Độ tin cậy hệ thống và độ tin cậy của quá trình bán dẫn: Phân tích chi tiết

ð TIN CY CA QUÁ TRÌNH BÁN DN

1. M ñu

Nghiên cu ñ tin cy bán dn ñưc dùng lưng hóa ñc tính suy tàn (wear out)

ca linh kin bán dn. ð ưc lưng ñ tin cy ca sn phm bán dn, cn xem xét nhiu

yu t. Mt sn phm bán dn thưng gm mt khuôn gn vào võ bng cách hàn hay dán

epoxy, dùng dây to kt ni mch t khuôn ñn các chân ca linh kin. Vn ñ là phn

t này dù riêng l hay tương tác nhau ñu có kh năng to hng hóc cho linh kin. ð ño

lưng h thng phn t này, cn thit k th nghim ñ tin cy có nhn mnh ñn tng

phn t trong toàn sn phm. Khuôn bán dn thưng là phn t khi phc tp nht trong

sn phm nên d b! hng hóc nht.

M"c tiêu nghiên cu ñ tin cy ca bán dn bo ñm ñưc là quá trình sn xut to

sn phm có ñ tin cy dài hn chp nhn ñưc. M"c tiêu thưng ñưc th#c hin qua

chu$i các th nghim stress lên phương tin sn xut vi nhiu tm hot ñng khác nhau.

Chc năng linh kin b! gim cp ñưc giám sát trong sut quá trình th nghim. Th

nghim stress ñưc dùng trên linh kin b! gim cht lưng tham s hay hng hóc tai bin

(catastrophic). Các th nghim này cho phép tìm ra cơ ch v gii hn ca ñ tin cy

trong quá trình sn xut bán dn.

Phân tích thng kê d% liu th#c nghim cho phép thit lp mô hình hung dn ñ tin

cy cho quá trình bán dn. Mô hình này có th ñơn gin khi ưc lưng tính năng linh kin

trong môi trưng cho trưc hay phc tp hơn như mô hình d# báo thng kê ñ tin cy.

Hơn n%a, cơ ch hng hóc ch yu làm suy gim tính năng v ñin ca vt th ñưc tìm

ra t phương pháp th#c nghim, cùng yu t suy gim ph" thuc môi trưng. Các k& sư

quá trình và thit k dùng ñưc thông tin này ñ ci thin quá trình nh bit ñưc cơ ch

hng hóc, to ñ tin cy cao hơn. Các bưc lý tư'ng trong quá trình nghiên cu ñ tin

cy ca quá trình bán dn là:

1. Nhn dng và ñ!nh tính cơ ch ch yu tác ñng lên linh kin vi mt s quá

trình.

2. Thit lp yu t ph" thuc chc năng ca ñ tin cy trong ñiu kin ng d"ng

ca linh kin.

3. Xác ñ!nh mô hình ñ tin cy mu ca quá trình bán dn.

4. ðưa kt qu này ngưc v quá trình thit k và k& thut ñ ci thin cht lưng

ñ tin cy.

Chương này ch( bàn v quá trình dùng trong cu trúc nhit ca khuôn bán dn

(semiconductor dies), ñc bit quan tâm ñn k& thut tin cy trong quá trình bán dn ca

công ngh (Gallium Arsenide). Có th dùng k& thut tương t# cho các loi linh kin bán

dn khác.

2. Tng quan v nghiên cu ñ tin cy ca quá trình bán dn trong công nghip

GaAs

Phn này tóm tt k& thut cơ bn ñang dùng trong công nghip GaAs khi nghiên cu

ñ tin cy. Cung cp t)ng quan v cơ

ch hng hóc tìm ñưc qua th

nghim và ñ ngh! phương pháp th

nghim ñ tin cy ca quá trình bán

dn.

2.1 Phương tin th nghim

Mun xác ñ!nh ñ tin cy ca quá

trình bán dn, cn xem phương tin

dùng trong th nghim là gì. Có ba

phương tin th nghim là mch tích

hp (ICs), phn t ri (FETs, t" ñin,

ñin tr', v.v.,. .), và các cu trúc th

nghim ñc thù. Các phương tin này

ñu có ưu và nhưc ñim riêng.

Mch tích hp là phương tin ñưc dùng ph) bin nht. Linh kin GaAs thưng là

mch tích hp vi ba ñơn lp MMIC (microwave integrated circuit). Có th dùng sn

phm thông thưng, nhưng cũng là mch ñưc thit k ñc bit nhm tác ñng ñưc lên

m+i linh kin ri ca quá trình. Dùng ñưc sn phm thông thưng làm cu trúc th

nghim ñ tin cy khi yêu cu v sa ch%a và th nghim ñã s,n sàng, ñng thi linh

kin cũng ñưc cung cp ñy ñ. Mt ưu ñim n%a là ng d"ng ñưc tr#c tip kt qu

nghiên cu ñ tin cy vào sn xut sn phm hay h+ các sn phm tương t#. Khó khăn

nht khi dùng MMIC là hng hóc v ñin, thng kê, và vt lý rt phc tp, do phương

tin th nghim có mc phc tp cao hơn trưng hp linh kin ri (xem hình 1).

Có th dùng linh kin ri trong thit k ICs trong quá trình nghiên cu ñ tin cy ca

quá trình bán dn. Nghiên cu v phương pháp này ñã ñưc công b trong nhiu công

trình (xem phn tham kho 1). Dùng linh kin này làm phương tin th nghim, thì d

dàng nhn ra cơ ch hng hóc do tng phn t linh kin ri ñu ñưc xem xét và bit

ñưc ñc tính v ñin. Khi chun hóa ñưc theo ñ tin cy, thì mô hình hóa và truy cp

ñc tính ñin ca sn phm mi dùng linh kin này trong giai ñon thit k. Thí d" vic

dùng transistor (MESFET), linh kin t" ñin và ñin tr', là linh kin ñưc th nghim

và nghiên cu ñc tính ñin trong nghiên cu ñ tin cy (xem hình.2).

Ba yu ñim ln nht khi dùng linh kin ri làm phương tin th nghim khi nghiên

cu ñ tin cy quá trình bán dn là tính gá lp, tính s,n sàng, và tính tương quan. Các

ñiu này là thách thc khi thit k gá lp tn ti trong môi trưng th nghim ñ tin cy

' nhit ñ cao to ra yu t phân c#c cho phương tin th nghim. Thách thc này càng

ln khi ' tn s cao, ñ li ln và khi dùng linh kin GaAs FET có ñ rng c)ng G nh

hơn micromét. Các linh kin này c#c kỳ nhy cm vi dao ñng phân c#c. Tính s,n sàng

ca linh kin cũng là vn ñ khi cn có s lưng ñ ln ñ th#c hin th nghim thng

kê v tu)i th+ dùng linh kin ri, như trưng hp linh kin chưa ñưc sn xut ' mc ñ

sn phm. Kh năng mô hình hóa ñ tin cy ca mch ñin cũng là vn ñ. ðiu quan

tr+ng là mô hình ñ tin cy li tương quan chc ch vi yu t không nhìn thy ñưc khi

th nghim v tu)i th+ trên mt sn phm th#c.

Các cu trúc th nghim c" th cũng có ưu ñim và nhưc ñim ca ng d"ng dùng

kinh kin ri. Các phân tích tng hóc s d dàng hơn khi thit k cho quá trình ñc thù,

thí d" như:

• Linh kin mô hình ñưng dây dài TLM (Transmission Line Model) (ñin tr' hình

thang), ñưc dùng cho ñc tính ñin tr' tip xúc (contact) và màng (sheet).

• Van der Pauw crosses, ñưc

dùng cho ñc tính ñin tr' màng và

kích thưc ti hn ca cu trúc.

• Chu$i cu không khí (air bridge

chains) hay chu$i ca cu trúc

khác), dùng cho nghiên cu mt ñ

khuyt tt ca quá trình.

• Dây song song vi ñ dày và

cách khong khác nhau, dùng cho

nghiên cu hin tưng d!ch chuyn

ñin t (electro migration) ph" thuc

dòng ñin và hin tưng ngn mch

ph" thuc trưng.

• T" MIM: (Metal-Insulator-

Metal) dùng khi nghiên cu cht lưng ca phim lư.ng c#c (Si

, SiO

• FETs ph,ng (FETs có chiu dài c)ng 50–100 µm), dùng nghiên cu ñc tính ñiñ

Schottky, pha tp cht (doping), và vn ñ v

tính ñi ñng (mobility).

Có nhiu dng cu trúc ñc thù khác nhau

cho tng quá trình (xem hình 3). M$i phn t

ñóng góp vào mô hình ñ tin cy; tuy nhiên,

vn ñ tim n v tính sa ch%a ñưc

(fixturing), tính s,n sàng và tính tương quan ñu

còn ng d"ng ñưc.

2.2 Thit k thc nghim

Nghiên cu ñ tin cy ca bán dn thưng

dùng mu th có kích thưc bé hơn sn phm.

Khi mi nghiên cu v ñ tin cy ca mt quá

trình, thì dùng kích thưc mu trong th#c

nghim step-stress ñ có ngay ño lưng xp x(,

nhanh, v ñ nhy ca nhiu dng khác nhau ca th nghim có tính gia tc tăng cưng.

Nhit ñ luôn là yu t ñưc tăng cưng nhiu nht, do có nh hư'ng ch yu lên trên cơ

ch hng hóc võ ngoài ca GaAs. Mt th nghim step-stress tiêu biu bao gm linh

kin ñt trong chu kỳ nhit ñ 24 gi, bt ñu t 125°C và tăng dn m$i ngày 25°C cho

ñn khi ít nht 50% s lưng b! hng (thưng là khong hơn 6 bưc). Các phương tin

th ñu ñưc ghi nhn ñc tính v ñin trưc và sau m$i bưc. Các ñơn v! th ñưc hay

không ñưc phân c#c trong các giai ñon stress. T kt qu th nghim step-stress này,

có quyt ñ!nh ñ!nh tính theo ñ gia tc trong các th nghim v tu)i th+. Dùng kt qu

step-stress hay/và các kinh nghim trưc ñó vào trong quá trình ñang th nghim, thit k

ñưc nghiên cu v ñ tin cy dùng yu t gia tc c ñ!nh. Kích thưc mu trong th

nghim này thay ñ)i t 10 ñn 40 linh kin cho m$i ñiu kin gia tc, vi ít nht là hai,

tt nht là ba, t) hp các yu t phân c#c nhit ñ ñưc áp d"ng. Thưng dùng các kênh

nhit ñ t 125°C ñn 300°C. ði vi các ng d"ng tín hiu nh (tuyn tính), thì linh

kin thưng ñưc phân c#c dùng dòng ñin mt chiu (DC). ði vi ng d"ng mà linh

kin phi vn hành trong ñiu kin có yu t nén ñ li (phi tuyn), thì nên th nghim

v tu)i th+ vi ñiu kin phân c#c RF, do lúc này yu t phân c#c xp x( DC không hiu

qu n%a. Kích thưc mu trong phân c#c RF, khi so sánh vi th nghim tu)i th+ dùng

phân c#c DC, thung nh hơn, ñơn gin hơn do chi phí cho m$i mu dùng cho gá lp và

cho th nghim tu)i th+ thưng ln hơn nhiu. Khi nhit ñ ñưc dùng nhiu trong yu

t gia tc cao, yu t khác cũng quan tr+ng ñ hiu rõ ñưc ñc tính v ñ tin cy ca

quá trình. Mt ñ dòng ñin và ñin áp là yu t gia tc liên quan ñn vn ñ phân c#c

có ý nghĩa vi linh kin GaAs; tuy nhiên, phương tiên th nghim thưng không b! tăng

cưng trong tm v mt ñ dòng ñin hay ñin áp. Các linh kin thưng ñưc phân c#c

ti ñin áp và dòng ñin danh ñ!nh ñng thi ch!u mc nhit ñ cao. Xu hưng này có giá

tr! cho m+i sn phm ñưc sn xut trong cùng mt quá trình vi cùng ñiu kin v phân

c#c, ñã ñơn gin rt nhiu cho nghiên cu.

2.3 Thc hin th nghim v tui th

Khi xác ñ!nh ñưc ñiu kin nhit ñ và phân c#c cho th nghim gia tc không ñ)i

xong, thì tin hành th nghim gia tc v tu)i th+. Tương t# như trong trưng hp step-

stress, ñc tính v ñin ñưc ghi nhn cho m$i bưc trưc, trong và sau m$i bưc gia

tc. Các s liu ño lưng này ñưc th#c hin ti nhit ñ phòng. Hơn n%a, ñiu kin

phân c#c (dòng ñin, ñin áp) ca m$i linh kin ñu ñưc quan sát trong tng chu kỳ gia

tc. ðc tính ñin ca linh kin phát trin theo hàm thi gian gia tc nhm xác ñ!nh khi

linh kin hng, do tham s hay do tai bin. Th nghim tu)i th+ thung ñưc th#c hin

liên t"c cho ñn khi ít nht 50% linh kin b! hng.

2.4 Phân tích d liu

Phân tích d% liu thu thp ñưc khi th nghim gia tc tu)i th+ ñưc th#c hin theo

ba mc; ñáp ng v ñin ca tng linh kin, ñáp ng thng kê ca tt c linh kin th

nghim vi mt ñiu kin gia tc và ñáp ng thng kê ca m+i mc ñ gia tc hin có

trong nghiên cu ñ tin cy ca quá trình bán dn. Các phân tích này, kt hp vi phân

tích hng hóc vt lý, cung cp hiu bit v cơ ch hng hóc ca quá trình và cơ ch ph"

thuc chc năng ca môi trưng gia tc trong quá trình th nghim tu)i th+. Phân tích d%

liu v ñin bao gm các ño ñt (quan sát) ti ch). Các d% liu quan sát ñưc bao gm

ñin áp và dòng ñin phân c#c, và/hay tham s tính toán ñưc t ñiu kin phân c#c

này. Hình 4 minh h+a s# thay ñ)i ca beta (ñ li dòng ñin DC) ca 11 transistor lư.ng

c#c trong quá trình th nghim tu)i th+. Các d% liu này cho phép xác ñ!nh thi gian xut

hin hng hóc vi ñ chính xác cao ca m$i linh kin trong nhóm th nghim tu)i th+.

ð có th nghim ñc thù này, hng hóc ñưc xác ñ!nh khi mc suy gim ln hơn 10%

v beta. Xây d#ng li ñ th! d% liu (hình. 4) tương ñi so vi giá tr! ño lưng ban ñu

ca beta nhm cung cp phương tiên ñơn gin hơn khi xác ñ!nh thi gian hng hóc ñc

thù ca linh kin này. (xem hình 5).

Th nghim tu)i th+ không h,n quan sát d dàng m+i tham s ca linh kin, ñc bit

trong ñiu kin RF và tham s vi ba. Do ñó, cn ln lưt dng theo chu kỳ vic áp d"ng

yu t stress và ñc tính ñin ti nhit ñ phòng. ðo lưng ti nhit ñ phòng cũng cung

cp phương tin kim tra tc ñ gim cp ti nhit ñ cao, có tương quan vi ñ gim cp

tính năng ti nhit ñ công tác. Thí d" ca dng ño lưng này v ' hình 6, cho thy thay

ñ)i ñ li ti 9 GHz ca b khuch ñi nhi u thp băng X (LNAs) là hàm theo thi gian

khi phân c#c DC tăng cưng ca kênh FET ti nhit ñ 200°C. Tương t# như d% liu

quan sát ñưc, ño lưng ti nhit ñ phòng này còn ñưc dùng ñ xác ñ!nh thi gian hng

hóc ca linh kin trong th nghim v tu)i th+.

Độ tin cậy hệ thống Độ tin cậy của quá trình bán dẫn

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi