Качество интегральных микросхем

Размещено на http://www.allbest.ru

ВВЕДЕНИЕ

интегральный микросхема цифровой контроль

Выбор темы данной курсовой работы обусловлен тем, что интегральная микросхема (ИМС) является одним из основных компонентов компьютера. Благодаря интегральной микросхеме выполняются основные логические задачи в компьютере, такие как «И»(AND), «ИЛИ»(OR), «НЕ»(NOT), «И-НЕ»(NAND), «ИЛИ-НЕ»(NOR), «Исключающие ИЛИ»(XOR). Каждый логический элемент интегральной микросхемы работает отдельно. Поломка одного из элемента микросхемы влечет за собой нарушение всей логической цепочки работы прибора, следовательно, его качества работы. Микросхемы существуют во многих электронных приборах. От качества работы микросхем зависит работа электронных приборов, что влияет на качество жизни общества.

Следовательно, объектом курсовой работы будет являться теоретическое изучение качества интегральной микросхемы.

Целью курсовой работы является изучение качества интегральных микросхем (ИМС).

Для достижения данной цели рассмотрим в курсовой работе:

1) понятие и виды интегральной микросхемы;

2) технология изготовления ИМС;

3) методы технологического контроля качества при производстве ИМС;

4) виды контрольных испытаний и методы проверки качества ИМС;

5) назначение и преимущества ИМС.



1. ИНТЕГРАЛЬНАЯ МИКРОСХЕМА

1.1 История интегральной микросхемы

7 мая 1952 года британский радиотехник Джеффри Даммер (англ. Geoffrey Dummer) впервые выдвинул идею интеграции множества стандартных электронных компонентов в монолитном кристалле полупроводника, а год спустя Харвик Джонсон подал первую в истории патентную заявку на прототип интегральной схемы (ИС). Реализация этих предложений в те годы не могла состояться из-за недостаточного развития технологий.

В конце 1958 года и в первой половине 1959 года в полупроводниковой промышленности состоялся прорыв. Три человека, представлявшие три частные американские корпорации, решили три фундаментальные проблемы, препятствовавшие созданию интегральных схем.

Джек Килби из Texas Instruments запатентовал принцип интеграции, создал первые, несовершенные, прототипы ИС и довёл их до серийного выпуска.

Курт Леговец из Sprague Electric Company изобрёл способ электрической изоляции компонентов, сформированных на одном кристалле полупроводника (изоляцию p-n-переходом (англ. P-n junction isolation)).

Роберт Нойс из Fairchild Semiconductor изобрёл способ электрического соединения компонентов ИС (металлизацию алюминием) и предложил усовершенствованный вариант изоляции компонентов на базе новейшей планарной технологии Жана Эрни (англ. Jean Hoerni).

27 сентября 1960 года группа Джея Ласта (англ. Jay Last) создала на Fairchild Semiconductor первую работоспособную полупроводниковую ИС по идеям Нойса и Эрни.

Texas Instruments, владевшая патентом на изобретение Джека Килби, развязала против конкурентов патентную «войну», завершившуюся в 1966 году мировым соглашением о перекрёстном лицензировании технологий.

Ранние логические ИС упомянутых серий строились буквально из стандартных компонентов, размеры и конфигурации которых были заданы технологическим процессом. Схемотехники, проектировавшие логические ИС конкретного семейства, оперировали одними и теми же типовыми диодами и транзисторами.

В 1961-1962гг. парадигму проектирования сломал ведущий разработчик Sylvania Том Лонго, впервые использовав в одной ИС различные конфигурации транзисторов в зависимости от их функций в схеме. В конце 1962 году Sylvania выпустила в продажу первое семейство разработанной Т. Лонго транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) -- исторически первый тип интегральной логики, сумевшей надолго закрепиться на рынке.

В аналоговой схемотехнике прорыв подобного уровня совершилв 1964-1965гг. разработчик операционных усилителей Fairchild Боб Видлар.

Первая в СССР полупроводниковая интегральная микросхема была создана на основе планарной технологии, разработанной в начале 1960 года в НИИ-35 (затем переименован в НИИ «Пульсар») коллективом, который в дальнейшем был переведён в НИИМЭ («Микрон»). Создание первой отечественной кремниевой интегральной схемы было сконцентрировано на разработке и производстве с военной приёмкой серии интегральных кремниевых схем ТС-100 (37 элементов - эквивалент схемотехнической сложности триггера, аналога американских ИС серии SN-51 фирмы Texas Instruments). Образцы-прототипы и производственные образцы кремниевых интегральных схем для воспроизводства были получены из США. Работы проводились в НИИ-35 (директор Трутко) и Фрязинским полупроводниковым заводом (директор Колмогоров) по оборонному заказу для использования в автономном высотомере системы наведения баллистической ракеты. Разработка включала шесть типовых интегральных кремниевых планарных схем серии ТС-100 и с организацией опытного производства заняла в НИИ-35 три года (с 1962 по 1965 год). Ещё два года ушло на освоение заводского производства с военной приёмкой во Фрязино (1967 год).

Параллельно работа по разработке интегральной схемы проводилась в Центральном конструкторском бюро при Воронежском заводе полупроводниковых приборов (ныне -- ОАО «НИИЭТ»).

В 1965 году во время визита на ВЗПП министра электронной промышленности А. И. Шокина заводу было поручено провести научно-исследовательскую работу по созданию кремниевой монолитной схемы - НИР «Титан» (приказ по министерству № 92 от 16.08.1965г.), которая была досрочно выполнена уже к концу года. Тема была успешно сдана Госкомиссии, и серия 104 микросхем диодно-транзисторной логики стала первым фиксированным достижением в области твердотельной микроэлектроники, что было отражено в приказе МЭП № 403 от 30.12.1965г.

1.2 Понятие интегральной микросхемы

Интегральная микросхема (ИС, ИМС, м/сх, англ. integrated circuit, IC, microcircuit), чип, микрочип (англ. microchip, silicon chip, chip - тонкая пластинка - первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) - микроэлектронное устройство - электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС, чипом) - ИС, заключённую в корпус. В тоже время, выражение чип-компоненты означает «компоненты для поверхностного монтажа» (в отличие от компонентов для пайки в отверстия на плате).

1.3 Строение ИМС

Многокристальная микросхема (микросборка) представляет собой совокупность бескорпусных микросхем, смонтированных на общей коммутационной плате. В качестве компонентов в микросборке могут присутствовать бескорпусные согласующие резисторы и развязывающие конденсаторы. Вследствие высокой насыщенности связей коммутационная плата выполняется многоуровневой и, таким образом, является миниатюрным аналогом многослойной печатной платы. При изготовлении коммутационной платы может быть использована как тонкоплёночная, так и толстоплёночная технологии.

Гибридно-плёночные микросхемы включают в себя плёночные пассивные элементы (резисторы и конденсаторы), коммутационные проводники, нанесённые непосредственно на подложку из изоляционного материала, и бескорпусные полупроводниковые кристаллы (транзисторы, диоды, диодные матрицы, несложные микросхемы), монтируемые на той же подложке. Пассивные элементы и проводники могут быть выполнены по тонкоплёночной или толстоплёночной технологии.

В качестве активных элементов в полупроводниковых микросхемах используются униполярные (полевые) транзисторы со структурой “металл - диэлектрик (оксид) - полупроводник” (МДП- или МОП-транзисторы) и биполярные транзисторы. В соответствии с этим все полупроводниковые микросхемы делятся на три основных вида: биполярные, униполярные (МДП или МОП) и биполярно-полевые.

Число элементов в интегральной микросхеме характеризует ее степень интеграции. Наиболее высокой степенью интеграции обладают цифровые интегральные схемы с регулярной структурой: схемы динамической и статической памяти, постоянные и перепрограммируемые ЗУ. Это связано с тем, что в таких схемах доля участков поверхности ИС, приходящих на межсоединения, существенно меньше, чем в схемах с нерегулярной структурой.



2. КЛАССИФИКАЦИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

2.1 Степень интеграции

В зависимости от степени интеграции применяются следующие названия интегральных схем:

Ш малая интегральная схема (МИС) - до 100 элементов в кристалле,

Ш средняя интегральная схема (СИС) - до 1000 элементов в кристалле,

Ш большая интегральная схема (БИС) - до 10 тыс. элементов в кристалле,

Ш сверхбольшая интегральная схема (СБИС) - более 10 тыс. элементов в кристалле.

Ранее использовались также теперь устаревшие названия:

Ш ультрабольшая интегральная схема (УБИС) - до 1 млрд элементов в кристалле,

Ш гигабольшая интегральная схема (ГБИС) - более 1 млрд элементов в кристалле.

Сейчас (в 2013 году) названия «УБИС» и «ГБИС» практически не используются и все микросхемы с числом элементов более 10 тыс. относят к классу СБИС.

2.2 Вид обрабатываемого сигнала

По виду обрабатываемого сигнала ИМС делятся на:

Ш аналоговые,

Ш цифровые,

Ш аналого-цифровые

Аналоговые микросхемы - входные и выходные сигналы изменяются по закону непрерывной функции в диапазоне от положительного до отрицательного напряжения питания.

Цифровые микросхемы - входные и выходные сигналы могут иметь два значения: логический ноль или логическую единицу, каждому из которых соответствует определённый диапазон напряжения. Например, для микросхем типа ТТЛ при напряжении питания +5В, диапазон напряжения 0…0,4В соответствует логическому нулю, а диапазон 2,4 - 5В - логической единице; для микросхем ЭСЛ-логики при напряжении питания - 5,2В диапазон от -0,8 до -1,03В - логической единице, а от -1,6 до -1,75В - логическому нулю.

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

1. Уменьшенное энергопотребление связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» - что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» - (0). В первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором - через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к (0), в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (активном) состоянии.

2. Высокая помехоустойчивость цифровых устройств, связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5--5 В) и низкого (0--0,5 В) уровня. Ошибка состояния возможна при таком уровне помех, когда высокий уровень интерпретируется как низкий и наоборот, что маловероятно. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.

3. Большая разница уровней состояний сигналов высокого и низкого уровня (логических «0» и «1»). Достаточно широкий диапазон их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов, избавляет от необходимости подбора компонентов и настройки элементами регулировки в цифровых устройствах.

Аналого-цифровые микросхемы совмещают в себе формы цифровой и аналоговой обработки сигналов, например, усилитель сигнала и аналого-цифровой преобразователь.

2.3 Технология изготовления

В зависимости от технологии изготовления ИМС подразделяются на несколько видов:

Ш Полупроводниковая микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия, оксид гафния).

Ш Плёночная интегральная микросхема - все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок: 1) толстоплёночная интегральная схема; 2) тонкоплёночная интегральная схема.

Ш Гибридная микросхема (часто называемая микросборкой), содержит несколько бескорпусных диодов, бескорпусных транзисторов и (или) других электронных активных компонентов. Также микросборка может включать в себя бескорпусные интегральные микросхемы. Пассивные компоненты микросборки (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) обычно изготавливаются методами тонкоплёночной или толстоплёночной технологий на общей, обычно керамической подложке гибридной микросхемы. Вся подложка с компонентами помещается в единый герметизированный корпус.

Ш Смешанная микросхема - кроме полупроводникового кристалла содержит тонкоплёночные (толстоплёночные) пассивные элементы, размещённые на поверхности кристалла.



3. КАЧЕСТВО ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

3.1 Изготовление интегральных микросхем

Существуют несколько разновидностей технологического изготовления интегральных микросхем (ИМС).

1. Гибридная технология - характеризуется тем, что пассивные элементы изготавливаются методом пленочной технологии.

Основой является изоляционная пластина, на которую наносят резистивные изоляционные и проводниковые пленки. В результате получается конструкция, в которой в качестве активных элементов используются бескорпусные диоды и транзисторы. Тонкие пленки наносят методом вакуумного напыления, либо другим методом. Толстые пленки наносят методом шелкографии - на нужные места наносят обжигаемый слой пасты.

Недостаток: пониженная по сравнению с другими видами ИС плотность упаковки.

Преимущество: простота разработки и наладки новых функциональных схем (применяют для изготовления схем частного применения).

Гибридные ИС обладают рядом специфических особенностей, главная из которых является наличие навесных компонентов. Это связано с невозможностью промышленного изготовления пленочных транзисторов и прочих активных элементов. В ГИС реализуют высокие номиналы резисторов и конденсаторов, возможна их точная подгонка, что необходимо в измерительной и преобразовательной технике. Трудоемкость разработки ГИС значительно меньше, чем полупроводниковых ИС, технологическое оборудование для производства тонкопленочных структур, И особенно толстопленочных ИС дешевле.

2. Пленочная технология - характеризуется созданием пленочной ИС, имеющей подложку из диэлектрика (стекло, керамика и др.).

Пассивные элементы (резисторы, конденсаторы, катушки) и соединения между элементами выполняются в виде различных пленок, нанесенных на подложку. Активные элементы не делаются пленочными, так не удалось добиться их хорошего качества.

Таким образом, пленочные ИС содержат только пассивные элементы и представляют собой RC - цепи или какие либо другие схемы. Принято различать ИС тонкопленочные, у которых толщина пленок не более 2мкм, и толстопленочные, у которых толщина пленок значительно больше. Подложки представляют собой диэлектрические пластины толщиной 0,5 - 1,0мм, тщательно отшлифованные и отполированные.

3. Совмещенная технология - обладает преимуществом каждой из рассмотренных технологий и исключает свойственные им недостатки.

Конструктивной основой является полупроводниковый кристалл, в объеме которого формируются все активные элементы (транзисторы, диоды), пассивные элементы создаются методом вакуумного напыления пленок. Изолирующие области получают путем использования пленок SiO₂ или с помощью p-n переходов.

Недостаток заключается в необходимости сочетания двух типов технологических процессов: диффузии примеси (активных элементов) и напыления для пассивных элементов, что приводит к возрастанию цены на изготовление ИС.

Однако совмещенная технология позволяет получить высокую степень интеграции и представляет выбрать параметры пассивных элементов в широких пределах.

4. Полупроводниковая технология - характеризуется тем, что как активные, так и пассивные элементы схем выполняются внутри объема полупроводника, который и является основой интегральной схемы (ИС).

Основным полупроводниковым материалом является кремний, который обладает рядом ценных свойств и большей, чем у германия, ширины, запрещенной зоны, позволяет получить активные элементы с меньшими обратными токами. Кремневые транзисторы обладают более высоким порогом отпирания, что повышает помехоустойчивость аналоговых и цифровых ИС.

Простота получения изолирующей поверхности достигается путем окисления исходной кремниевой пластинки и образование пленки двуокиси кремния. Эта пленка используется в качестве маски при проведении диффузии в отдельных областях кристалла, а также для создания изоляции между отдельными элементами схемы. Полупроводниковые ИС обеспечивают высокую степень интегрирования. Стоимость элементов микросхемы, выполненной в интегральном исполнении по полупроводниковой технологии, в значительной степени определяется площадью, занимаемой ими на полупроводниковой пластине. Номиналы элементов, имеющих дискретные прототипы, ограничены.

Практически нецелесообразно использовать для массового производства ИС “чистые” резисторы с номиналом выше 50кОм. Конденсаторы с емкостью, превышающей несколько сотен пикофарад, приходится применять в виде отдельных навесных элементов. Желаемые номиналы резисторов не могут иметь малые допуски, хотя отношение сопротивлений одинаковых по форме резисторов на одной пластине можно выдержать довольно точно (1…2%), причем их температурная зависимость будет одинакова. Все элементы полупроводниковой структуры связаны между собой паразитными емкостями и проводимостями, что обусловлено плотной упаковкой и несовершенством методов изоляции элементов.

Преимущества полупроводниковых ИМС перед гибридными:

- более высокая надёжность вследствие меньшего числа контактных соединений, ограниченного количества используемых материалов, а также из-за того, что полупроводниковую ИМС можно изготовить только из монокристаллической, сверхчистой, полупроводниковой структуры;

- большая механическая прочность в результате меньших (примерно на порядок) размеров элементов;

- меньшая себестоимость изготовления полупроводниковых ИМС вследствие более эффективного использования преимущественно групповой технологии.

В полупроводниковых ИС в качестве активных элементов могут использоваться биполярные и униполярные (полевые) интегральные структуры.

Полупроводниковые ИС с биполярными транзисторами отличаются более высоким импульсным быстродействием (или рабочей частотой).

Полупроводниковые цифровые ИС с униполярными транзисторами со структурой МОП отличаются наиболее высокой плотностью упаковки элементов и наименьшей стоимостью изготовления.

Биполярные транзисторы увеличивают стабильность схемы в широком диапазоне температур, позволяют реализовать наибольшее быстродействие и создать схемы с лучшей нагрузочной способностью. Биполярные структуры более устойчивы к электрическим нагрузкам.

Технология униполярных транзисторов позволят добиваться лучших шумовых характеристик.

3.2 Контроль качества при производстве интегральных микросхем

При изготовлении интегральных схем очень важным является контроль технологических процессов. Хорошо организованный контроль обеспечивает высокий процент выхода годной продукции. Успешный контроль изготовления интегральных микросхем в основном зависит от знания процесса производства и заключается в измерении и визуальной проверке основных операций технологического процесса, а также в использовании полученной информации для корректирования технологических режимов.

Методы технологического контроля, используемые в производстве ИМС, можно объединить в три группы:

- пооперационный контроль,

- визуальный контроль,

- тестовые ИМС.

1. Методы пооперационного контроля после технологических процессов эпитаксии, диффузии и других те же, что и в производстве дискретных приборов. Сюда входят измерения толщин пленок, глубин p-n - переходов, поверхностной концентрации и др., производимые на специальных контрольных образцах, помещаемых вместе с обрабатываемыми пластинами на данную операцию.

2. Метод визуального контроля играет важную роль в производстве ИМС, несмотря на кажущуюся тривиальность.

Он включает осмотр схем под оптическим микроскопом и использование различных средств визуализации - наблюдение термографии и др.

3. Наконец, один из основных методов контроля параметров ИМС на различных технологических этапах - это применение тестовых структур.

Рассмотрим более подробно два последних метода.

1. Метод визуального контроля.

Существенные данные о состоянии пластины можно получить визуальной проверкой с помощью микроскопа с большим увеличением - от 80х до 400х. При этом выявляются такие показатели, как состояние поверхности, избыточное или недостаточное травление, изменение толщины окисного слоя, правильность перехода и др.

Одним из наиболее опасных дефектов является пористость окисного слоя, легко обнаруживаемая при визуальной проверке схемы под микроскопом - это небольшие отверстия в окисном слое, вызванные либо пылью при нанесении фоторезистора, либо повреждением фотошаблона. Если этот дефект окажется в критической точке, то последующая диффузия примеси может вызвать короткое замыкание перехода и выход из строя всей микросхемы. Одним из эффективных методов визуализации является использование сканирующего электронного микроскопа, позволяющего наблюдать топографический и электрический рельеф интегральной микросхемы.

Наблюдение обеспечивает неразрушающий характер контроля. Для наблюдения необходимо, чтобы поверхность микросхемы была открытой. Резкое изменение потенциала на поверхности вызывает изменение контраста изображения, формируемого вторичными электронами, и свидетельствует о разомкнутой электрической цепи или о перегретых участках.

Этим методом можно легко обнаружить загрязнение перехода, частицы пыли, проколы в окисном слое и царапины на тонком слое металлизации. Нормальный градиент потенциала в резисторе можно наблюдать в виде равномерного изменения цвета от темного - на одном конце резистора до светлого - на другом его конце, при этом подложка имеет более высокое напряжение смещения, как это обычно бывает и интегральных микросхемах. Поэтому изображение резистора будет рельефным. Установив ряд таких изображений интегральных компонентов, соответствующих норме, можно судить на основании сравнения с этими эталонами об отклонениях и вызвавших их причинах. Увеличение энергии электронов в луче позволяет проникать в поверхностный слой для обнаружения таких дефектов, как трещины. Для измерения термических профилей с выявлением перегретых участков разработан инфракрасный сканирующий микроскоп. Микроскоп включает ИК - детектор с высокой разрешающей способностью, объединенный с прецизионным сканирующим и записывающим устройствами. Чувствительным элементом является пластина антимонида индия, поддерживаемая при температуре жидкого азота. Такую аппаратуру используют для оценки качества конструкции данной микросхемы в отношении рассеяния тепла и мощности. Термосканирующий прибор имеет следующие достоинства: высокая разрешающая способность - порядка 1*10-3 кв.мм , высокая чувствительность к изменению температуры - порядка 2°С, широкий температурный диапазон - от 30 до нескольких сотен градусов, высокая скорость срабатывания - единицы мкс, неразрушающее и бесконтактное измерение.

В планарных структурах на поверхности схемы хорошо видны горячие участки, возникающие в результате наличия проколов в окисле и диффузионных каналов в полупроводнике.

Отклонения от нормы обнаруживают путем сравнения с нормально функционирующими стандартами ИМС. В последние годы широкое применение получили термографические системы, основанные на использовании термочувствительных красок. Пленки из термочувствительных красок, в том числе жидких кристаллов, нанесенные на поверхность интегральной микросхемы, поставленной под нагрузку, окрашиваются в различные цвета, что позволяет, наблюдая ИМС под микроскопом, фиксировать изменение температуры с точностью до 0.5° С.

2. Метод применения тестовых структур интегральных микросхем.

Наличие в интегральных микросхемах большого количества конструктивных элементов - по несколько сотен и тысяч пересечений проводников, переходов со слоя на слой, областей и выводов активных и пассивных компонентов, контактных площадок и др. Практически исключает 100%-й контроль всех элементов по электрическим параметрам из-за высокой трудоемкости этой операции. В это же время необходимость такого контроля, особенно на этапе отработки и совершенствования технологии, очевидна. Для контроля электрических характеристик структур и качества проведения технологических операций используют специально изготовляемые или размещаемые на рабочей подложке структуры, называемые тестовыми микросхемами.

Основной принцип их построения состоит в том, что тестовая микросхема по отношению к реальной должна быть изготовлена по тому же технологическому маршруту, содержать все конструктивные элементы в различных сочетаниях и обеспечивать удобство их контроля во время испытаний и оценку качества технологического процесса.

Удобство контроля достигается либо последовательным, либо параллельным включением в электрическую цепь элементов микросхемы.

Тестовые микросхемы состоят из набора нескольких сотен однотипных элементов-диодов, транзисторов резисторов, переходов со слоя на слой, пересечений проводников и др. с контактными площадками и такой коммутацией, которая позволяет при надобности изменить каждый элемент схемы отдельно или проконтролировать сразу группу элементов. Например, тестовая резисторная схема является последовательной схемой, содержащей 200 элементов, между которыми имеются контактные площадки. Если в реальной ИМС встречаются высокоомные и низкоомные резисторы, то делают две различные тестовые микросхемы, отображающие специфику каждого типа резисторов. Аналогичный подход используется для тестовых микросхем транзисторов и диодов.

Наряду с тестовыми микросхемами контроль отдельных компонентов, в первую очередь диодов и транзисторов, производится с помощью тестовых кристаллов. Тестовый кристалл содержит набор изолированных элементов, встречающихся в интегральной микросхеме. Его размеры близки к размеру чипа и на пластине расположено тестовых кристаллов столько же, сколько размещается интегральных микросхем.

Применение тестовых микросхем и кристаллов позволяет организовать эффективный технологический контроль производства ИМС и сократить трудоемкость при проведении при проведении испытаний на надежность БИС, особенно на этапе отработки технологии. С повышением функциональной сложности интегральных микросхем резко возрастает трудоемкость и сложность операций контроля их параметров. Практически невозможно проверить интегральную микросхему без автоматизированных контрольно измерительных систем.

3.2.1 Основные виды контрольных испытаний интегральных микросхем

Целесообразность и эффективность применения различных видов контроля зависит главным образом от сложности и степени интеграции микросхем, типа логических элементов и целей контрольных испытаний.

1. Параметрический контроль - используется для микросхем с малой интеграцией и включает в себя измерения основных параметров на постоянном токе. Кроме того, данный вид предусматривает проведение проверки правильности выполнения несложных логических функций, которая проводится одновременно с последовательным измерением выходных электрических сигналов после подачи определенной комбинации калиброванных сигналов тока или напряжения на входы интегральной схемы.

Следует отметить, что эффективность параметрического вида контроля, с точки зрения оценки работоспособности микросхемы в целом, с повышением степени интеграции уменьшается, а измерение некоторых процессов, таких, как время нарастания и спада сигнала, становится нецелесообразным.

2. Функциональный контроль - используется для проверки интегральных схем с высокой степенью интеграции и включает в себя проведение статистических и динамических измерений на базе контрольной тестовой таблицы, составленной, например, с помощью ЭВМ с учетом минимизации количества входных кодовых комбинаций.

Функциональный контроль позволяет проводить проверку больших интегральных микросхем в условиях, близких к эксплуатационным.

3. Диагностический контроль - наиболее эффективен при проведении испытаний гибридных интегральных микросхем, в которых в принципе возможна замена неисправных элементов, расположенных на общей подложке.

Сложность и многообразие программы функционального и диагностического контроля интегральных микросхем требуют обязательного использования ЦВМ и специальных автоматизированных систем.

Автоматизированные системы, используемые для контроля интегральных микросхем, характеризуются следующими основными параметрами: производительностью, максимальным числом выводов, максимальным числом разрядов кодовой комбинации, выдаваемой одной командой за один цикл управления, числом контрольных постов в системе, с которыми возможна одновременная работа, составом и универсальностью программного обеспечения, возможностью выполнения параметрического контроля.

Принцип работы автоматизированной системы функционального контроля интегральных микросхем с применением ЦВМ состоит в следующем.

По команде от ЦВМ в счетчик адреса памяти записывается начальный адрес входных тестовых комбинаций, а в регистр адреса контролируемой тестовой комбинации - соответствующий адрес. На компаратор подается от ЦВМ ожидаемая комбинация входных сигналов. Несколько разрядов запоминающего устройства входных тестовых комбинаций выделено для хранения определенного числа циклов тактового генератора. В течение периода хранения на входные выводы интегральной схемы должна подаваться одна и та же тестовая комбинация. Число циклов в обратном коде переписывается в счетчик повторений тестовых комбинаций, на счетный вход которого поступают тактовые импульсы. При его заполнении увеличивается содержимое счетчика адреса памяти и опрашивается запоминающее устройство входных тестов по новому адресу. При равенстве адреса счетчика памяти и регистра контролируемой комбинации прекращается подача тактовых импульсов, компаратор стробируется по времени, фиксируя входные импульсы последней тестовой комбинации.

Путем записи в регистр адреса контролируемой комбинации различных адресов проверяется интегральная микросхема с динамической логикой на всех тестовых комбинациях. Кроме указанных элементов система включает в себя схему сравнения, схему выдачи входных воздействий и вентиль.



3.2.2 Методы контроля качества соединений элементов в интегральных микросхемах

Наиболее эффективными методами контроля качества соединений являются испытания на механическую прочность и металлографический анализ.

1. Для проверки механической прочности соединений существует много приспособлений и установок, а также способов испытаний. Например, при испытании на срез структуру с подсоединенными выводами подвергают растяжению силой, действующей параллельно поверхности подложки. Если прочность соединения составляет менее 70% прочности примененной проволочки, соединение считается качественным. Испытание соединений на отрыв выполняется путем многократных изгибов вывода под углом 30, 45 и 90° относительно поверхности подложки (установка УКПМ-1). Прочность клеевых соединений определяют испытаниями на разрыв. Прочность клеевого соединения на разрыв должна быть не менее (125...150)*105 Н/м2.

2. Металлографический анализ заключается в обследовании поперечных или косых шлифов и позволяет выявить их внутреннюю структуру и обнаруживать не смоченные при пайке участки, проплавления, микротрещины, раковины, поры, интерметаллические включения, следы диффузии припоя по границам зерен.

3. Рентгеновская дефектоскопия с помощью расходящегося пучка позволяет обнаруживать внутренние дефекты и дает достаточную информацию о надежности соединений. В отличие от металлографического анализа этот метод неразрушающий. Контроль деталей после холодной штамповки выполняется визуальным осмотром.

4. Размер деталей. Измеряют универсальными измерительными инструментами: штангенциркулем, микрометром, индикатором и оптическим прибором - инструментальным микроскопом. Плоскость поверхностей деталей проверяют методом световой щели с помощью лекальной линейки. Глаз человека способен улавливать просвет в 0.003...0.004 мм.

5. Контроль на герметичность проводится дважды: после изготовления основания корпуса с изолированными выводами и после герметизации микросхем. Герметичность спая выводов с материалом основания или герметичность микросхемы в корпусе характеризуется скоростью натекания гелия. Для готовых микросхем за критерий герметичности принята скорость натекания гелия (см3 /с) при разности давлений снаружи и внутри корпуса 105 Па. Корпусы высокого качества имеют скорость натекания, не превышающую 10-8 см3/с.

Проверка оснований корпусов на герметичность выполняется с помощью специальных приспособлений, позволяющих с помощью вакуумных уплотнений создавать объем, замкнутый на контролируемую деталь.

Существует много методов контроля на герметичность.

Наиболее часто применяются масс-спектрометрический, вакуум-жидкостный и влажностный методы.

- Масс-спектрометрический метод основан на индикации атомов гелия, вытекающих через имеющиеся в отдельных узлах или загерметизированных корпусах течи. Применение гелия для обнаружения течей объясняется тем, что он является самым подвижным газом и обладает высокой проникающей способностью. Гелий вводится в корпус микросхемы либо при герметизации, либо путем длительной выдержки уже загерметизированных микросхем в специальных герметических камерах-бомбах, заполненных после предварительной откачки гелием до давления (3...5)*105 Па. За время выдержки (3...48ч) в бомбе в корпусы микросхем, имеющих течи, проникает гелий. Микросхемы извлекают из бомбы и помещают в стакан установки, например полуавтомата УКГМ-2 с трехпозиционной каруселью. Поворотом карусели стакан переходит в новую позицию, уплотняется и откачивается. После откачки объем стакана автоматически переключается на течеискатель, который преобразует истечение гелия в электрический сигнал. Если сигнал превышает установленное значение, ИМ бракуется.

Масс-спектрометрический метод отличается высокой чувствительностью. К недостаткам относятся: низкая производительность (100...200шт/ч), сложность обслуживания установок.

- Вакуум-жидкостный метод основан на регистрации пузырьков воздуха, выходящих через течи корпуса в жидкость, над которой создают разряжение около 10...15 Па. Жидкость-керосин или уайт-спирит предварительно вакуумируют, т.е. выдерживают в течение часа при давлении 700 Па и при температуре 70...120°С. Микросхемы погружают в жидкость. Если в корпусе имеется течь, то за счет разницы давлений внутри и вне корпуса газ будет выходить наружу в виде струйки мелких пузырьков.

Таким образом, при визуальном наблюдении обнаруживается место течи. Метод прост, оперативен, более производителен - до 700шт/ч, но менее чувствителен и поэтому позволяет обнаруживать только грубые течи. Метод применяется как предварительный для обработки корпусов с большими течами перед окончательным контролем масс-спектрометрическим методом.

- Компрессионно-термический метод - разновидность предыдущего метода. Корпусы опускаются в нагретое обезвоженное силиконовое масло. Нагрев до 200°С повышает чувствительность метода.

- Влажностный метод контроля наиболее прост, надежен и позволяет одновременно контролировать, кроме герметичности, стойкость покрытий корпусов на воздействие повышенной влажности. Микросхемы выдерживают в камерах тепла и влаги в течение нескольких суток в условиях повышенной влажности (95...98%) при температуре (40±5) °С.

Критерием забраковки является ухудшение электрических параметров вследствие проникновения влаги в корпуса. Однако в камерах тепла и влаги отбраковываются ИМ только с грубыми течами. Кроме того, камера не позволяет оперативно обнаруживать негерметичность ИМ с хорошо защищенными структурами. Проникновение влаги в корпус таких ИМ обнаруживается значительно позже, когда произойдет отказ, например, из-за коррозии интерметаллических соединений.

4. ПЕРСПЕКТИВЫ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ

4.1 Назначение интегральных микросхем

Интегральная микросхема может обладать законченным, сколь угодно сложным, функционалом - вплоть до целого микрокомпьютера (однокристальный микрокомпьютер).

1. Элементы аналоговых схем:

· Операционные усилители

· Компараторы

· Генераторы сигналов

· Фильтры (в том числе на пьезоэффекте)

· Аналоговые умножители

· Аналоговые аттенюаторы и регулируемые усилители

· Стабилизаторы источников питания: стабилизаторы напряжения и тока

· Микросхемы управления импульсных блоков питания

· Преобразователи сигналов

· Схемы синхронизации

· Различные датчики (например, температуры)

2. Элементы логических схем:

· Логические элементы

· Триггеры

· Счётчики

· Регистры

· Буферные преобразователи

· Шифраторы

· Дешифраторы

· Цифровой компаратор

· Мультиплексоры

· Демультиплексоры

· Сумматоры

· Полусумматоры

· Ключи

· АЛУ

· Микроконтроллеры

· (Микро) процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)

· Однокристальные микрокомпьютеры

· Микросхемы и модули памяти

· ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

3. Элементы аналогово-цифровых схем:

· Цифро-аналоговые (ЦАП) и аналогово-цифровые преобразователи (АЦП)

· Цифровые вычислительные синтезаторы (ЦВС)

· Трансиверы (например, преобразователь интерфейса Ethernet)

· Модуляторы и демодуляторы

· Радиомодемы

· Декодеры телетекста, УКВ-радио-текста

· Трансиверы Fast Ethernet и оптических линий

· Dial-Up модемы

· Приёмники цифрового ТВ

· Сенсор оптической мыши

· Микросхемы питания электронных устройств -- стабилизаторы, преобразователи напряжения, силовые ключи и др.

· Устройства на переключаемых конденсаторах

· Цифровые аттенюаторы

· Схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ)

· Коммутаторы

· Генераторы и восстановители частоты тактовой синхронизации

· Базовые матричные кристаллы (БМК): содержит как аналоговые, так и цифровые схемы

4.2 Серии микросхем

Аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются сериями.

Серия - это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенные для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения источников питания, согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Микросхемы выпускаются в двух конструктивных вариантах: корпусном и бескорпусном.

Корпус микросхемы - это несущая система и часть конструкции, предназначенная для защиты от внешних воздействий и для электрического соединения с внешними цепями посредством выводов.Корпуса стандартизованы для упрощения технологии изготовления готовых изделий.

Бескорпусная микросхема - это полупроводниковый кристалл, предназначенный для монтажа в гибридную микросхему или микросборку (возможен непосредственный монтаж на печатную плату).

Микросхемы имеют специальные названия и отличаются своей спецификой. Фирма Intel - первая изготовила микросхему, которая выполняла функции микропроцессора (англ. microproccessor) = Intel4004. На базе усовершенствованных микропроцессоров 8088 и 8086 фирма IBM выпустила свои известные персональные компьютеры. Микропроцессор формирует ядро вычислительной машины, дополнительные функции, типа связи с периферией выполнялись с помощью специально разработанных наборов микросхем (чипсет).

Для первых ЭВМ число микросхем в наборах исчислялось десятками и сотнями, в современных системах это набор из одной-двух-трёх микросхем. В последнее время наблюдаются тенденции постепенного переноса функций чипсета (контроллер памяти, контроллер шины PCI Express) в процессор.

Микропроцессоры со встроенными ОЗУ и ПЗУ, контроллерами памяти и ввода-вывода, а также другими дополнительными функциями называют микроконтроллерами.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение можно сказать, что интегральная микросхема (ИМС) - то микроэлектронное устройство - электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус, или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

ИМС является одним из важнейших элементов одной большой электронной системы. В случае ухудшения качества микросхемы, нарушается весь порядок работы одного электронного устройства или электроприбора, что немаловажную роль играет в организации жизни современного человека.

В завершении можно лишь процитировать Роберта Нойса (один из руководителей Fairchild Semiconductor ):

«Вы спрашиваете, было ли это в первую очередь маркетинговое решение - заниматься интегральными схемами. Я думаю, что нет. Я думаю, что большинство достижений такого рода не было предсказано маркетологами и сознательно ими не подготавливалось. Они скорее возникали из логики технического прогресса. То время можно было бы охарактеризовать так: «Теперь мы можем вот это сделать. Почему бы вам не попробовать это продать?» А сегодня кто-то из маркетинга приходит и говорит: «Если бы имели вот это, то мы могли бы это продать». Чувствуете, где различие? В случае с интегральной схемой самое захватывающее было чувство, что существует необходимость в этом приборе. У всех. У военных, у гражданских… Понимаете -- у всех!».



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Жан М. Рабаи, Ананта Чандракасан, Боривож Николич. Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования = Digital Integrated Circuits. -- 2-е изд. - М.: Вильямс, 2007. - 912 с.

2. Маллер Р., Кейминс Т. Элементы интегральных схем, 1989.- 640 с.

Размещено на Allbest.ru