Диссертация (Методы ускоренных испытаний сверхбольших интегральных микросхем на надежность), страница 2

Рассмотрены возможные методы ускоренных испытаний СБИС. Определен основной воздействующий фактор на СБИС.Во второй главе рассмотрены виды и причины отказов СБИС. Проанализированы методы проведения ускоренных испытаний по определениюэнергии активации, определен целесообразный метод.В третьей главе предложена методика проведения и результаты форсированных испытаний интегральных схем, приведены результаты экспериментальных исследований по определению энергии активации, определено9значение средней энергии активации отказов СБИС при различных температурах кристалла.В четвертой главе приведен метод ускоренных испытаний на безотказность и наработку до отказа.Экспериментальная часть работы выполнена на микросхемах различного функционального назначения и сложности.Общее количество испытанных и обследованных микросхем составляеттысячи штук.

Решение проблемы подтверждения требуемой наработки до отказа СБИС потребовало применения положений математической статистикии теории вероятностей, причинно-следственных связей между видами дефектов и механизмами отказов, эргономических характеристик оператора, физики полупроводников, аналитического оборудования.101АНАЛИЗИОБОБЩЕНИЕРЕЗУЛЬТАТОВИСПЫТАНИЙСВЕРХБОЛЬШИХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ1.1Анализиобобщениерезультатовиспытанийсверхбольшихинтегральных схем на безотказность, наработку до отказа иэлектротермотренировкуК микросхемам предъявляются высокие требования по надежности.Требования по надежности микросхем в соответствии с [1] подтверждаются испытаниями на безотказность, наработку до отказа и электротермотренировку (ЭТТ).Подтверждение таких требований натурными испытаниями практическизатруднено.

Для подтверждения указанных требований проводятся ускоренные испытания [2].Ускоренные испытания на безотказность и наработку до отказа предусматривают форсирование режимов приводящих к интенсификации физикотехнических процессов без изменения основных механизмов отказов.Ускоряющим фактором для большинства механизмов отказов сверхбольших интегральных схем (СБИС) является повышенная температура [3, 4,5].При анализе и обобщении материалов испытаний СБИС целесообразноиспользовать результаты испытаний на безотказность при максимальной положительной температуре по техническим условиям (ТУ), ускоренных испытаний по подтверждению наработки до отказа (испытания на наработку доотказа) при температуре (65+5ºС) и ЭТТ [3].При этом отказы из-за грубых производственных дефектов, ошибок оператора, нарушений работы испытательного оборудования и измерительныхприборов не учитываются [4, 6, 7, 8].11Предприятие 1Ускоренные испытания на наработку до отказа проведены на 2 СБИС.Проектные нормы 0,18 и 0,35 мкм.

Технология КМОП.Типы (типономиналы) СБИС, проектные нормы, температура, длительность испытаний и значение основных электрических параметров до и послеиспытаний приведены в таблице 1.1.Таблица 1.1 – Результаты испытаний на наработку до отказаТехнолоТемпеТипгия/Длительра(типономинал) проектныеность,тура,нормычасºСУскоренные испытания на наработку до отказаЗначения основных электрических параметровТок потребления в режимехранения, мАТок утечки, мкАТок утечки, мкА1635РУ3АУ0,18 мкм1253800Динамический ток потребления, мАВыходное напряжениенизкого уровня, ВВыходное напряжениевысокого уровня, ВТок потребления в режимехранения, мАТок утечки, мкА1635РУ21У0,35 мкм125До испытаПосленийиспытанийПараметры1000Ток утечки, мкА(продолжаДинамический ток потребются доления, мА3800)Выходное напряжениенизкого уровня, ВВыходное напряжениевысокого уровня, ВIccs «0»Iccs «1»IILLIILHIOLLIOLHIOCC5,615,61-0,250,07-0,060,045,675,68-0,570,2-0,120,064649VOL0,3610,372VOH3,9283,9840,5910,5980,587-0,370,020-0,310,36350,597-0,380,028-0,360,37360,220,232,6742,631Iccs «0»Iccs «1»IILLIILHIOLLIOLHIOCCVOLVOLИз таблицы видно, что после ускоренных испытаний на наработку доотказа имеет место изменение большинства параметров за счет физикохимических процессов (деградация).При проведении испытаний на безотказность при температуре 125ºС отказы отсутствуют.

При проведении ЭТТ при температуре 125ºС процент брака составил 0,3%. Отказ ячейки (не функционирует).12Предприятие 2Ускоренные испытания на наработку до отказа при температуре 100ºС и125ºС и ЭТТ при температуре 125ºС проведены на 2 СБИС.Проектные нормы 0,6; 0,35; 0,5; 0,18 мкм. Технология КМОП.При проведении испытаний на наработку до отказа при температуре125ºС отказов не было.Типы (типономиналы) СБИС, технология, проектные нормы, значенияпараметров до и после испытаний, длительность испытаний (3000 часов иплюс дополнительно) приведены в таблице 1.2.Таблица 1.2 - Результаты испытаний на наработку до отказа и ЭТТ двух СБИСУскоренные испытания на наработку до отказаТехнолоТипгия/Значения ЭТТ Значения основных электрических параметровТем(типоДлительпроект- пераДо ис- ПослеДо ис- Посленоминость,ные нор- тура,пыта- испытаПараметрыпыта- испынал)часмыºСнийнийний танийВходной ток высокого уровня в состоIОZH-0,038 -0,0390,039 0,078янии выключено,мкАТок потребления отIссL0,3260,3320,332 0,508источника 1.0 V, мА5576ХС0,35 мкм 125 30001Т1Выходное напряже0,2180,223 ние низкого уровня,VOL0,121 0,143ВВыходное напряже2,6002,654 ние высокого уровVoH2,884 2,871ня, ВВходной ток высокого уровня в состоIОZH0,0100,0100,010 0,218янии выключено,мкА1000Ток потребления отIссL0,0020,0020,167 0,201(происточника 1.0 V, мА5576ХС0,35 мкм 125 должа2ТВыходное напряжеются до0,2180,223 ние низкого уровня,VOL0,223 0,2533800)ВВыходное напряже2,6002,654 ние высокого уровVoH2,654 2,612ня, ВИз таблицы видно, что после ЭТТ и ускоренных испытаний на наработку до отказа имеет место изменение параметровхимических процессов (деградация).за счет физико-13Предприятие 3Испытания на ЭТТ и ускоренные испытания на наработку до отказа притемпературе 85ºС и 125ºС проведены на 16 СБИС.

Проектные нормы 0,25;0,35; 0,6; 1 мкм. Технология КМОП и КМОП-КНИ [9].Типы (типономиналы) СБИС, проектные нормы, температура, длительность испытаний, значения основных параметров до и после испытаний приведены в таблице 1.3.Таблица 1.3 – Результаты ускоренных испытаний на наработку до отказа иЭТТ0,61886ВЕ2У267834(1,27)85-10670(0)85-174411(0,01)125-4320(0)125-1034610(0,1)125-1636РР1У1636РР2У5576РС1У975145846413(1,33)19(1,3)4(0,86)1251251253798-1645РУ3У14200(0)12537981645РУ4У1930(0)125-1810(0)85-1321ХД2У1451(0,69)85-1986ВЕ91Т2440(0)85-1901ВЦ1Т1270(0)85-5559ИН4У0,65559ИН10У5559ИН141645РУ1У1321ХД1У0,350,25Основной причиной забракования микросхем после ЭТТ является уход параметров за нормы ТНЭП и ли переход в другие группы из-за граничного распределения критических параметров (ток хранения, динамические параметры), наличиекоторых является следствием присутствия в микросхеме локальных технологических или структурных дефектов.1886ВЕ1УМинимальный размер(по затвору)Ускоренные испытания нанаработку до отказа (К-26)Повы- Дли- Значения осРезультаты ЭТТ за шенная тель- новных элекпериод 2010-2011г.г.

рабочая ность, трическихВиды и причинытемпе- часпараметровотказовратураВсегоИМСБрак НУ среды,допослеград.С(годныепослеиспы- испыНУ перед ЭТТ(%)таний танийЭТТ)4942(0,41)85Значения параметров для СБИС 1886ВЕ5У приведены в таблице 1.4ТипономиналИМСТехнология/проектные нормыЭлектротермотренировка14Из таблицы 1.3 видно, что процент брака после ЭТТ составляет до1,33%. По ряду СБИС отказов не было. При ускоренных испытаниях нанаработку до отказа после ЭТТ отказов СБИС не было.Значения параметров для СБИС 1886ВЕ5У приведено в таблице 1.4 [9].Таблица 1.4 – Результаты испытаний на наработку до отказа СБИС 1886ВЕ5УТип(типономинал)Технология/проектныенормы1886ВЕ5У0,6-0,25мкмТемпература,ºС125Ускоренные испытания на наработку до отказаЗначения основных электрических параметровДлительПослеДо исность,ПараметрыиспыпытанийчастанийВыходное напряжениеUoL4,334,34низкого уровня, В3000 иболееВыходное напряжениевысокого уровня, ВВходной ток высокогоуровня, мкАВходной ток низкогоуровня, мкАUoH`IILHIILH0,1050,1061502005050После ускоренных испытаний на наработку до отказа имеет место изменение параметров за счет физико-химических процессов (деградация).Основной причиной забракования СБИС после ЭТТ является уход параметров за технологические нормы электрических параметров (ТНЭП) илипереход в другие группы из-за граничного распределения критичных параметров (ток хранения, динамические параметры) наличие которых являетсяследствием присутствия в СБИС локальных технологических или структурных дефектов.Предприятие 4Ускоренные испытания на наработку до отказа проведены на СБИС1891ВЕВМ6.Проектные нормы, температура, длительность испытаний, значения параметров до и после испытаний приведены в таблице 1.5.15Таблица 1.5 – Результаты испытаний на наработку до отказаУскоренные испытания на наработку до отказаТехнолоТипгия/Значения основных электрических параметров(типономи- проект- Темпера ДлительПослеДо испынал)ные нор- тура, ºС ность, часПараметрыиспытатаниймынийТок потребления от источниIccs1ка 1.8 V при проверке корот169190ких замыканий, мА1891ВМ60,09 мкм1253000Ток потребления от источни- Iсс1ка 1.0 V, мАВыходное дифференциальное напряжение интерфейса Uol2каналов ввода-вывода, ВВыходное напряжение высоUoh2кого уровня, В94510000,250,2540,260,27Из таблицы видно, что при испытаниях на наработку до отказа послеЭТТ отказы отсутствуют.

После испытаний имеет место изменение параметров.Предприятие 5Ускоренные испытания на наработку до отказа проведены на СБИС1654РД2Т при температуре 125ºС. Проектные нормы 0,25 мкм. ТехнологияКМОП [9].Длительность испытаний, значения параметров до и после испытанийприведены в таблице 1.6.Таблица 1.6 - Результаты испытаний на наработку до отказаТип(типономинал)Технология/проектныенормы1654РД2Т0,13мкмТемпература,ºС125Ускоренные испытания на наработку до отказаЗначения основных электрических параметровДлительПослеДо исность,ПараметрыиспыпытанийчастанийВыходное напряжениеUoL4246,032низкого уровня, В3000Выходное напряжение высокого уровня, ВВходной ток высокогоуровня, мкАВходной ток низкогоуровня, мкАUoH`IОZHIОZL2,9142,9100,0030,0080,0010,00416При испытаниях на наработку до отказа после ЭТТ отказы отсутствуют.После испытаний имеет место изменение параметров.Предприятие 6Ускоренные испытания на наработку до отказа проведены на СБИСАДЕ-Вега при температуре 125ºС.Проектные нормы 0,25 мкм.

Технология КМОП [9].Значения параметров до и после испытаний приведены в таблице 1.7.Таблица 1.7- Результаты испытаний на наработку до отказаУскоренные испытания на наработку до отказаТехнология/Значения основных электрических параметровТипДлительпроект- ТемпераПосле(типономинал)ность,До испыные нор- тура, ºСПараметрыиспытачастаниймынийВходной ток высокогоIILH`0,002776 0,014783уровня, мАВходной ток высокогоIОZHуровня в состоянии выклю-0,0130,049чено, мкААДЕ-Вега0,25 мкм1253000Выходное напряжение низ- UoL0,083917 0,084639кого уровня, ВВыходное напряжение вы- UoH`3,041655 3,044145сокого уровня, ВИз таблицы видно, что после ускоренных испытаний имеет место изменение (деградация) параметров.Анализ материалов испытаний на безотказность, наработку до отказа иЭТТ СБИС выпускаемых ведущими предприятиями свидетельствует о том,что после указанных испытаний имеет место изменение параметров (деградация).

Основным воздействующим фактором является температура.171.2Возможныеметодыускоренныхиспытанийсверхбольшихинтегральных схемПроведение ускоренных испытаний по подтверждению заданной наработки до отказа весьма длительный, трудоемкий и дорогостоящий процесс.Проводятся испытания в соответствии с [2].Ускоренные испытания на безотказность и на наработку до отказапредусматривают форсирование режимов, приводящее к интенсификациифизико-химических процессов без изменения основных механизмов отказов.Форсирование режимов может быть осуществлено увеличением температуры кристалла (перехода), напряжения, тока [2, 10, 11, 12, 13, 14].Общий коэффициент ускорения для форсированных режимов при одномускоряющем факторе определяется на основе изученных механизмов отказов отдельных элементов СБИС по формуле 1.1.K li0K y  qij K ij ,i 1 j 1гдеq0ij(1.1)- весовой коэффициент, характеризующий относительную долю вероятности отказа СБИС из-за отказа i-го элемента вследствие развития j-го механизма отказа в нормальных режимах;Kij- коэффициент ускорения j-го механизма отказа в i-м элементе.Модель коэффициента ускорения отказов отдельных элементов (Кi) имикросхем в целом (Ку) может определяться на основе ускоренных испытаний этих элементов (тестовых структур) или микросхем по методам, приведенных в [2], а также на основе ранее изученных механизмов отказов элементов микросхем конструктивно-технологического аналога.Весовой коэффициент влияния отказа отдельного элемента на отказмикросхемы (qi) определяют на основе обобщения данных об отказах микросхем.