5. Управление качеством в проектировании и производстве бис и сис. Обеспечение параметров и стандартов качества на этапе проектирования

5.1. Качество и проектирование производства конкурентоспособной продукции

Жизненный цикл продукции (изделий электронной техники). Основные этапы разработки новой техники: маркетинг, проектирование и разработка продукции, логистика, разработка и освоение производственных процессов, производство, контроль и испытания (включая способы выявления причин брака и отказов), упаковка и хранение, реализация и продвижение продукции, монтаж и эксплуатация, обслуживание, утилизация. Примеры.

Жизненный цикл современных БИС и СИС лежит в пределах 5-7 лет.

Основными этапами разработки новой техники являются следующие:

– маркетинг,

– проектирование и разработка продукции,

– логистика,

– разработка и освоение производственных процессов,

Рекомендуемые материалы

– производство,

– контроль и испытания (включая способы выявления причин брака и отказов),

– упаковка и хранение,

– реализация и продвижение продукции,

– монтаж и эксплуатация,

– обслуживание,

– утилизация.

5.2. Основы устойчивого проектирования технологии БИС               

Понятия параметров качества продукции. Факторы, влияющие на процент выхода годных кристаллов (потерю качества). Виды функции потери качества в зависимости от оптимальной оценки выход­ного параметра кристалла. Система контроля качества и управления технологическим процессом производства БИС и СИС и её функционирования. Основы комплексного автоматизированного производства ИЭТ.

К числу обобщённых показателей качества изготавливаемых БИС и СИС относятся:

– Себестоимость при массовом выпуске;

– Надёжность в процессе эксплуатации.

Себестоимость определяется материалоёмкостью ИЭТ, трудозатратами на их разработку, освоение производства, изготовления кристаллов, их сборки в корпус и герметизации.

При проектировании ИЭТ, например ИМС, важной задачей является определение оптимальных конструкторско-технологических решений. Так, если схема устройства подразделяется на большое число ИМС, то ожидается низкий процент брака (соответственно высокий процент выхода годных), но общая стоимость изделия вероятнее всего окажется высокой из-за значительной стоимости сборки, большой материалоёмкости изделия на общей печатной плате. Действительно, стоимость сборочных операций с учётом всех применяемых материалов достигает порой 65% от стоимости всей ИМС. И наоборот, если изделие разбивается на небольшое число блоков, которые предполагаются изготавливаться в интегральном исполнении, то из-за их низкого процента выхода годных производство также может оказаться неэффективным, т.к. значительная часть кристаллов отбраковывается. Рис. 1. Начальный спад себестоимости обусловлен снижением материалоёмкости конструкции в целом, а последующий её рост – снижением процента выхода годных кристаллов. Поэтому для изготовления качественной продукции на этапе её проектирования важно правильно оценивать процент выхода годных БИС.

Международная организация по стандартизации – ISO была создана в 1946 г. с целью разработки стандартов и содействия международной торговле и техническому прогрессу. Новые стандарты базировались на опыте более, чем 30 стран. Особое внимание было уделено военным стандартам MIL-Q-9858A, MIL-Q-45208A, национальным стандартам США ANSI, стандартам НАТО AQAP-1 и др., стандартам Великобритании BS, Канады CSA, Франции AFNOR. В 1987 г был создан комплекс стандартов ISO 9000, который содержит прогрессивные формы и методы организации работ по управлению качеством, охватывающий все стадии жизненного цикла продукции.

Эти стандарты ориентируют продукцию на удовлетворение требований потребителей и приняты ЕС.

МС ISO 9000 устанавливают, что предприятие должно решать три главные задачи в области качества:

1. Достигать и поддерживать качество продукции и услуги на уровне, соответствующем требованиям потребителя;

2. Руководство должно быть уверено в уровне качества;

3. Потребитель должен быть уверен в достигнутом уровне качества.

Серия стандартов ISO 9000 включает:

МС ISO 9000 – общее руководство качеством и перечень стандартов, указания по выбору и применению.

МС ISO 9001 – система качества. Модель обеспечения качеством при проектировании и разработке производства, монтаже, обслуживании.

МС ISO 9002 – система качества. Модель для обеспечения качества при проектировании и монтаже.

МС ISO 9003 – система качества. Модель для обеспечения качества при окончательном контроле и испытаниях.

МС ISO 9004 – руководящие указания по системам качества.

В основу политики в области качества положена концепция «шесть сигма», которая заимствована из опыта американской фирмы  Motorola.

В реальном производственном процессе имеются неконтролируемые вариации условий выполнения операций, свойств материалов, режимов работы оборудования, действий операторов, которые не отвечают требованиям наилучшего качества продукции. Эти отличия между параметрами изделий имеют нормальное распределение.

Графически нормальное распределение представляется колоколообразной кривой, охватывающей 99,73% площади разбросом в 6 s. Область размером 0,27% представляет собой не соответствующую спецификации продукцию.

Однако для продукции, от которой зависит здоровье и безопасность, такая концепция непригодна (2700 бракованных приборов на миллион). Кроме того, как показывает опыт, средние показатели процессов могут быть сдвинуты до 1,5 s. Когда это происходит, то только 93,32% области будут находиться под кривой внутри спецификаций. (66000 бракованных приборов на миллион).

Для понижения числа отбракованных изделий процессы требуется «центрировать», т.е. настраивать на достижение математического ожидания по контролируемому параметру. Тогда может быть достигнуто даже при сдвиге на 1,5 s всего 3,4 дефектов на миллион.

Для оценки качества проведения всех важных процессов можно воспользоваться тремя показателями:

1. Коэффициент потенциальной воспроизводимости процесса

С_п = ширина поля допуска / разброс процесса = (USL – LSI) /  6 s.

2. Коэффициент воспроизводимости процесса

С_в = среднее значение – ближний предел спецификации / половину разброса (3 s)

С_в = С_п (1 – К),

где  К = (номинальное значение – среднее значение процесса) / половину ширины поля допуска

3. Коэффициент нестабильности  процесса

НС = число точек вне контролируемого поля / общее число данных * 100.

Если все точки под контролем НС = 0, если все вне контроля НС = 100.

Для выявления различных дефектов качества продукции и их классификации с целью последующего анализа могут использоваться методы неразрушающих испытаний (НРИ), которые в целом находят применение в системе поэтапного дефектоскопического обеспечения, показанной на рис. Она представляет собой совокупность методов и средств, а также метрологического обеспечения, которые сопровождают этапы разработки, производства и эксплуатации изделий.

В ней можно выделить ряд подсистем:

1. техническая – совокупность методов и средств НРИ;

2. нормативная – совокупность стандартов и других нормативных документов;

метрологическая.

5.3. Тестирование и контроль БИС и СИС                                           

Методы тестирования интегральных микросхем. Функциональный контроль БИС и СИС на пластинах и в корпусах. Совмещённый функционально-динамический контроль. Методы отбраковки ненадёжных БИС и СИС.     

Методология поиска отказов БИС и СИС.

Отказы БИС и СИС могут вызываться как скрытыми дефектами при работе их в номинальных режимах, так и несоблюдением режимов работы. Если главенствует вторая причина, то можно рекомендовать два способа обнаружения дефектов:

1. Фиксируются максимальные значения нагрузки на ИМС при подконтрольной эксплуатации а РЭС. Это реализуется с помощью датчиков перегрузок, что используется, например, при поставках кинескопов некоторыми фирмами.

2. Многофакторное моделирование условий работы ИМС в условиях лаборатории – изделия подвергаются одновременному воздействию тепловых, механических и других нагрузок.

Системы поэтапного дефектоскопического обеспечения БИС и СИС

Подсистемы:

– Техническая

– Нормативная

– Метрологическая

Способы выявления причин отказов основаны на видах отказов, например, пробой, электромиграция и др. Последовательность проведения первичного анализа БИС и СИС зависит от категории БИС и СИС и аналитических возможностей предприятия.

Выбор методов выявления и отбраковки БИС и СИС со скрытыми дефектами также определяется возможностями предприятия, в частности имеющейся аппаратурой (оптическим и электронными микроскопами, спектрометрами и т.п.).

5.4. Методы повышения помехоустойчивости БИС и СИС                

Классификация помех, воздействующих на работу цифровых БИС и СИС. Методы повышения устойчивости БИС и СИС к помехам по цепям питания и генерируемых в цепях межсоединений. Методы защиты от электрических перегрузок, примеры.

Наиболее радиационно-чувствительными структурами КМОП БИС являются активные МОП-транзисторы (в особенности, n-канальные) и паразитные МОП-транзисторы, связанные с изолирующим оксидом. Дисперсия же статических параметров интегральных микросхем зависят от разброса геометрических размеров активных элементов и стабильности технологического процесса. В этой связи к числу основных характеристик технологии МОП-структур, потенциально оказывающими наибольшее влияние на устойчивость к внешним воздействиям (ВВ) - g-излучению и повышенным температурам в процессе эксплуатации (спецстойкость микросхем), можно отнести температурные режимы, механические напряжения и неконтролируемые примеси.

  Из конструктивных параметров КМОП БИС наибольшее влияние на устойчивость к ВВ оказывают толщина подзатворного и изолирующего оксидов и вертикальные размеры элементов структуры МОП-транзисторов, типичные значения которых сведены в таблицу 5.1.

Таблица 5.1 -  Основные параметры слоев элемента КМОП-структуры

   В настоящее время принято считать, что наибольшее влияние на спецстойкость КМОП БИС оказывают режимы операций, протекающих в процессе и после формирования слоев подзатворного (тонкого) и изолирующего (толстого) оксидов.

  На практике длительность и температурный режим на стадиях загрузки и выгрузки партий пластин имеют существенный разброс. Кроме того, после операции локального окисления следует не менее 8 высокотемпературных операций. Эта последовательность может влиять на уровень механических напряжений в изолирующем и подзатворном оксидах и на концентрацию содержащихся в них примесных включений. Так, операция диффузии фосфора проводится при температуре ~900oС. При этом можно полагать, что повышенная, по сравнению с температурой формирования тонкого оксида, температура операции может влиять на микроструктуру диэлектрика, а также на распределение механических напряжений в плёнках. Зависимость же плотности дефектов в оксиде от концентрации хлора в процессе выращивания оксида немонотонна, и при повышении концентрации хлора выше оптимальной плотность дефектов может превысить предельное значение, что, в конечном счёте, приведёт к снижению устойчивости БИС к ВВ.

  Режимы операций термообработки контактов и «вжигания» алюминия также имеют разброс, что может быть существенным для распределения механических напряжений в тонкоплёночной структуре. Кроме того, величина этих напряжений зависит от толщины металлической плёнки.

  Разброс параметров техпроцесса применительно к качеству оксида может приводить к следующим эффектам:

  1. Изменению характеристик нестехиометрического оксида вблизи границы раздела с кремнием. В зависимости от максимальной температуры в процессе окисления, приграничный слой термического оксида имеет различную дефектность, которая оценивается как N = f (e-W/kT), где W » 1,5 эВ. Кроме того, механические напряжения, преимущественно в приграничной области, существенно зависят не только от температуры (обычно контролируемой), но и от кинетики процессов нагрева и остывания, а также ряда других факторов;

  2. Введению различного количества примесей, в основном – водородосодержащих. В результате при облучении возможно высвобождение радиолитических ионов, чаще всего – протонов.

Рекомендуем посмотреть лекцию "13 Посредническтво психолога".

  Оба эти фактора приводят к нестабильности характеристик радиационной стойкости, например, возникновению токов утечки подзатворного диэлектрика.

  При разработке конструкции радиационностойких КМОП логических интегральных микросхем, следует исходить из того факта, что наибольшее влияние на их работоспособность при воздействии ионизирующих излучений оказывают не объемные эффекты в кремнии, а поверхностные эффекты, проявляющиеся на границе раздела «кремний – диэлектрик». При этом генерируются электронно-дырочные пары, значительная часть которых подвергается рекомбинации в течение короткого промежутка времени. Оставшаяся часть под действием электрических полей в оксиде приходит в движение. Электроны, имеющие высокую подвижность, перемещаются к областям с положительным зарядом, а дырки, имеющие низкую подвижность, захватываются на ловушках в диэлектрике. В результате захвата дырок происходит изменение вольт-фарадных и вольт-амперных характеристик как в активных, так и в паразитных областях структуры БИС. Плотность «захваченного» заряда стремится к насыщению по мере увеличения поглощенной дозы и слабо зависит от мощности дозы. «Наведенный» положительный заряд в оксиде изменяет пороговые напряжения «рабочих» и «паразитных» МОП- транзисторов, причем изменение пороговых напряжений МОП-транзисторов зависит как от величины и полярности напряжения на затворе во время облучения, так и от особенностей конструкции и технологии КМОП БИС. Максимальный сдвиг порогового напряжения происходит у n-канальных транзисторов при положительном напряжении на затворе. В меньшей степени подобные процессы проявляются в структурах МОП-транзисторов при эксплуатации в условиях повышенных температур.

Таким образом, при проектировании маршрутной технологии КМОП БИС, устойчивых к ВВ, необходимо, прежде всего,  решить две основные проблемы:

– разработать радиационностойкую технологию формирования блока изоляции;

– разработать конструкцию и топологию МОП-транзисторов, сохраняющих высокую стабильность электрических характеристик при воздействии g-излучения.

Вторая по важности задача получения КМОП ИС, устойчивых к большим дозам ионизирующего облучения, связана с созданием конструкций основных «рабочих» транзисторов с минимальным уходом величины пороговых напряжений.