К качеству и надёжности ИС предъявляются очень высокие требования независимо от того, в какой радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) они будут применены: для комплектации систем управления ракетами, авиационных объектов, атомных электростанций или в телевизорах и видеомагнитофонах. Подсчитано, что при доле дефектности партий ИС в пределах 0,01%, то есть 100 дефектных схем на один миллион поставленных, процент отказов печатных плат, на которых смонтировано 100 ИС, составит 9,5%. При дефектности партий ИС в пределах 1% выход годных печатных плат составит 63,4%, то есть брак составит 36,6% [1].

Надёжность ИС при эксплуатации характеризуется кривой зависимости интенсивности отказов ? от времени (рис. 1). На этой кривой видно относительно высокое значение ? в период ранних отказов (период приработки), сравнительно низкое и постоянное значение в период эксплуатации и возрастающая интенсивность в период износа (примерно через 25-30 лет нормальной работы). Ранние отказы возникают, как правило, вследствие конструктивных и технологических недостатков. В нормальных условиях работы этот период длится до 1000 ч или примерно шесть недель. На окончание этого этапа указывает выравнивание кривой интенсивности отказов. Интенсивность отказов в период приработки имеет тенденцию к уменьшению по мере усовершенствования конструкции и технологии [2].



В настоящее время общепринятыми считаются два направления увеличения надёжности выпускаемых ИС:

устранение причин отказов за счёт совершенствования конструкции и технологии изготовления, то есть воздействия на процесс производства посредством обратной связи (передачи информации), и создание в конечном счёте бездефектной технологии;

выявление и удаление изделий с отказами (действительными и потенциальными) из готовой партии до поставки потребителю.

Наиболее эффективным методом повышения качества и надежности выпускаемых ИС является первый.

Поскольку отказы возможны даже при хорошо освоенном производстве, распространённым способом повышения качества и надежности выпускаемых партий ИС (а не конкретных схем) является проведение от браковочных испытаний в процессе выходного контроля этих партий на заводе-изготовителе.

Считается, что случайных отказов ИС не бывает, каждый отказ имеет причину и является следствием приложения некоторой нагрузки. "Слабые" ИС, оставаясь не выявленными к началу эксплуатации, могут явиться причиной отказа РЭА. Для того, чтобы от браковочные испытания были эффективными, нужно знать, какие нагрузки и как ускоряют появление отказов. Опыт использования ИС в РЭА показывает, что внедрение от браковочных испытаний существенно повышает средний уровень их надёжности (рис. 2).

Рис. 2. Влияние отбраковочных испытаний на интенсивность отказов ИС [3]:
А - период проведения предварительных испытаний;
О - момент поставки заказчику;
1 - без отбраковочных испытаний;
2 - только электрические испытания;
3 - стабилизирующая тренировка, циклические температурные испытания и проверка электрических параметров;
4 - стабилизирующая тренировка, циклические температурные испытания, электрические испытания, тренировка в утяжелённых режимах

В табл. 1 [2,4] показаны возможности отдельных видов от браковочных испытаний. Многие различные по природе слабые места приводят к одним и тем же механизмам отказов, многие одинаковые механизмы отказов ускоряются различными нагрузками и многие различные механизмы отказов - одними и теми же нагрузками. В частности, воздействие на ИС повышенной температуры и термоциклов ускоряет многие механизмы отказов. Повышен ные температуры вызывают ускорение химических реакций, обусловливающих коррозию алюминия на кристалле, старение, ухудшение изоляции, растрескивание пластмассы, увеличение токов утечки и др.

Таблица 1. Механизмы отказов, выявляемые при отбраковочных испытаниях

Термоциклы (попеременный нагрев и охлаждение) также являются ускоряющим воздействием и хорошо выявляют малую не герметичность корпуса. Влага при термоциклах проникает в негерметичные объёмы и вызывает увеличение токов утечки и коррозию металлизации. Напряжённые места конструкции, склонные к образованию трещин, также выявляются при термоциклах. Испытания термоциклами могут рассматриваться как ускоренные, следует только выбрать правильно диапазон изменения температур и скорость нагрева. В большинстве случаев термоциклы являются нормальным режимом работы ИС в аппаратуре, так как они связаны с внешней температурой и разогревом аппаратуры [5]. Помимо тепловых и термоциклических используются механические испытания с постоянной или изменяющейся нагрузкой, которые могут выявлять дефекты монтажа кристалла, внутренних сварных соединений, корпуса и внешних выводов.

В общих технических (ОТУ) и технических условиях (ТУ) обычно указывается состав обязательных от браковочных испытаний, их режимы и последовательность. Как правило, заводы - изготовители ИС расширяют состав этих испытаний в начальный период серийного производства. Но по мере набора статистики по причинам отказов изделий как в процессе производства, так и поступивших от потребителей, и принятия на основе результатов анализа конструктивно-технологических мер по устранению причин преобладающих отказов, то есть по мере повышения управляемости и стабильности технологического процесса, завод-изготовитель может сокращать время проведения отдельных испытаний, изменять их режим или вообще отменять отдельные виды от браковочных испытаний, кроме тех, которые указываются как обязательные в ОТУ и/или ТУ.

Состав от браковочных испытаний ИС в отечественной промышленности

Во всех отечественных регламентирующих документах по выпуску ИС [6-8] имеется указание, что в процессе изготовления должны проводиться 100-% от браковочные испытания. Состав обязательных 100-% испытаний включает до 20 видов по СОТУ [6], не менее 10 видов по ОТУ на ИС с приёмкой заказчика [7, 8] и не менее 10 видов по требованию на ИС широкого применения [8] (табл. 2). Методика и условия испытаний описаны в ОСТ [9].

Таблица 2. Виды и методы отбраковочных испытаний

В технически обоснованных случаях по согласованию со службой контроля качества допускается иная последовательность от браковочных испытаний, а вместо проверки статических параметров (параметров постоянного тока) при крайних значениях температуры проводят проверку параметров при нормальных климатических условиях по нормам, обеспечивающим установленные значения параметров при критических значениях температуры.

При разработке регулирующего воздействия, связанного с коррекцией состава, методов или условий проведения от браковочных испытаний, вырабатываемых на основе информации о причинах отказов ИС, учитывается взаимосвязь между причинами отказов и видами от браковочных испытаний, с помощью которых выявляются эти виды отказов.

Требования к от браковочным испытаниям ИС за рубежом

Наиболее отработанной в настоящее время является методика от браковочных испытаний, предусмотренная стандартом США MIL-STD-883 (табл. 3) [10]. Требования по от браковочным испытаниям классифицируются по трем уровням качества и надёжности:

класс А - включает только схемы повышенной надёжности, предназначенные для работы в жёстких режимах внешних воздействий;

класс В - включает надёжные для промышленного применения схемы (и некоторые типы схем для военной аппаратуры), предназначенные для работы в менее жёстких условиях, когда главным требованием является стабильность параметров в течение длительного времени;

класс С - включает схемы для условий работы, когда воздействующие факторы не являются определяющими и на первое место ставится минимальная стоимость.

Таблица 3. Последовательность отбраковочных испытаний ИС по MIL-STD-883 [12]

Военный стандарт MIL-STD-883 явился основой для разработки большого числа программ обеспечения надежности РЭА, изготовляемой различными фирмами США и других стран.

Опыт использования ИС в аппаратуре показывает, что внедрение от браковочных испытаний существенно повышает средний уровень надёжности партий ИС, однако для ряда схем некоторые предусмотренные стандартом от браковочные испытания оказываются недостаточными. Кроме того, некоторые из принятых в настоящее время от браковочных испытаний имеют отдельные недостатки (табл. 4) [14].

Таблица 4. Характеристики отдельных видов отбраковочных испытаний

С учётом рассмотренных выше недостатков отдельных от браковочных испытаний, фирма SOLID STATE SCIENTIFIC для устранения потенциально ненадёжных КМОП ИС серий 4000, 4400, 4500 проводит в процессе изготовления следующие от браковочные испытания ИС в герметичных керамических корпусах [5]:

визуальный контроль перед герметизацией;

выдержка при температуре 200°С в течении 24 часов;

термоциклирование (10 циклов от -65 до +150°С);

электрические функциональные испытания;

измерение электрических параметров;

термоэлектротренировка при температуре 125°С в течение 168 часов.

В табл. 5 представлены для примера состав и стоимость 100-% от браковочных испытаний толстоплёночных гибридных схем, выпускаемых фирмой BECKMANN INSTRUMENTS (Англия) [12].

Таблица 5. Отбраковочные испытания гибридных ИС фирмы Beckmann instruments

Приближенные затраты на каждое испытание, скалькулированные на основе данных, представленных изготовителями ИС, приведены в [4]. Широкий разброс минимальных и максимальных затрат по каждому конкретному испытанию объясняется тем, что одни независимые организации, специализирующиеся на проведении испытаний, берут за выполнение одних испытаний меньше, чем другие, и наоборот - в зависимости от типа используемого специализированного оборудования.

Взаимосвязь между от браковочными испытаниями и надёжностью отражена в табл. 6. Относительный количественный эффект от проведения от браковочных испытаний на ИС подсчитан в [13] (табл. 7).

Таблица 6. Зависимость между уровнем качества ИС и надежностью
Таблица 7. Эффект отбраковочных испытаний ИС

От браковочные испытания - это необходимое средство выявления ранних отказов ИС и как следствие, повышение надёжности партий ИС после отбраковки отказавших схем. Сравнение набора и методов применяемых от браковочных испытаний в отечественной и зарубежной промышленности показывает, что они мало чем отличаются друг от друга. Применение набора и методов от браковочных испытаний для конкретного типа ИС зависит от достигнутого конструктивно-технологического уровня, управляемости и стабильности технологического процесса производства ИС.

Литература

1. Willoughby W. I. The navy's best practices approach to reliability. IEEE Trans. Reliab, 1987. v. 36. № 3, P. 310-312.
2. Горлов М.И., Ануфриев Л.П., Бордюжа О.Л. Обеспечение и повышение надёжности полупроводниковых микросхем в процессе серийного производства / Под ред. Горлова М.И. Минск: Интеграл, 1997. 390 с.
3. Armstrong L. Потребители ИС в поисках внешних подрядчиков по испытаниям приборов. Electronics (рус. пер.), 1972. № 22. С. 80-82.
4. Donner F., Lombardi J.J. Организация экономически обоснованной браковочной программы для интегральных схем. Electronics (рус. пер.), 1971. № 18. С. 28-33.
5. Chorley B. Accelerated test cycling eliminates semiconductor failure. Electronics Industry, 1982. v. 8. № 11. P. 41-47.
6. ОСТ В11.073.012-87. Микросхемы интегральные. Специальные технические условия.
7. ОСТ В11.03.98-87. Микросхемы интегральные. Общие технические условия.
8. ГОСТ 18725-83. Микросхемы интегральные. Общие технические условия.
9. ОСТ 073.013-80. Микросхемы интегральные. Методы испытаний.
10. MIL-STD-883. Test method and procedures for microelectronics. 1986.
11. Joung D.N. Conduction burn in without getting burned: optimizing the process reaps cost and quality benefits. Electronics Test, 1987. P. 53-57.
12. Горюнов Н.Н. , Ковалев Н.Ф. Третий симпозиум по надежности в электронике. Электронная техника. Сер. Управление качеством, стандартизация, метрология испытания. 1974. Вып. 6. С. 99-111.
13. Bernkhopf G. Screening of integrated circuits by the equipment Manufactures. The 7-th National Convention of Electrical. Electronic Engineers in Israel. 1971. P. 517-520.