Диссертация (Методы ускоренных испытаний сверхбольших интегральных микросхем на надежность), страница 3

Методы определения qi приведены в [2].18При обобщении материалов испытаний используют результаты испытаний на безотказность, наработку, отбраковочных испытаний, анализа отказов.Ускоряющим фактором для большинства механизмов отказов являетсяповышенная температура. Для расчета коэффициента ускорения (КТ) используют уравнение 1.2.КТ = ехр11,k  Т пер.о  273 Т пер.ф  273 Ea(1.2)где Еа – энергия активации механизмов отказов эВ,-5k – постоянная Больцмана, равная 8,6*10 эВ/ºК;Тпер.о и Тпер.ф – температуры кристалла (перехода) в нормальном и форсированном режимах соответственно, ºС.Значения энергии активации для отдельных механизмов отказов (Е аi)определяют экспериментально:- на основе параллельных испытаний выборок в различных режимах;- по накопленным данным;- по результатам испытаний со ступенчатой возрастающей нагрузкой;- по результатам электротермотренировки;Указанные методы приведены в [2].При недостаточном объеме данных для определения qi общий коэффициент ускорения (КТ) рассчитывают по формуле 1.3.КТ 0,9ехрЕаминk11  0,1ехрТ273273Т пер.ф пер.оЕамаксk11Т , (1.3)273273Т пер.ф пер.огде Еамин и Еамакс – соответственно минимальное и максимальное значенияэнергии активации из диапазона наименьших значений для основныхмеханизмов отказов.В качестве модели коэффициента ускорения при форсировании током(КJ) рекомендуется использовать степенную модель по формуле 1.4.19n JфКJ =   , Jо (1.4)где Jф и Jо – значения плотности тока через элементы микросхем в форсированном и нормальном режимах соответственно;n – константа модели.В качестве модели коэффициента ускорения при форсировании напряжением (KU) рекомендуется использовать экспоненциальную модель по формуле 1.5.KU = exp  U ф U o ,(1.5)где Uф и Uо – значения напряжения на элементах микросхем в форсированном и нормальном режимах соответственно;α – константа модели.Методы определения констант моделей n и α приведены в [2].В случаях если при одновременном воздействии нескольких ускоряющих факторов отсутствуют существенные отличия в электрических режимахработы элементов микросхем и локальные перегревы кристалла или не выявлены механизмы отказов, существенно ускоряемые током и (или) напряжением, расчет общего коэффициента ускорения проводят по модели коэффициента ускорения от температуры.

При этом влияние форсированного электрического режима учитывают при определении температуры кристалла вфорсированном режиме по формуле 1.6 или 1.7.Тпер.ф = Токр.ф + Rпер.-окрРрас.ф ,(1.6)илиТпер.ф = Ткорп.ф + Rпер.-корпРрас.ф ,где Rпер.-окр – тепловое сопротивление кристалл-среда;Rпер.-корп – тепловое сопротивление кристалл-корпус;Ррас.ф – мощность рассеяния в форсированном режиме.(1.7)20Данным методом проводятся испытания готовых микросхем (герметизированных в корпусе) на этапах разработки при предъявлении опытноконструкторской работы к приемке, квалификационным испытаниям.1.2.1Методырасчетно-экспериментальногопрогнозированиянадежности на этапе разработкиНа этапе разработки могут быть использованы [15, 16, 17]:– расчетный метод прогнозирования показателей надежности;– прогнозирование показателей надежности на основе ускоренных испытаний тестовых структур [11];– прогнозирование показателей надежности на основе ускоренных испытаний микросхем;– прогнозирование интенсивности отказов микросхем по результатамэлектротермотренировки.Указанные методы изложены в [2].В процессе производства рекомендуется проводить прогнозированиенадежности (интенсивности отказов) по результатам электротермотренировки.Наибольшее применение находит метод ускоренных испытаний приопределении энергии активации.211.2.2 Оценка надежности микросхем методом физико-техническойэкспертизыОценку качества микросхем на этапе разработки можно осуществлятьпутем физико-технического экспертизы (ФТЭ) микросхемы в целом, её элементов и физических структур [18, 19].При этом проводится оценка физической структуры микросхемы, конструктивно-технологических запасов и уровня технологии на соответствиестабильного производства по [20].Этапы проведения физико-технической экспертизыЭтап 1.

Контроль по внешним выводамПроводится контроль электрических параметров по ТЗ, ТУ на микросхемы и дополнительных параметров в соответствии с [20].По результатам 1-20 этапа составляется протокол, в котором отражаетсяналичие микросхем с отклонениями параметров от норм.Этап 2. Контроль качества корпуса, сборки и узлов микросхемыПоказатели и критерии качества, объекты контроля разработчик определяет на основе анализа конструктивно-технологических особенностей микросхем и устанавливает наиболее вероятные типы технологических дефектов,возможные отказы, определяет объекты контроля, фрагменты микросхем, тестовые элементы, структуры, показатели качества, методики контроля, режимы измерений, разрабатываемый маршрут экспертизы.Этап 3.

Контроль качества кристаллаПроводится исследование кристалла, его элементов и физической структуры.Подробно проведение ФТЭ приведено в [20].221.2.3 Оценка надежности по моделям механизмов отказовОценку надежности (расчет) можно производить по установленным моделям надежности, соответствующим им энергиям активации и коэффициентам ускорения [2, 10, 11, 12].Модели применяют в основном в следующих случаях:- к металлизации из алюминиевого сплава;- к металлическим барьерам из тугоплавких металлов;- к прослойкам из диэлектрика;- к затворам из поликремния;- к диэлектрику затвора из тонкого слоя SiO2;- к Si с изоляцией р-n переходом [13, 21, 22].Модели механизмов отказов1.ЭлектромиграцияМодель применяемая для описания наработки имеет вид:TFA0 jjkp Nexp  E a T,(1.8)где А0 – постоянная;jkp – критическая плотность тока;j – действующая плотность тока;N – показатель степени;Еа – энергия активации для механизма электромиграции;Т – температура.Для получения отказов jkp должно быть больше чем j.Критерий отказа – максимально допустимое увеличение сопротивления.jkp обратно пропорционально длине Блэка для оцениваемой линии ̴ 6000 А смдляалюминиевыхсплавовпочтиЕа = 0,5 – 0,6 эВ, j –средняя плотность тока [23, 24].постоянноN=2,232.

КоррозияСуществуют разные модели. Наиболее предпочтительной является экспоненциальная:TF  В exp  а  RH  f(v) exp  E T0a ,(1.9)где В0 – масштабный коэффициент;a – 0,10  0,15 RH % ;Еа = 0,7 –0,8 эВ;f(v) – функция переменного напряжения [25, 26, 27].Зависимый от времени пробой диэлектрика:МодельTFA exp   E0exp  E T  ,aOX(1.10)где А0 – постоянная, зависящая от материала и особенностей технологии;γ – ускоряющий параметр, зависящий от температуры;ЕОХ – приложенное внешнее электрическое поле;γ зависит от 1Т ;E  H   a E ,a0OX(1.11)где H 0 ̴ 2 эВ;а ̴ 7,2 эВ;Для отказов свойственных диэлектрику SiO2 Ea = 0,6 –0,9 эВ; для неприсущих дефектов она может быть 0,3 эВ.Рассмотренные методы возможно использовать в процессе разработкипри расчете устойчивости микросхем (надежных характеристик) физическихпроцессов.3. Инжекция горячих носителейДефект вызываемый горячими носителями выражается:24p nAt ,где p – исследуемый параметр;t – наработка;A – параметр, зависящий от материала;n – показатель степени.Модель n каналаИсследуется модель Айринга, представленная по формуле 1.12.TF  В JNподложкиexp  E a  , T (1.12)где В – масштабный коэффициент;Jподложки – ток подложки;N – 2÷4;Еа = 0,1 – 0,2 эВ [28, 29, 30].Модель р канала (представлена по формуле 1.13)TFВJМзатвораexp  E a  ,T(1.13)где В – масштабный коэффициент;Jзатвора – ток затвора;N – 2÷4;Еа = 0,1 – 0,2 эВ (минус).1.2.4 Оценка интенсивности отказов по результатам испытанийДля оценки значений интенсивности отказов обобщаются результатыквалификационных, периодических, приемосдаточных испытаний на безотказности и результаты отбраковочных испытаний в процессе электротермотренировки.По результатам обобщения данных оценивается изменчивость отказов(λи) [30].25При расчетах λи обобщаются материалы по типам, группам, сериям.

Прималых объемах испытаний микросхем допускается обобщение по группамсерий одинакового конструктивно-технологического исполнения.При проведении расчета обобщенного значения λи необходимо учитывать зависимость ее от продолжительности испытаний (наработки), температуры окружающей среды или корпуса. Значение рассчитанного уровня λ идолжно быть приведено к температуре +65 ̊С, а при зависимости от продолжительности испытаний (уменьшение λи в процессе наработки) к 1000 ч.Уровень λи определяется по формуле 1.14.и nmi 1пер.i Kvl m  d пер.i   d сд.r   d кв .e r 1e 1 i 1 p x 0 , 6y .пер.i1000   nсд.r  K y.сд.r  240   nкв .e  K y.кв .e  4000vlr 1e 1,(1.14)где dпер, dсд, dкв – количество микросхем отказавших при периодических, приемосдаточных и квалификационных испытаний на безотказности;i и m, r и v, e и l – индексы, обозначающие количества испытаний микросхем по которым производятся обобщения;nпер, nсд, nкв – объемы выборок микросхем при периодических, приемосдаточных и квалификационных испытаниях;1000, 240, 4000 – продолжительность в часах при периодических, приемосдаточных и квалификационных испытаниях;Ку.пер, Ку.сд, Ку.кв – коэффициенты ускорения при пересчете значений λи отусловий при различных температурах испытаний к температуре +65 ̊С.Ку определяется в соответствии с [2] с учетом температуры и электрических режимов, при которых проводить испытания.Выражение:vl m  d пер.i   d сд.r   d кв .e r 1e 1 i 1 p x 0 , 6Д  dp xрx(1.15)26определяет табличную величину зависящую от суммы числа отказов идоверительной вероятности рх=0,6, приведенную в таблице Б1 [31].Для микросхем категории «ОС» при известной зависимости λи от времени наработки, уровень λи определяется по формуле 1.16.иm i 1vl m  d пер.i   d сд.r   d кв .e r 1e 1 i 1 p x 0 , 6n пер.i K y.пер.i   nсд.r  K y.сд.r  Асд   nкв .e  K y.кв .e  Акв  1000r 1e 1vl, (1.16)Значения составляющих формулы 1.16 аналогичны соответствующимформулы 1.14.

Расчет коэффициентов Асд, Акв проводится по формулам 1.14 и1.16 приложения А [32].В случаях когда λи не зависит от времени наработки, уровень λи определяется по формуле 1.17.и nl m  d пер.i   d кв .e e 1 i 1 p x 0 , 6mпер.ii 1 K1000   nкв .e  K y.кв .e  3000ly .пер.i,(1.17)e 1Значения составляющих формулы 1.17 аналогичны соответствующимформулы 1.14 и продолжительность испытаний на безотказность при квалификационных испытаниях равно 3000 ч.При известной зависимости λи от времени наработки, уровень λи определяется по формуле 1.18.иm i 1n пер.il m  d пер.i  d кв .e e 1 i 1 p x 0 , 6 K y.пер.i   nкв .e  K y.кв .e  Акв  1000e 1l,(1.18)Значения составляющих формулы 1.16 аналогичны соответствующимформулы 1.14.