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

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi