др.) определяют из выражения
^=///АопЧ.<Мдоп),	(3.32)
где ZMi — ток через i-й проводник металлизации; Ьм и —
ширина и толщина проводника металлизации; /доп — до-
пустимая плотность тока через проводник металлизации.
6.	Для заданной температуры и рассчитанных значений
klti по графикам рис. 3.4 и 3.6 определяют значения попра-
вочных коэффициентов аг (ат, ад, и амет).
7.	По заданным условиям эксплуатации выбирают по-
правочные коэффициенты klt k2, k3 (см. § 3.3) и определяют
kt =- ktk2k3.
8.	По полученным в п. 1, 4, 6 и 7 данным и выражению
(3.31) рассчитывают интенсивность отказов ИМС.
9.	Для заданного времени t рассчитывают вероятность
безотказной работы ИМС
Р (/) = ехр (— /).	(3.33)
99
Физический метод позволяет получить расчетные зна-
чения количественных показателей надежности на этапе
разработки конструкторской документации полупроводни-
ковой ИМС.
Рис. 3.6. Зависимости поправочных коэф-
фициентов от температуры и коэффици-
ента нагрузки ka для диффузионных ре-
зисторов (а) и проводников металлиза-
ции (б)
§ 3.5. Расчет надежности ИМС и МСБ
по постепенным отказам
Постепенные отказы в ИМС и МСБ проявляются в уходе
параметров изделия за пределы установленных допусков
в результате постепенных их изменений. К постепенным
относятся отказы, вызванные старением или обратимыми
изменениями параметров элементов и компонентов под воз-
100
действием температуры, влаги и других дестабилизирую-
щих факторов. Поэтому под надежностью ИМС и МСБ,
обусловленной постепенными отказами, понимают надеж-
ность обеспечения требуемой точности работы ИМС и МСБ
в необходимом интервале времени при заданных условиях
эксплуатации. Ее принято оценивать вероятностью обеспе-
чения требуемой точности работы ИМС (МСБ) в эксплуата-
ционных условиях в течение заданного интервала времени.
Расчет такой вероятности базируется на теории точности и
допусков.
Следует отметить, что в отличие от внезапных постепен-
ные отказы, отражающие внутренние свойства, присущие
материалам элементов и компонентов, в принципе исклю-
чить невозможно. Их доля в общем числе отказов возрас-
тает с уменьшением числа внезапных отказов, особенно
в аналоговых ИМС и МСБ.
Анализ показывает, что постепенные изменения парамет-
ров ИМС и МСБ во времени вследствие физико-химической
деградации имеют случайно-детерминированный характер,
обусловленный случайными колебаниями температуры и
влажности окружающей среды, нестабильностью источни-
ков питания и другими факторами. Это значит, что при на-
личии математических моделей старения ИМС и МСБ для
расчета их надежности при постепенных отказах могут ис-
пользоваться методы параметрической чувствительности и
вероятностные методы теории точности и расчета электри-
ческих допусков.
Поэтому расчет надежности ИМС и МСБ по постепенным
отказам сводится к определению основных составляющих
эксплуатационного допуска на параметры — производст-
венных и температурных допусков, допусков влажности,
старения, радиации и др. При этом учитываются обратимые
изменения параметров при расчете температурных допусков
и допусков влажности и необратимые — при расчете допус-
ков старения.
При проектировании ИМС и МСБ применяют два метода
расчета надежности по постепенным отказам: метод наихуд-
шего случая (максимума — минимума) и вероятностный.
Метод наихудшего случая предполагает, что ИМС (МСБ)
должна выполнять свои функции, если параметры ее эле-
ментов (и компонентов) имеют предельные значения и вли-
яют на функционирование ИМС (МСБ) наиболее неблаго-
приятным образом. При этом считается, что все элементы
могут быть подвержены воздействию электрических нагру-
зок и окружающих условий, не превышающих допустимые,
101
при которых выполяются требования по надежности. Для
расчетов необходимо лишь знать допуски на параметры
элементов (и компонентов) ИМС (МСБ), которые суммируют-
ся при наиболее неблагоприятном их сочетании. Исходным
выражением является уравнение погрешностей вида
=	(3.34)
где у, Xj — номинальные значения выходного параметра и
параметра /-го элемента (компонента); Az/, Ахг — отклоне-
. dll X:
ния параметров от номинальных значении; А, =	—
коэффициент влияния погрешности параметра х, на погреш-
ность выходного параметра у.
На практике при расчете надежности осуществляют ал-
гебраическое суммирование допусков:
п
V Ai f>i,	(3.35)
t = i
где — половина поля допуска на выходной параметр
ИМС (МСБ); 6г — половина поля допуска на параметр /-го
элемента (компонента).
Расчет по методу наихудшего случая позволяет считать,
что допуски будут обеспечены наверняка, при этом рв (/) = !.
Данный метод приводит к необоснованному ужесто-
чению допусков на параметры элементов и компонентов
ИМС (МСБ).
Вероятностный метод расчета надежности ИМС и МСБ
по постепенным отказам отражает случайный характер от-
клонений параметров элементов и компонентов в условиях
серийного производства и при воздействии окружающей
среды. Данным методом рассчитывают стабильность пара-
метров ИМС (МСБ) при воздействии окружающей среды и
эксплуатационные допуски при заданной надежности по по-
степенным отказам.
Для расчета допусков по каждому дестабилизирующему
фактору исходным является уравнение (3.34), в котором
изменение параметров обусловлено воздействием соответст-
вующего фактора.
Рассмотрим основные соотношения для определения до-
пусков влажности, радиации, температуры и старения,
а также эксплуатационных допусков.
Под воздействием влаги изменяются только параметры
пленочных разисторов (полупроводниковые и другие эле-
102
менты и компоненты при этом не изменяют своих парамет-
ров). В этом случае стабильность резисторов под воздейст-
вием влаги оценивается коэффициентом увлажнения (КУ),
характеризующим относительные обратимые изменения со-
противления резисторов после их пребывания во влажной
среде.
Полагая закон распределения КУ резисторов в заданных
техническими условиями пределах нормальным и симметрич-
ным, полученное из (3.34) уравнение погрешности, вызван-
ной воздействием влаги, можно записать в виде
(3.36}
Среднее значение М КУ выходного параметра hz ИМС
определяется соотношением
М(Л2)= 2
: = 1
а половина поля рассеивания
{т Г п
2 2Л‘62(/!г) +
4=1 L <=1
+ 2 2 гь-ЛЛ;6(/г,-)б(/1у) |'Л
/<1	J
(3.37)
(3.38}
где у — коэффициент гарантированной надежности обеспе-
чения допусков; т — число независимых комплексов рези-
сторов; л — число одновременно изготовленных резисторов;
Ги — коэффициент корреляции между параметрами i-ro
и /-го элементов (резисторов).
Пределы поля рассеивания КУ выходного параметра
ИМС (МСБ) будут допусками для этого параметра:
Авл=М(/22)±б(/12).	(3.39)
По выражениям, аналогичным (3.37) — (3.39), опреде-
ляют и допуски на параметры от влияния радиации, где ис-
пользуется коэффициент проникающей радиации.
Расчет температурных допусков ИМС (МСБ) сводится
к определению температурного коэффициента (ТК) выход-
ного параметра как функции ТК параметров элементов (и
компонентов) и максимально возможной погрешности при
заданном ТУ диапазоне рабочих температур. При этом при-
нимают, что ТК параметров элементов и компонентов яв-
105
ляются случайными величинами, и при расчетах руководст-
вуются ТУ на компоненты, в которых даны предельные ТК
(для элементов полупроводниковых и гибридных ИМС их
определяют расчетным путем). Расчет ТК выходных пара-
метров ИМС (МСБ) осуществляют в предположении, что
распределение ТК параметров элементов и компонентов
а, в заданных пределах подчиняется нормальному сим-
метричному закону с полем рассеивания 6 а.
С учетом (3.34) уравнение температурной погрешности
ИМС (МСБ) в виде суммы ТК параметров элементов (и ком-
понентов) записывается таким образом:
=| у Atat | NT.	(3.40)
Среднее значение ТК выходного параметра а2 ИМС
(МСБ) определяется соотношением
Л4(а2)= £ А.М (а,-).	(3.41)
/= 1
Случайная составляющая ТК выходного параметра ИМС
(МСБ), обусловленная разбросом ТК параметров элементов,
определяется выражением
б(а2)э = у
'э
2 ЛМ2(а,) + 25 ri}AiA} х
1 = 1	/<»
х 6 (a;) б (ay)
(3.42)
где т — число независимых комплексов однотипных эле-
ментов, а случайная составляющая ТК выходного парамет-
ра ИМС (МСБ), обусловленная ТК параметров компонен-
тов, — выражением
X 6 (аг) б (ау)
(3.43)
При этом половина поля рассеивания ТК выходного па-
раметра ИМС (МСБ)
б (az) = [б2 (а£)э + б2 (а2)к]‘ '2.	(3.44)
104
Предельные значения ТК, определяемые после расчета
по выражениям (3.41) — (3.43), составляют
сопрел = Al (аЕ) ± 6 (аЕ).	(3.45)
Поскольку работа ИМС (МСБ) должна быть обеспечена
в заданном диапазоне температур, пределы температурных
отклонений параметров ИМС (МСБ) определяются выра-
жением
<ог± = Ду = аЕпред ДЛ	(3.46)
где AT = Ттах — 20 °C или ЛТ = Тт1п — 20 °C — раз-
ности между максимальной положительной или минималь-
ной отрицательной рабочей и нормальной температурами.
Следует отметить, что в основу рассмотренного метода
расчета температурных допусков по выражениям (3.41) —
(3.46) было положено допущение линейной зависимости па-
раметров элементов от температуры. В случае нелинейной
зависимости используют линейную аппроксимацию закона
изменения параметров и предварительно рассчитывают ТК
параметров элементов по выражению
= (Лхг/хОи,,^/ДТша1,	(3.47)
где (Дхг/х,)тах — максимальное относительное температур-
ное изменение параметра элемента (компонента), заданное
в ТУ (или расчетное); &Ттах— максимальный перепад тем-
ператур относительно реальной, заданной в ТУ для ИМС
(МСБ) или компонента.
Расчет допусков старения основан на аналогичном мето-
де и сводится к определению коэффициента старения (КС)
выходного параметра ИМС (МСБ) и максимально возможных
погрешностей старения (допусков старения) при заданном
времени работы Л/.
Поскольку при старении параметры элементов и компо-
нентов являются случайными функциями времени, при рас-
четах их аппроксимируют линейными функциями. Это поз-
воляет характеризовать КС случайными величинами, а КС
выходных параметров ИМС (МСБ) определять по правилам
теории вероятностей, принимая нормальный закон их рас-
пределения. Поэтому для расчета КС используют выраже-
ния, аналогичные (3.42) — (3.45), после чего по известному
предельному значению коэффициента старения СЕ пред оп-
ределяют предельное отклонение выходного параметра ИМС
(МСБ) от номинального значения в результате старения за
период работы Л/:
6)ст = Лст = Мц ± &N-СЕпреД Л/,	(3.48)
106
где Мы, ^ы — середина и половина поля рассеивания по-
грешности старения соответственно.
Необходимые для расчета допусков старения по (3.48)
значения КС на элементы определяют по максимальному
изменению параметров в течение заданного времени, а зна-
чения КС на компоненты заимствуют из ТУ.
Расчет эксплуатационных допусков основан на определе-
нии суммарного поля рассеивания погрешностей путем раз-
дельного суммирования положительных и отрицательных
средних значений Мы.± допусков старения, влажности и
температурных допусков относительно среднего значения
Л4д'пр производственного допуска. Сначала определяют
среднее значение поля рассеивания
Мы^=МыПр± У,	(3.49)
i = 1
Затем путем квадратичного суммирования случайных
погрешностей (половины полей составляющих допусков,
включая производственный) находят случайную составляю-
щую суммарного поля рассеивания
/ п \ I /2
8И = £ И. •	(3.50)
\1=1 /
Используя данные, полученные при расчетах по выра-
жениям (3.49) и (3.50), определяют суммарное поле рассеи-
вания погрешностей
= Д2 =5 [(Л4л2^ + S.ve)... (M.vs— —в«)],	(3.51)
где £ — коэффициент запаса на уход параметров под воз-
действием дестабилизирующих факторов, не учтенных при
расчете (на практике £ = 1,054-1,2); Мыъ+, Мыг-—
сумма положительных и отрицательных средних значений
соответственно.
По суммарному полю рассеивания (3.51) назначают экс-
плуатационные допуски на параметры ИМС (МСБ).
Таким образом, расчет надежности ИМС (МСБ) по посте-
пенным отказам требует предварительного выбора материа-
лов элементов и компонентов, определения соответствую-
щих коэффициентов (увлажнения, температурного, старе-
ния) и сводится к расчету эксплуатационных допусков и
последующему выбору производственных допусков на эле-
менты и компоненты, обеспечивающих заданную надеж-
ность.
103
Следует отметить, что при использовании вероятностных
методов для расчета надежности по внезапным отказам и обес-
печения технологической воспроизводимости стремятся рас-
ширить допуски на выходные параметры за счет расширения
допусков на параметры элементов и компонентов. Однако
такое решение, хотя и уменьшает вероятность появления
постепенных отказов, как показано на рис. 3.7, но увели-
чивает вероятность появления
внезапных отказов. Последнее
является следствием увеличе-
ния геометрических размеров
отдельных элементов и рассеи-
ваемой на них мощности. По-
этому для каждого элемента
(компонента) необходимо рас-
считывать оптимальное в от-
ношении надежности значение
производственного допуска при
внезапных и постепенных отка-
зах, которое для каждой ИМС
(МСБ) по известным qe„ и qa
может быть найдено из выра-
жения
Рис. 3.7. Зависимости веро-
ятностей внезапных и
постепенных qn отказов
МСБ от допусков на пара-
метры элементов
<72(Л б) = 1-[!-</„(/, б)][1 -
<7вк(Л 6)1.
Из рис. 3.7 видно также, что выбор допусков больше
оптимальных (бор() приводит к снижению общей надежно-
сти. Следовательно, выбор производственных допусков на
параметры элементов и компонентов с целью обеспечения
требуемой надежности направлен на их уменьшение.
§ 3.6. Прогнозирование количественных
показателей надежности БИС
При автоматизированном проектировании БИС необхо-
димо, чтобы физические и математические модели проекти-
руемых БИС отражали их функциональные, схемотехни-
ческие, конструктивно-топологические особенности, а так-
же протекающие в них физико-химические деградационные
процессы. Возникает задача прогнозирования количествен-
ных показателей надежности на самых ранних стадиях раз-
работки БИС. Прогнозирование надежности БИС основано
на получении моделей интенсивности отказов БИС для
каждого функционального назначения и конструктивно-
107
технологического исполнения БИС. В основу построения
таких моделей положены комбинированные методы, сочетаю-
щие преимущества статистического и физического методов
расчета надежности.
В теории и практике прогнозирования надежности для
получения интенсивности отказов прогнозируемой БИС
наметилось два подхода:
прогнозирование надежности технологически однотипных
ИМС с различной функциональной структурой по тестовой
БИС;
получение физико-математических моделей анализа на-
дежности с учетом схемотехнических особенностей и режи-
мов работы.
Первый подход основан на предположении идентичности
основных технологических операций базового процесса изго-
товления тестовой ИМС и прогнозируемой БИС, а их надеж-
ность отличается только числом компонентов ненадежности.
При этом компонент ненадежности является общим для
тестовой ИМС и БИС и имеет постоянную надежность, опре-
деляемую качеством базового технологического процесса.
Допустим, что испытываемая (тестовая) ИМС имеет
NBC 0 внешних соединений, NKC 0 внутренних соединений
(и затворов для МДП-ИМС), усредненное число корпусов
на один кристалл Мк0 (при совместном использовании кор-
пусных и бескорпусных ИМС Мко < 1, при использова-
нии корпусных ИМС Л'к0 = 1), среднюю активную площадь
кристалла Sn 0.
В соответствии с выражением (3.16) математическую мо-
дель интенсивности отказов тестовой ИМС можно предста-
вить в виде
= ^ВС1 NВСО + ^кс1 ^КС0 “Ь ^К1	+ ХП15П|),	(3.52)
где 1вс1, 1кС1, Хк1, Хш — интенсивности отказов, приведен-
ные к одному внешнему соединению, одному внутреннему
соединению, одному корпусу и к единице поверхности кри-
сталла.
Количественное распределение отказов по компонентам
ненадежности, полученное из (3.52), характеризуется коэф-
фициентами:
^ВС ^ВС1 всо/^т»	(3.53)
^*КС1 ^ксо/^т»	(3-54)
	(3.55)
“ ^П1 ^по/^т’	(3.56)
108
а их значения, обобщенные на основании статистических
данных для биполярных и МДП-БИС, приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Распределение отказов полупроводниковых БИС
по компонентам ненадежности
Основные виды отказов	Распределение отказов	
	Биполярные БИС	МДП*БИС
Отказы внешних соединений Отказы, зависящие от площади и чис- ла контактов (затворов) металлизации (включая отказы внутренних контакт- ных соединений, плохую адгезию и не- однородность толщины пленок, царапи- ны и микроотверстия, микротрещины в проводящих пленках на ступеньках ок-	0,33	0,20
сидных слоев) Отказы, определяемые нарушениями герметичности корпусов и прочими при- чинами, пропорциональными числу гер-	0.26	0,32
метизаций в МЭА Отказы, зависящие от площади актив- ной поверхности подложки ИМС и оп- ределяемые нарушениями при фотоли- тографии, диффузии и механической об-	0,16	0,20
работке или загрязненностью	0,25	0,28
Очевидно, что
1вс+1ьс + 5к+1п=1.
(3.57}
При сравнительном постоянстве базового технологиче-
ского процесса предполагается, что приведенное в табл. 3.2
распределение отказов сохраняется для всех выпускаемых
по данному процессу ИМС любой функциональной сложно-
сти.
Для прогнозируемой БИС, характеризующейся показа-
телями сложности Л/вс, Л/кс, NK и Sn, интенсивность отка-
зов можно выразить аналогично (3.52):
Д-бис = ЧС1 ^вс + ^кс1 ^кс + ХК1 NK + ХП1 Sn. (3.58)
С учетом (3.53) — (3.56) выражение (3.58) можно запи-
сать в виде
^БИС ^т( ^вс
/Уве
N всо
N нс It И
'нс ,,	' =к
М вес
Л/ко
Ь&п-^-У (3-59)
^по /
109
Выражение (3.59) является математической моделью ин-
тенсивности отказов, пригодной для прогнозирования на-
дежности БИС любой функциональной сложности, изготов-
ленной по базовой технологии (значение Хт определяют по
результатам испытаний тестовых ИМС).
Второй подход основан на том, что при увеличении сте-
пени интеграции главными факторами, влияющими на на-
дежность БИС, являются геометрические размеры тополо-
гии, режим контроля, температура и другие условия экс-
плуатации.
Полученная для прогнозирования надежности МДП-
БИС математическая модель интенсивности отказов имеет
вид
^-БИС (\>к *^мет ^кр.кр	®и 4“ (^в	4~ ^"Mfi ^мет)
®Т ®И 4~ ^ДИФ ^Диф 4* Хцр ОСЭц Я 4“ ^п.дф *-*i(p 4"
4-XCTpSKpan.	(3.60)
Здесь буквой X с соответствующим индексом обозначены
частные интенсивности отказов, обусловленные следующи-
ми причинами: дефектом оксидного слоя под металлизацией
(Х0|!); отказами сварных соединений проводов с контактны-
ми площадками (Хв); дефектами металлизации (Хмет); де-
фектами процесса диффузии (Хдиф); некачественным крепле-
нием кристалла к корпусу (Х11[)1Кр); поверхностными дефек-
тами (Х11дф); структурными дефектами и включениями в кри-
сталл (Хстр); посторонними включениями внутри корпуса
(Хкр).
Коэффициенты модели определяют функциональную
сложность и число элементов БИС. Они показывают соот-
ветственно: SMeT — площадь металлизации; AfB — число
сварных соединений; (Удиф — число ступеней диффузии;
х — отношение фактической площади активных элементов и
металлизации к числу 0,645; Sltp — площадь кристалла. Ос-
тальные коэффициенты учитывают внешние факторы и ха-
рактеризуют соответственно: жесткость приемно-сдаточных
испытаний БИС (аи); температурный режим эксплуатации
БИС (ат); прочие условия эксплуатации (аэц).
Более упрощенные модели разработаны для биполярных
БИС. Так, для БИС с числом транзисторов
Хбис = Хт (4 4-0,1 <VD 4-0,01(VT),	(3.61)
где AfB — число выводов БИС.
ПО
Если БИС является регистром памяти из пТг тригге-
ров, то
^вис = ^т (4 + 0,1AZB + 0,1птг),	(3.62)
так как триггер состоит примерно из 10 транзисторов.
Наряду с этими разработаны другие математические моде-
ли на основе разных подходов к совместному использо-
ванию статистических и физических методов, методов моде-
лирования деградационных процессов и других методов,
обеспечивающих прогнозирование надежности ИМС с до-
стоверностью 0,6—0,9.
Эффективным для прогнозирования надежности являет-
ся получение деградационных моделей отказов БИС и их
исследование имитационными методами.
Таким образом, разработанные в настоящее время мето-
цы расчета и прогнозирования надежности БИС позволяют
решать поставленные задачи с высокой степенью достовер-
ности при минимальных затратах.
111
ОЦЕНКА И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ
НАДЕЖНОСТИ ИМС
§ 4.1. Методы оценки надежности
Рассмотренные в гл. 3 методы расчета надежности яв-
ляются основной теоретической базой для определения про-
ектной надежности ИМС на этапе их разработки. Важной
самостоятельной задачей является оценка фактической на-
дежности ИМС, т. е. установление количественных показа-
телей надежности для готовых ИМС.
В настоящее время для оценки количественных показа-
телей надежности ИМС разработаны различные методы экс-
периментальных исследований надежности. Все они отно-
сятся к апостериорным, главным образом констатирующим
методам, поскольку применяются после изготовления ИМС
и на стадии применения (эксплуатации).
На всех этапах развития микроэлектроники основным
методом экспериментальной оценки надежности являлись
натурные испытания готовых ИМС. При этом оценка на-
дежности состоит в проведении испытаний и последующей
статистической обработке результатов испытаний (отказов)
для определения количественных показателей надежности.
Различают испытания ИМС в нормальном режиме и уско-
ренные испытания. Под нормальным понимают режим ис-
пытаний, при котором воздействующие на ИМС нагрузки не
превышают предельных значений, заданных ТУ.
Испытаниям в нормальном режиме подвергается часть
партии изготовленных ИМС, называемая выборкой. До-
стоверность статистических данных о надежности ИМС за-
висит от объема испытаний (произведения числа И испы-
туемых ИМС на продолжительность t„ испытаний). Объем
испытаний в сильной степени зависит от значения оценивае-
мого показателя надежности: чем выше надежность,
тем больший требуется объем испытаний, так как р (/) =
= ехр ( — NXt). Например, для статистической оценки на-
дежности ИМС с 1	10-8 ч-1 необходимо испытывать ИМС
в количестве N 3000 шт. в течение tu 10 лет.
112
Следует отметить, что наибольшая достоверность ре-
зультатов достигается, когда продолжительность испытаний
ИМС равна их гарантированной наработке.
С целью сокращения объема испытаний для оценки на-
дежности ИМС проводят ускоренные испытания, которые
позволяют получать информацию о надежности в течение
времени, меньшего долговечности изделия. Различают ус-
коренные испытания в нормальном и форсированном ре-
жимах.
Оценка надежности по результатам испытаний ИМС
требует значительных экономических и временных за-
трат.
По мере совершенствования ИМС, расширения их функ-
циональных возможностей, создания БИС, МСБ и СБИС
натурные испытания на надежность становятся недостаточ-
но эффективными, а зачастую и нецелесообразными. Воз-
никают трудности не только экономического, но чисто тех-
нического характера, так как затрудняется анализ причин
отказов. Для таких изделий микроэлектроники эффектив-
ными являются тестовые методы оценки надежности, осно-
ванные на испытании тестовых ИМС. При этом результаты
испытаний тестовых ИМС распространяются на реальные
ИМС, что обходится значительно дешевле. Использование
тестовых методов оценки надежности позволяет также уста-
новить зависимость количественных показателей надежности
ИМС от показателей качества технологического процесса
их изготовления. Кроме того, при испытаниях тестовых
ИМС удается собрать значительно больший статистический
материал, чем при использовании реальных ИМС, и миними-
зировать общие затраты для оценки надежности БИС
(МСБ).
Современная микроэлектроника достигла такого уровня
развития, когда надежность ИМС в процессе эксплуатации
характеризуется интенсивностью отказов X = 10-8 -?
10—10 ч-1. При таком уровне надежности для испытаний
практически невозможно сформировать объем выборки, обес-
печивающий накопление статистически достоверной инфор-
мации о числе отказов в течение приемлемого времени на-
турных испытаний. Среди разработанных новых методов
исследования надежности высоконадежных изделий микро-
электроники большой функциональной сложности (БИС
МП, ЗУ и др.) оказались эффективными имитационные ме-
тоды.
Необходимой составной частью методов оценки надежно-
сти ИМС является анализ отказов, результаты которого
5 Зак 124
113
являются эффективным средством повышения уровня про-
изводственной и эксплуатационной надежности.
В последующих параграфах рассмотрены сущность и
особенности указанных методов оценки надежности.
§ 4.2. Оценка надежности
по результатам испытаний ИМС
Как отмечалось в § 1.5, с целью экспериментальной
оценки количественных показателей надежности ИМС про-
водят определительные испытания в нормальном режиме.
Характерно, что при таких испытаниях оценка показателей
надежности осуществляется одинаково как для внезапных,
так и для постепенных отказов ИМС. При этом производят
опытную оценку величин Р (/) и X (/). Так, если испытаниям
в течение времени /и подвергалось N изделий, а к концу
испытаний остались годными п (/„) изделий, то опытная
оценка
P<M=n(tn)IN.	(4.1)
В случае экспоненциального закона опытная оценка ин-
тенсивности отказов определяется соотношениями
при ^>0,9;	(4.2)
4n(U=~ln^~ при ^-<0,9.	(4.3)
Точность и достоверность оценки фактической интенсив
ности отказов X (/) ИМС характеризуются соответственно
доверительным интервалом и доверительной вероятностью.
Нижнюю Хн и верхнюю Хв доверительные границы ХоП для
экспоненциального закона распределения отказов опреде-
ляют из выражений
V=4n/ri;	(4.4)
где Tj и г2 — коэффициенты, являющиеся функциями дове-
рительной вероятности р, определяемые по таблицам.
В качестве доверительной вероятности при оценке на-
дежности ИМС принято минимальное значение вероятности
безотказной работы ИМС за 500 ч работы при достоверности
у = 0,95.
Необходимый для проведения определительных испыта-
ний объем испытаний (Ntu) зависит от закона распределения
отказов ИМС, ожидаемого значения Хоп (/„) и в каждом кон-
114
кретном случае определяется из соответствующих таблиц»
аналогичных табл. 2.3, 2.4.
Количественные показатели надежности ИМС — ресурс
/v и интенсивность отказов А (/) — оценивают по результа-
там ресурсных и специальных испытаний, проводимых в со-
ответствии с программами испытаний, которые разрабаты-
вают в зависимости от назначения, функциональной слож-
ности, типа и областей применения ИМС.
Ресурсные испытания проводят, как правило, в режимах
и условиях, установленных для испытаний на долговеч-
ность. Примером планирования таких испытаний могут быть
планы периодических испытаний, проводимых по группе
П2 (см. § 2.6). В процессе ресурсных испытаний измеряют
параметры (критерии годности) через определенные интер-
валы времени и регистрируют время появления отказов. Ис-
пытания проводят до определенного количества отказов,
установленного программой.
К ресурсным испытаниям относятся:
1)	испытания под электрической нагрузкой при нор-
мальных условиях и ступенчатом увеличении нагрузки. Па-
раметры измеряют до и после 24-часовой выдержки на каж-
дой ступени нагрузки. Испытания прекращают при получе-
нии 50 % отказов или при достижении пятикратной на-
грузки;
2)	испытания на циклическое воздействие температур
в диапазоне Tmax — Тт]11 при 15-минутной выдержке в ус-
ловиях крайних значений диапазона и времени переноса из
камеры теплоты в камеру холода не более 1 мин. Параметры
измеряют через 5, 10, 20,..., 200 циклов;
3)	испытания на предельную отрицательную темпера-
туру в камере холода со ступенчатым изменением температу-
ры: — 40, — 60, — 75, — 90, — 105, — 125, — 150° С.
Электрические параметры измеряют до и после 30-минут-
ной выдержки при каждой температурной нагрузке;
4)	испытания на предельную положительную температу-
ру (проводят аналогично п. 3);
5)	испытания на влагоустойчивость при относительной
влажности 98 %, температуре ( + 40 ± 2) °C и номиналь-
ной электрической нагрузке. Электрические параметры ИМС
измеряют через каждые четверо суток. Испытания прекра-
щают после общей выдержки ИМС во влажной среде в тече-
ние 96 сут;
6)	испытания на вибропрочность в диапазоне частот 200—
1000 Гц при номинальной электрической нагрузке и уве-
личении перегрузки от 40 до 100 g\
5*
115
7)	испытания на ударную прочность со ступенчатым уве-
личением числа ударов Лп = 9 и перегрузки от 1000 до
2500 g.
После каждого воздействия строят график распределе-
ния отказов ИМС и определяют запас устойчивости к воз-
действию эксплуатационных факторов. За ресурс прини-
мают время испытаний, соответствующее середине интерва-
ла между временем появления двух последних отказов.
Интенсивность отказов определяют статистически по
результатам специальных испытаний, режимы и условия ко-
торых соответствуют испытаниям на безотказность (долго-
вечность), или устанавливают программой испытаний. Обыч-
но специальные испытания включают комплекс воздействий,
проводимых в определенной последовательности. Через
равные промежутки времени tt фиксируют наличие и коли-
чество отказов.
Значение интенсивности отказов рассчитывают по фор-
муле
(4.5)
II
где d — полученное число отказов; = S — суммарная
i=i
наработка.
Если число отказов при специальных испытаниях равно
нулю, то
X(/) = 0,69//z.	(4.6)
Оценка надежности по ускоренным испытаниям в нор-
мальном режиме сводится к прогнозированию случайных
процессов, которыми могут быть аппроксимированы измене-
ния во времени технических параметров изделия. В зависи-
мости от прогнозируемых параметров и целевой направлен-
ности прогнозирования различают детерминированный и ве-
роятностный методы и методы статистической классифика-
ции на основе распознавания образов.
Ускоренные испытания в форсированном режиме осно-
ваны на воздействии повышенных значений факторов,
которые ускоряют физико-химические процессы старения.
Для ускорения чаще всего используют температуру окру-
жающей среды, а также повышенные электрические нагруз-
ки, влажность, вибрации и др. Испытания проводят методом
ступенчатого повышения нагрузки. Оценку надежности
производят обычным способом по количеству отказов за
определенное время испытаний. Кроме того, ускоренные
не
испытания в форсированном режиме позволяют выявить
доминирующие механизмы отказов ИМС или их эле-
ментов.
Необходимым условием проведения ускоренных испы-
таний является идентификация возникающих при этом ме-
ханизмов отказов с механизмами отказов при испытаниях
в нормальных условиях. Тем не менее современная теория
и практика ускоренных испытаний позволяет использовать
их в микроэлектронике для оценки надежности ИМС, а так-
же для контроля качества технологических процессов пу-
тем сравнения результатов испытаний за определенные про-
межутки времени. В некоторых случаях ускоренные испы-
тания проводят перед установкой ИМС в РЭА как повтор-
ную отбраковку или как испытания на принудительный
отказ.
Следует отметить, что с помощью испытаний осуществ-
ляют оценку не фактической надежности, а только ее ниж-
него значения, т. е. при этом оценивается, что надежность
испытуемых ИМС не хуже полученного значения Р (t) или
X (/). В то же время испытания ИМС совместно с анализом
отказов составляют единую методологию и являются важ-
нейшим средством в обеспечении и повышении надежности
ИМС.
§ 4.3.	Тестовые методы
оценки надежности
Для оценки надежности полупроводниковых и гибрид-
ных БИС и МСБ весьма эффективны тестовые методы. Они
основаны на определении количественных показателей на-
дежности БИС (МСБ) по показателям надежности структур-
ных элементов, получаемых в результате их испытаний
в составе тестовых схем. Для этого специально разрабаты-
вают тестовые ИМС, которые содержат элементы, наиболее
критичные с точки зрения надежности, и изготовляются
в едином технологическом цикле с реальной ИМС (БИС).
В качестве тестовых ИМС используют те же тестовые схемы,
что и для контроля качества (см. § 2.4). Поскольку тестовые
ИМС содержат однотипные структурные элементы, их коли-
чество в такой ИМС достигает сотен и тысяч штук. Тем са-
мым обеспечивается необходимый объем испытаний для по-
лучения достоверной информации при статистической об-
работке результатов испытаний. Тестовые ИМС подвер-
гаются испытаниям в нормальном режиме или ускоренным
испытаниям. По результатам испытаний определяют удель-
117
ные (базовые) интенсивности отказов (на единицу площади
или длины) структурных элементов. Затем, используя моде-
ли надежности, а также данные по геометрическим размерам
элементов БИС и условиям эксплуатации, на основании
удельных интенсивностей отказов производят оценку на-
дежности реальной БИС. При этом учитывают корреляцион-
ную связь между показателями качества технологического
процесса и показателями надежности.
В основу физической оценки надежности реальной БИС
по результатам испытаний специально сконструированных
а
элементов тестовых ИМС
положено следующее:
отказы элементов и тех-
нологические потери при
их изготовлении имеют,
как правило, один и тот же
вид и происходят по иден-
тичным механизмам;
групповые методы изго-
товления БИС обеспечи-
вают высокую корреляцию
свойств элементов БИС и
тестовых ИМС, включая
размера	корреляцию характеристик
дефектности.
Рассмотрим сущность тестовых методов более подробно
на примере полупроводниковых БИС.
Внезапные и параметрические отказы, возникающие
при испытаниях и эксплуатации БИС, происходят в резуль-
тате одних и тех же процессов. В большинстве случаев эти
процессы связаны с наличием дефектов физической струк-
туры элементов. Поэтому грубые (явные) дефекты обусловли-
вают отказы на этапе изготовления, мелкие (скрытые) —
на этапе эксплуатации. Разделение дефектов на явные и
скрытые условно. В то же время между ними существует
тесная корреляционная связь, что иллюстрируется графиком
рис. 4.1, на котором показана зависимость плотности а рас-
пределения дефектов ИМС в зависимости от их размера А.
Кривые 1 и 2 на рис. 4.1 характеризуют качество двух од-
нотипных технологических процессов изготовления ИМС
(процесс 2 более низкого качества). Из рисунка видно, что
с уменьшением размера дефектов плотность их возрастает.
Ордината, соответствующая точке Ло, характеризует уро-
вень производственного контроля качества ИМС. Явные
дефекты, превышающие размер До, определяют процент
118
выхода годных ИМС, а скрытые дефекты размером Л, <
< Ао — надежность ИМС.
В данном случае появление отказа ИМС рассматривает-
ся как результат образования дефекта из-за сочетания боль-
шого числа мелких дефектов.При этом отмечается коррели-
рованность показателей надежности и качества ИМС, в дан-
ном случае процента выхода годных схем. Очевидно, чем
меньше микродефекты, тем выше надежность ИМС. Следо-
вательно, надежность тестовых ИМС можно оценивать по
показателям качества. Практически это означает, что для
получения заданной надежности необходимо обеспечить
требуемые показатели качества технологического процесса.
Поэтому уровень контроля качества ИМС следует выбирать
исходя из экономической целесообразности повышения на-
дежности за счет снижения процента выхода годных схем
при данном уровне производительности и качества техно-
логического процесса.
Естественно, что усложнение структуры БИС приводит
к увеличению площади кристалла (рис.4.2) и к большей ве-
роятности появления сочетаний дефектов, ведущих к отказу.
В связи с этим учет корреляционных связей в модели на-
дежности оцениваемой ИМС (БИС) по результатам тестовых
испытаний осуществляют с помощью поправочных коэф-
фициентов или специальной функции. Например, интенсив-
ность отказов кристалла полупроводниковых ИМС в зави-
симости от его сложности и степени освоенности в производ-
стве определяют по выражениям:
4=414'-	(4-7)
41 =410 а><1 ак2 аТ аак ап ас,	(4.8)
где — интенсивность отказов единицы площади кристал
ла; SK — площадь кристалла; 1к10 — интенсивность отка-
зов единицы площади кристалла (базовая интенсивность)
в нормальных условиях; аК1 — коэффициент, характери-
зующий систему контроля качества; ак2 — коэффициент
ненадежности корпусов; ат — коэффициент температурного
ускорения (рис. 4.3); аэк — коэффициент, учитывающий
условия эксплуатации; ап — показатель степени освоен-
ности в производстве; ас — показатель сложности кристал-
ла.
А для оценки надежности резистивных матриц в составе
МСБ по результатам тестовых испытаний используют мо-
дель интенсивности отказов вида
^мсв=4 + (^ —1)41'1—/(''on)],	(4-9)
11»
где 1Э — интенсивность отказов одного элемента (определе-
на по тестовым испытаниям); k — число элементов; / (гоП) —
функция однородности определяющих параметров; гоП —
коэффициент парной корреляции между определяющими
параметрами.
Рис. 4.2. Зависимость пока-
зателя сложности кристал-
ла БИС от площади его ак-
тивной части
Рис. 4.3. Зависимость коэффи-
циента температурного ускоре-
ния от температуры кристалла
В общем случае интенсивность отказов оцениваемой БИС
при тестовых испытаниях определяется выражениями:
т
1Бис=2МбМ:	(4.10)
i= 1
Мб = М П <2i',
1= I
fe; = у exp
£а / 1
k I, Т6
(4.Н)
(4-12)
Здесь Мб и Хб — интенсивность отказа i-ro типа элемента
оцениваемой БИС и тестовой ИМС; т — число типов эле-
ментов в БИС; а, —поправочный коэффициент; kt — коэф-
фициент соответствия; у = S,/Si6 или у = —-  коэф-
фициент, учитывающий топологические размеры S и d
i-ro элемента; Ea — энергия активации t-ro элемента; k —
постоянная Больцмана; Tq, Т — температура тестовой ИМС
и оцениваемой БИС.
Таким образом, тестовые методы существенно упрощают
процедуру оценки надежности БИС и обеспечивают получе-
ние информации о количественных показателях надежности
с учетом показателей качества.
120
§ 4.4.	Анализ отказов ИМС
Анализ отказавших интегральных микросхем является
важнейшим звеном системы обеспечения надежности радио-
электронной аппаратуры (РЭА) и ее элементной базы.
Назначение анализа отказов. Проведение анализа отка-
зов обеспечивает:
определение причин и механизмов отказов для принятия
корректирующих мер по их сокращению или устранению
(изменение конструкции, технологии изготовления прибо-
ров, режимов их работы в аппаратуре, способов монтажа,
контроля и т. д.);
выбор видов и режимов форсированных испытаний для
ускоренной оценки надежности или выявления и отбраков-
ки приборов со скрытыми дефектами, приводящими к отка-
зам в процессе работы ИМС в аппаратуре;
разработку физико-математических моделей отказов для
прогнозирования надежности на этапе проектирования но-
вых изделий.
Рост сложности ИМС, многообразие причин и механизмов
отказов привели к тому, что анализ отказов оказался ком-
плексной проблемой, решение которой требует применения
самых совершенных методов и физического оборудования,
четкой организации работ с привлечением высококвалифи-
цированных специалистов — схемотехников, технологов,
физиков и математиков.
Анализ отказов ИМС включает рассмотрение и анализ
схемотехнических вопросов, использование электрофизи-
ческих, структурных,электрических методов контроля и
анализа, изучение характеристик материалов, химического
состава среды, элементов микросхемы и ряда других ас-
пектов.
Несмотря на многообразие типов интегральных микро-
схем, видов их отказов, разнообразие методов и средств
анализа отказавших изделий, можно выделить общие мето-
дологические и организационные принципы построения сис-
темы анализа отказов ИМС и принять на этой основе эф-
фективные корректирующие меры для сокращения или уст-
ранения отказов определенного вида.
Этапы анализа отказов ИМС. В общей технологической
цепочке анализа отказов ИМС можно выделить четыре ос-
новных этапа:
1)	подтверждение отказа ИМС и регистрацию условий его
возникновения и особенностей проявления;
121
2)	локализацию (выделение) отказавшего элемента
микросхемы;
3)	физико-технический анализ дефекта, которым обус-
ловлен отказ;
4)	идентификацию причины отказа, т. е. распознание
причины, известной по ранее проведенным исследованиям.
На этапе подтверждения отказа ИМС обычно осущест-
вляют проверку соответствия электрических параметров
микросхемы требованиям технических условий, контроль
внешнего вида и в случае необходимости контроль парамет-
ров при повышенной или пониженной температуре, механи-
ческих нагрузках и т. д. При этом фиксируют все особен-
ности и условия проявления отказа, что нужно для дальней-
шего установления его вида и причины.
Локализация отказавшего элемента ИМС дает возмож-
ность сузить область дальнейших исследований установле-
нием логического элемента (или цепочки элементов), рабо-
тоспособность которого нарушена. Для достаточно простых
ИМС (1-й и 2-й степеней интеграции) локализация отказав-
шего элемента может быть осуществлена анализом принци-
пиальной схемы и сочетанием ее входных и выходных пара-
метров. Для сложных ИМС (3-й — 4-й степеней интеграции)
отказавший элемент наиболее рационально отыскивать ма-
шинной диагностикой, основанной на анализе математико-
логических моделей БИС по специальным программам на
ЭВМ, либо вручную, но с использованием специальных
диагностических таблиц и словарей неисправностей. Осо-
бенно важно уметь осуществлять диагностику до вскрытия
корпуса, так как последнее может привести к исчезновению
или искажению признаков и проявлений отказа, но это не
всегда удается.
После вскрытия корпуса обычно осуществляют дальней-
шую локализацию отказавшего элемента (транзистора, дио-
да, резистора и т. д.) путем использования либо результатов
схемотехнического анализа работы схемы и ее логических
элементов, либо физико-технических методов анализа (раст-
ровая электронная микроскопия, жидкокристаллическая
индикация и др.).
После локализации отказавшего элемента схемы прово-
дят этап исследования дефекта, вызвавшего отказ, и опреде-
ление его характеристик. Эту задачу решают методами фи-
зико-химических исследований и анализов с применением
специального оборудования и приборов.
Заключительный этап анализа отказов — идентифика-
ция причины отказа, т. е. логический переход от наблю-
122
даемого дефекта, вызвавшего отказ микросхемы, к причине
отказа.
Причинами отказов ИМС могут быть ошибки разработки
(схемотехнические и топологические), недостатки техноло-
гии, производственные дефекты, перегрузки или несоблюде-
ние правил применения ИМС при испытаниях или эксплуа-
тации.
Организация и обеспечение анализа отказов ИМС. Слож-
ность и комплексный характер работ по анализу отказов
требуют четкой организации их проведения в промышлен-
ных условиях на основе комплекта документации, опреде-
ляющей как техническое обеспечение анализа (методики,
инструкции и т.д.), так и организацию взаимодействия раз-
личных подразделений и служб в процессе анализа отказов.
Основные принципы организации и обеспечения анализа
отказов на предприятии:
1.	Анализ отказов должен осуществляться на основе
типовой программы, определяющей маршрутную последо-
вательность операций, необходимых и достаточных для про-
ведения анализа. Типовой маршрут (программа) является
общим для ИМС широкого класса, а методы выполнения
каждой операции специфичны и зависят от конкретных
особенностей анализируемых микросхем.
2.	Для обеспечения анализа отказов необходимо наличие
полного комплекта документации, позволяющей выполнить
поэтапно все процедуры маршрутной схемы. Часть докумен-
тации (функциональные схемы, ЧТУ и др.) составляют
в обязательном порядке при разработке изделия, другую
часть (диагностический словарь, руководство по диагности-
ке, эталоны качества и др.) разрабатывают дополнительно
при освоении производства изделий.
3.	Организацией и обеспечением анализа отказов на
предприятии должно заниматься специализированное под-
разделение, укомплектованное квалифицированными спе-
циалистами и необходимым оборудованием.
В качестве примера в табл. 4.1 приведена программа ана-
лиза отказов наиболее массовых МДП-БИС.
123
Таблица 4.1
Полная программа анализа отказов МДП-БИС
Номер этапа	Наименование этапа	Метод	Наименование работы	Оборудование, средства
1	Контроль электриче- ских параметров БИС на соответствие ТУ и ди- агностика логического элемента в составе ИМС 3-й—4-й степеней инте- грации	Измерение парамет- ров и проверка функцио- нирования по методам, изложенным в ТУ на из- делие	Измерение статических параметров. Измерение динамических параметров. Проверка функциониро- вания. Анализ результатов про- верки и определение отка- завшего логического элемен- та (диагностика)	Контрольно-измеритель- ная аппаратура в соответ- ствии с технической доку- ментацией. Диагностические програм- мы, тестовые таблицы, сло- вари
2	П роверка корпуса до вскрытия	Масс-спектрометрия. Вакуумно-жидкостная индикация. Рентгеновская интро- скопия Люминесцентная де- фектоскопия. Индикатор- ных паст, проникающих красителей	Проверка малых, средних и больших течей Проверка: посадки кристалла на основание корпуса; монтажа; наличия посторонних ча- стиц. Определение мест утечек в корпусах	Масс-спектрометр. Гелиевый течеискатель. Установка вакуумно- жидкостная Рентгеновский телевизи оннУЙ микроскоп. Люминесцентный микро- скоп. Оптический стереоскопи- ческий микроскоп
3	Анализ газовой среды корпуса и загрязнений на поверхности кристал-	Хроматография. Температурная	вы- держка.	Анализ состава газа в корпусе микросхемы. Определение температур-	Хроматограф. Термостат. Измерители электрофи-
ла до и после вскрытия
корпуса
Оптическая и ультра-
фиолетовая микроско-
пия
4 Визуальный контроль Оптическая микроско-
кристалла в корпусе пия
Интерферометрия.
Эллипсометрия.
Оптические измерения
Фотографирование
5	Диагностика отказав-	Логический анализ.
	шего МДП-транзистора	Потенциальный конт
	в составе логического	раст.
	элемента	Инфракрасная радио метрия
125
ной зависимости парамет-
ров структур, чувствитель-
ных к состоянию на поверх-
ности.
Вскрытие корпуса.
Проверка загрязнений
(наличие фоторезиста, пы-
линок и т. д.)
Определение обрывов со-
единений и металлизации,
трещин, качества совмеще-
ния, царапин, микроплазм,
прозрачных загрязнений и
т. Д.
Измерение толщины окси-
да, металлизации.
Измерение линейных раз-
меров, оценка топологии
Определение отказавшего
МДП-транзистора в составе
логического элемента.
Локализация отказавше-
го элемента на кристалле в
составе логической ячейки.
Локализация места отка-
за.
Опенка посадки кристал-
ла на корпус
зических параметров и ха-
рактеристик.
Установка для вскрытия
корпуса.
Биологический микро-
скоп.
Ультрафиолетовый мик-
роскоп
Биологический микро-
скоп.
Универсальный исследо-
вательский микроскоп с фа-
зовым контрастом, светлым
и темным полем
Стереоскопический мик-
роскоп.
Интерферометр.
Эллипсометр.
Растровый измеритель-
ный микроскоп.
Профилометр.
Фотоаппарат
Пульты проверки элект-
рических параметров логи-
ческого элемента МДП-
транзистора.
ЭВМ и диагностические
программы.
Растровый электронный
микроскоп.
Пульты контроля элект
рических параметров МДП-
Номер этапа	Наименование этапа	Метод
6	Изоляция отказавше- го элемента	Пережигание дорожек: электрическим то- ком; лазером Фотолитография. Электроизмерения
7	Установление отказав- шего компонента в МДП-транзнсторе и ви- да отказа	Фотоответ. Наведенный ток, по- тенциальный контраст. Стереоскопическое об- следование. Фазовый контраст. Измерение геометри- ческих размеров на оп- тических приборах
8	Исследование отказав- шего компонента	Измерение электро- физических параметров
Продолжение табл. 4.1
Наименование работы	Оборудование, средства БИС и логического элемен
Изоляция отказавшего элемента на кристалле. Измерение параметров изолированного элемента	Инфракрасный радиометр Зондовая установка Лазерная установка Световой зонд. Координатный столик. Фотолитографическое оборудование. Измерители параметров
Световое сканирование. Электронное сканирование Микроскопические изме- рения и обследование кри- сталла в целом и отказав- шего элемента	МДП-транзисторов Фотоскан. Растровый электронный микроскоп. Пульт подачи напряже- ний на БИС. Стереоскопический мик- роскоп с большим увеличе- нием. Профилометр. Растровый	измеритель- ный микроскоп
Исследование зарядовой стабильности оксида. Исследование вольт-ам- перных характеристик. Исследование диэлектри- ческих свойств оксида	Универсальный исследова- тельский микроскоп Камера теплоты и холо- да. Приборы и установки для измерения электрофизиче
Определение микро-
примесей и загрязнений
Рентгеновский спект-
ральный анализ
Спектрография инфра-
красного, видимого и
ультрафиолетового из-
мерений
Анализ структуры ма-
териалов
Дифракция электронов
Дифракция рентгенов-
ского излучения
Электронная микро-
скопия
Избирательное трав-
ление и микроскопиче-
ское исследование
Металлография
Исследование токов утеч-
ки р-л-переходов
Определение:
химических элементов;
концентрации легиру-
ющих примесей
Анализ интерметалличе-
ских соединений, продуктов
коррозии.
Определение состава за
грязнений
Определение кристалли-
ческой структуры интерме-
таллических соединений,
включений, загрязнений
Определение механиче-
ских напряжений в мате-
риалах
Определение дислокаций,
дефектов упаковки, пор,
выступов, трещин, размера
ступенек оксида
Определение дефектов в
оксиде и кремнии в комби-
нации с этапами 4, 8, 9
Определение качества
сварных соединений, адге-
зии, глубины переходов
ских параметров оксида и
р-п-псрсходов.
Монохроматор
Световой зонд.
Зондовая установка
Электронный микрозонд.
Ионный микрозонд.
Микроспектрофлюорн-
метр
Установка микроспект-
рального анализа.
ИКспектрометр
Электронограф.
Дифрактометр
Просвечивающий элект-
ронный микроскоп.
Растровый электронный
Микроскоп
Вытяжной шкаф.
Микроскоп.
ИК-микроскоп
Шлифовальный станок.
Металлографический мик-
роскоп
§ 4.5.	Основные виды и причины
отказов ИМС
Всесторонний анализ причин потери работоспособности
ИМС при их испытаниях и эксплуатации в составе РЭА поз-
воляет сделать вывод, что на современном этапе развития
микроэлектроники преобладают внезапные отказы, вызван-
ные разрушением элементов конструкции из-за несовершен-
ства отдельных технологических операций, нарушением или
ошибками в процессе их производства, несоблюдением тре-
бований нормативно-технической документации на этапе
применения.
Основным источником внезапных отказов ИМС (табл. 4.2)
является нарушение электрической цепи. Причинами обры-
вов электрических цепей являются недостаточная прочность
сварных соединений в местах контактов разнородных мате-
риалов, химическое, электрическое, механическое разруше-
ние металлических тонкопленочных проводников, дефекты
сборки микросхем.
Короткие замыкания в электрических цепях микросхем
обусловлены, в основном, дефектами фотолитографии и диэ-
лектрических пленок, возникновением каналов с инверсной
электропроводностью, дефектами кристаллической решетки
полупроводникового кристалла, дефектами сборки.
Основными причинами параметрических отказов ИМС,
выражающихся в большинстве случаев в увеличении токов
утечки, являются возникновение каналов электропровод-
ности из-за миграции подвижных зарядов в оксидной пленке,
загрязнения поверхности кристалла и разгерметизации
корпуса.
С точки зрения физических причин отказы условно делят-
ся на три категории:
1)	объемные, связанные с явлениями в объеме полупро-
водникового кристалла;
2)	поверхностные, обусловленные явлениями на поверх-
ности кристалла;
3)	контактные, обусловленные нарушением контактных
соединений и обрывом тонкопленочных проводников.
Объемные отказы. Возникновение отказов, связанных
с объемными явлениями, можно объяснить появлением или
развитием в процессе эксплуатации ИМС структурных не-
совершенств полупроводникового кристалла (дислокаций,
дефектов упаковки, микротрещин и т. д.) либо перераспре-
делением легирующих примесей в объеме кристалла.
Дислокации и другие дефекты кристаллической струк-
128
Таблица 4.2
Распределение внезапных отказов ИМС по видам и причинам
(обобщенные данные)
Вид отказа	Причина отказа	Доля отказов, %
Обрыв сварного соеди-	Малая механическая проч-	20
нения Обрыв тонкопленоч-	ность сварного соединения. Образование интерметалли- ческих соединений. Превышение	допустимого уровня механических нагрузок Механические повреждения,	20
ных проводников и рези- сторов Короткое замыкание и	подтравы, некачественное за- пыление ступенек рельефа. Повышение	допустимого уровня тока. Коррозия (химическая, элек- трохимическая) Загрязнение поверхности ди-	22
повышенный ток утечки Дефекты фотолито-	электрических	пассивирую- щих пленок или корпуса. Дефекты диэлектрика. Превышение	допустимого уровня напряжений Ложная диффузия.	10
графин Объемные	дефекты	«Недотрав» или «перетрав» оксидов и металлов. Неполное удаление фоторе- зиста «Смыкание» в транзисторах	10
кристалла Дефекты сборки и кор-	с тонкой базой. Пробои в местах локальных дефектов структуры Негерметичность корпуса,	15
пуса вследствие негер- метичности Прочие	коррозия деталей корпуса. Механические повреждения гибких проводников Инородные частицы в корпу- сах. Некачественная	посадка кристалла на основание	3
туры, трещины, деформации и механические напряжения
в кристалле, развиваясь в процессе эксплуатации микросхе-
мы под воздействием термических и механических нагрузок,
могут вызвать существенные изменения электрических ха-
рактеристик, происходящие обычно постепенно.
При увеличении плотности упаковки и уменьшении гео-
метрических размеров активных и пассивных элементов
120
ИМС степень влияния локальных дефектов полупроводнико-
вой структуры на их надежность возрастает.
Основными механизмами деградации свойств эпитакси-
альных и диффузионных слоев микросхем с «мелкими»
р-ц-переходами являются движение дислокаций, изменение
внутренних напряжений кристаллической! решетки, рекри-
сталлизация, распад твердых растворов и др. Указанные
процессы приводят к изменению таких характеристик, как
концентрация, подвижность, времена жизни носителей за-
ряда, а значит, к повышению токов утечки, снижению про-
бивного напряжения переходов, ухудшению быстродействия
микросхем.
Поверхностные отказы. Нанесение диэлектрических пле-
нок на поверхность кристалла может оказать существенное
влияние на надежность микросхем в связи с изменением
следующих характеристик системы Si — SiO2:
величины подвижного и неподвижного заряда в оксиде;
стабильности заряда в оксиде при воздействии электри-
ческого поля и повышенной температуры;
скорости поверхностной рекомбинации.
При работе микросхем на границе раздела Si — SiO2
и в приповерхностной области полупроводникового кристал-
ла происходит перераспределение электрических зарядов
различной природы, присутствующих на поверхности и
внутри пленки SiO2 (ионы, электроны и дырки, избыточные
атомы Si, «ловушки» и др.), что приводит к существенным
изменениям характеристик р-п-переходов и иногда к появ-
лению поверхностных каналов с инверсной электропровод-
ностью кремния. Вследствие этого явления возрастают токи
утечки и ухудшаются параметры микросхем.
Наиболее чувствительны к состоянию оксида МОП-
структуры, в которых эффект поверхностной миграции ио-
нов усиливается вследствие того, что оксид под затвором яв-
ляется «рабочим» элементом микросхемы и определяет поро-
говое напряжение — основную электрическую характери-
стику схемы.
Повышенная концентрация и подвижность ионов наблю-
даются обычно при недостаточно эффективной очистке по-
верхности пластины перед окислением или при внесении
загрязнений в процессе нанесения (выращивания) оксида,
а также при большой плотности дефектов в оксидной пленке.
Экспериментально установлено, что инверсные каналы
могут быть ликвидированы высокотемпературным отжигом
без подачи обратного смещения на микросхему. Однако ис-
точник нестабильности при этом не устраняется, и при по-
130
следующей работе микросхемы в условиях повышенной тем-
пературы каналы вновь образуются.
Для стабилизации поверхности широко применяется
дополнительное легирование оксида фосфором, так как об-
разующийся при этом тонкий слой фосфорно-силикатного
стекла (ФСС) обладает геттерирующими свойствами по от-
ношению к ионам щелочно-земельных металлов и играет
роль барьера, препятствуя накоплению ионов у поверхно-
сти раздела.
Контактные отказы. В ИМС обычно используются два
типа контактных соединений:
тонкопленочные металлические проводники, применяе-
мые для внутрисхемной разводки между элементами на кри-
сталле (плате);
Рис. 4.5. Распределение видов от-
казов МДП-БИС, обусловленных:
4 — дефектами оксида; 2 — электрически-
ми перегрузками; 3 — зарядовой неста-
бильностью; 4 — 7 — дефектами металли-
зации, в корпусе, монтажа, фотолитогра-
фии соответственно; 8 — прочими дефек-
тами
Рис. 4.4. Относительное рас-
пределение видов отказов
биполярных ИМС и БИС, об-
условленных:
1 — дефектами металлизации; 2 —
дефектами диффузии; 3 — наличи-
ем инородных частиц; 4 — неопоз-
нанными причинами; 5, 6, 7 — де-
фектами кристалле и оксида, гер-
метизации	кристалл одержател я
соответственно; 8 — неправильным
применением
соединения тонкопленочных металлических контактных
площадок на кристалле с внешними выводами (траверсами)
корпуса, выполняемые обычно с помощью золотых или
алюминиевых микропроводников.
131
При формировании контактных соединений в микросхе-
мах используется большое число разнородных материалов
(золото, алюминий, кремний, подслои молибдена, ванадия,
вольфрама, платины, титана, керметные и силицидные сое-
динения), взаимодействие между которыми может в ряде
случаев стать причиной отказа микросхемы.
Отказы контактных соединений проявляются чаще всего
как обрыв электрической цепи или увеличение контактного
сопротивления и обусловлены двумя механизмами:
скоплением вакансий в различных областях внутрисхем-
ной разводки;
Таблица 4.3
Нарушения условий применения и связанные с ними
виды отказов ИМС
Условия применения (конструкция, схемотехника)	Возможный вид отказа
Питание РЭА от источников, дающих в моменты включения и выключения выбросы напря- жения, превышающие допусти- мые по ТУ для ИМС; связь микросхем с трансформатора- ми, дающими выбросы напря- жения в переходных режимах	Обрывы гибких проводников с оплавлением концов. Обугливание защитных покрытий активных элементов гибридных ИМС. Обрывы металлизированной раз- водки на кристалле. Короткие замыкания переходов и тонкопленочных конденсаторов. Короткие замыкания цепей вслед- ствие образования каналов и про- колов оксида под действием тер- момеханических напряжений
Режим, превышающий нор- мы и требования ТУ (по тем- пературе и электрической на- грузке)	Ускорение развития известных механизмов отказов и сокращение срока службы. Возникновение механизмов отка- зов, не известных или не харак- терных для ИМС при нормальной эксплуатации
Недостаточная жесткость конструкции (прогибы печат- ных плат, резонансные явления и т д.)	Поломка выводов при монтаже. Растрескивание стеклоизолято- ров и разгерметизация корпусов. Отслоение плат и кристаллов от оснований корпуса
132
образованием областей с электроизолирующими свойст-
вами на границе раздела разнородных материалов, которые
используют в конструкции микросхемы.
Обобщенные данные по относительному распределению
видов отказов для биполярных ИМС различной степени ин-
теграции приведены на рис. 4.4.
Для МДП-БИС харакерны те же отказы, что и для би-
полярных ИМС, однако характер их распределения по видам
другой (рис. 4.5).
Отказы, вызванные нарушением условий применения
ИМС в РЭА. Особую и довольно значительную группу отка-
зов ИМС при их работе в составе РЭА (а также на этапах
ее производства и испытаний) составляют отказы, обуслов-
ленные нарушением требований и рекомендаций по приме-
нению ИМС в части схемотехнического и конструктивного
решений при разработке РЭА на микросхемах (табл. 4.3),
а также несоблюдением ряда технологических требований
в процессе сборки, регулировки и испытаний блоков и узлов
на микросхемах.
Анализ отказов, их статистическая обработка по видам,
установление причин возникновения являются важным зве-
ном в комплексе мероприятий, направленных на повышение
качества и надежности ИМС.
§ 4.6. Пути повышения качества
и надежности ИМС
Несмотря на то что ИМС обладают более высокой надеж-
ностью, чем электронные узлы на дискретных компонентах,
проблема обеспечения заданного уровня качества и надеж-
ности и непрерывного его повышения остается актуальной,
охватывая комплекс научно-технических, производствен-
ных, экономических и социальных задач.
Существуют различные подходы к расчету, оценке и про-
гнозированию показателей качества и надежности ИМС,
основанные на вероятностно-статистических и причинно-
следственных методах исследований.
Эксплуатационная надежность современных ИМС ха-
рактеризуется интенсивностью отказов 10-в — 10-8 ч-1
и минимальной наработкой 12—15 тыс. ч в зависимости от
конструктивно-технологического исполнения. В отдельных
случаях изготовления полупроводниковых биполярных
ИМС по усовершенствованной технологии достигнута экс-
плуатационная надежность 10-10 ч-1. Полупроводниковые
ИМС характеризуются более высокой надежностью, чем
133
гибридные, что объясняется большим количеством внутри-
схемных контактных соединений в гибридных ИМС из-за
применения навесных компонентов. Надежность БИС при
оценке по результатам испытаний значительно ниже на-
дежности ИМС 1-й и 2-й степеней интеграции, однако выше
при расчете на одну выполняемую функцию.
Для обеспечения требуемого уровня качества и надеж-
ности разработаны и внедрены ГОСТы, ОСТы и другие
стандарты, ОТУ, ЧТУ на изделия электронной техники, в ко-
торых отражаются единые требования к качеству и надеж-
ности, устанавливаются методики оценки. Перечень основ-
ных ГОСТов и ОСТов по качеству и надежности ИМС при-
веден в Приложении 2.
Постоянное расширение функциональных возможностей
и областей применения аппаратуры на ИМС, переход от
ИМС к БИС и СБИС выдвигают задачу еще большего повы-
шения их качества и надежности. Эта задача особенно ак-
туальная на современном этапе развития микроэлектроники.
Пути повышения надежности ИМС могут быть различ-
ными: развитие научных основ проектирования изделий (ап-
паратуры и самих ИМС) с целью обеспечения заданных тре-
бований к надежности и долговечности, принятие ряда
мер по совершенствованию методов конструирования, улуч-
шение технологии, применение более надежных и стабиль-
ных во времени материалов и комлектующих изделий, ис-
пользование специальных приемов, изучаемых теорией на-
дежности (например, резервирования). Большие возможно-
сти для разработки мер по повышению качества и надежно-
сти ИМС открывают физические методы исследования на-
дежности, методы прогнозирования, анализ отказов. Весьма
эффективными для прогнозирования надежности разраба-
тываемых ИМС являются имитационные методы, основанные
на имитационном моделировании деградационных процес-
сов в ИМС с помощью ЭВМ, что позволяет отказаться от
натурных испытаний. В настоящее время разработаны для
исследования на ЭВМ имитационные модели внезапных и
постепенных отказов с целью прогнозирования надежности
ИМС и их элементов (выводов, соединений, металлизации,
активных и пассивных элементов). Такие модели представ-
ляют собой формализованное описание изучаемого явления
на уровне установившегося представления о его природе.
Разработанное для имитационных моделей математическое
обеспечение в виде алгоритмов и программ позволяет про-
водить исследования надежности ИМС на ЭВМ в диалоговом
режиме.
134
Резервирование элементов и соединений между ними
в составе кристалла, что сравнительно легко достигается
технологически, также позволяет существенно повысить
надежность БИС, особенно с регулярной структурой (ЗУ,
МП).
Успехи в определении физических процессов, происхо-
дящих в структурных элементах ИМС, разработка матема-
тического аппарата параметрической надежности, методов
распознавания отказов и планирования эксперимента в до-
полнение к статистическим методам позволяют создать
более совершенные методики исследования и анализа на-
дежности ИМС.
Проблема повышения качества и надежности ИМС ох-
ватывает комплекс вопросов научно-технического, произ-
водственного, организационного, информационного, эко-
номического и социального характера, решение которых
требует системного подхода, введения служб качества на
всех этапах жизненного цикла ИМС (проектирование, из-
готовление, применение) и на всех уровнях иерархической
структуры промышленности (завод, КБ, НИИ, объедине-
ние, управление, отрасль). Системный подход обеспечивает
объективную оценку качества и надежности разрабатывае-
мых и выпускаемых изделий, всесторонние их испытания,
сбор, обработку информации о качестве и надежности изде-
лий на всех этапах. Эта информация послужит основой для
разработки и внедрения системы управления качеством.
Принципиально новым в управлении качеством является
переход от отдельных разрозненных мероприятий к четкой
научно обоснованной системе комплексных и постоянно дей-
ствующих мероприятий, направленных на обеспечение ка-
чества на всех уровнях управления и осуществляемых
как в пределах одного предприятия, так и в государствен-
ном масштабе.
Дальнейшее развитие систем управления качеством пой-
дет по пути создания автоматизированных систем: разра-
ботки машинно-ориентированных документов, выделения
основных задач управления качеством для машинной обра-
ботки, создания технического и программного обеспечения
этих задач.
Для обеспечения работ по повышению качества и надеж-
ности выпускаемых ИМС необходимо провести организа-
ционные, производственные и научно-технические меропри-
ятия.
Организационные мероприятия предусматривают внед-
рение аттестации работников, выполняющих определенные
135
операции, и технологических процессов, оборудования;
организацию службы качества и надежности; внедрение
системы управления качеством труда и подготовки кадров.
К производственным мероприятиям следует отнести раз-
работку и применение новых материалов; переход на пла-
стины и платы больших размеров (102—152 мм и 100 X
х 100 мм); внедрение новых прогрессивных технологиче-
ских процессов; использование автоматизированного высо-
коточного и высокопроизводительного технологического,
контрольно-измерительного и испытательного оборудования
с применением ЭВМ; внедрение системы контроля с учетом
моральных и материальных стимулов; внедрение оптималь-
ной системы испытаний с применением ЭВМ; внедрение со-
вершенной системы пооперационного анализа брака и отка-
зов изделий на этапах разработки, производства и при-
менения.
Главное внимание при создании БИС и СБИС при этом
уделяется вопросам контроля дефектов (в первую очередь
привнесенных), отбраковочных испытаний на этапе приме-
нения БИС, а также автоматизации тестирования БИС пу-
тем встроенных в кристалл схем контроля их работоспособ-
ности.
Научно-технические мероприятия — это использование
современной элементной базы, широкое внедрение автомати-
зированных систем на всех этапах разработки, изготовле-
ния и испытания ИМС и робототизированных технологи-
ческих комплексов.
135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Хочется обратить особое внимание читателя еще на одну
сторону проблемы качества и надежности — на связь вы-
пуска качественной надежной продукции с производитель-
ностью труда работников и экономическими показателями
производства. Борьба за выпуск качественных изделий,
т. е. борьба за сокращение дефектов в производстве изделий,
уменьшение брака, переделок, повторных операций конт-
роля, косвенно приводит к повышению производительности
труда — главного экономического показателя обществен-
ного производства.
Собственно говоря, производительным следует считать
только труд, потраченный на изготовление качественной
продукции. Повышение надежности, являющейся одним из
показателей качества, приводит к увеличению срока служ-
бы изделий, в которых установлена ИМС, т. е. к уменьше-
нию потребности в годовом выпуске этих изделий и самих
ИМС, сбережению материалов, уменьшению затрат труда и,
естественно, к росту экономических показателей производ-
ства. Значит, регулярная деятельность по усовершенствова-
нию производства и выпуска качественной продукции, вни-
мательный, последовательный, упорный, терпеливый, каждо-
дневный, методичный, комплексный подход к проблемам
улучшения качества изделий приводит к существенному
росту как технических, так и экономических показателей
производства изделий микроэлектроники. Более подробно
с решением технических проблем производства микроэлект-
ронной аппаратуры на основе интегральных микросхем мож-
но познакомиться в книгах 6—8, а с решением экономиче-
ских и организационных проблем — в книге 9.
137