THIẾT KẾ ðÁNH GIÁ ðỘ TIN CẬY
1. Mở ñầu
Trong thiết kế ñánh giá ñộ tin cậy DART (design assessment reliability testing),
mục tiêu là nghiên cứu giảm rủi ro của sản phẩm, ñược thực hiện chủ yếu thông qua các
phương pháp thử nghiệm gia tốc. Mục tiêu của các nghiên cứu này nhằm làm quá trình
trưởng thành của thiết kế
càng nhanh càng tốt
thông qua việc nhận
dạng các chế ñộ hỏng
hóc tiềm tàng và các tác
ñộng sửa sai ñúng ñắn
(xem hình 1).
Tăng trưởng ñộ tin
cậy trong hầu hết sản
phẩm ñều xuất hiện
trong giai ñoạn này
(xem hình 2). Lúc này,
chi phí cho tăng trưởng
ñều ñộ tin cậy là rất bé
so với thử nghiệm kế
tiếp về ñộ chín chắn của
thiết kế (DTM: design
maturity testing). Như
thế, sản phẩm cần ñược
hoàn thiện trong giai ñoạn này.
Trong giai ñoạn ý tưởng (cổng giai ñoạn 1), chỉ củng cố các ý tưởng thiết kế, chưa
phát triển yếu tố tăng trưởng thực tế. Tác ñộng chủ yếu lên ñộ tin cậy của sản phẩm lúc
này là chọn cơ sở xây dựng sản phẩm.
Trong giai ñoạn ñánh giá (cổng giai ñoạn 2) nhằm tìm ra các thành phần thiết kế
chủ yếu và kết thúc. Từ khả năng thay
ñổi tiềm tàng lớn, giai ñoạn này sẽ có
ảnh hưởng lớn lên ñộ tin cậy của sản
phẩm.
Trong giai ñoạn phát triển (cổng
giai ñoạn 3), và giai ñoạn sản xuất (cổng
giai ñoạn 5) với dụng cụ cầm tay tại chổ,
mạch in ñã hoàn tất, và việc lựa chọn
các linh kiên ñã xong. Mục tiêu của
DART (Design Assessment Reliability
Testing) là xác ñịnh các chế ñộ hỏng hóc
tiềm tàng cố hữu trong thiết kế ban ñầu
của quá trình thiết kế. Tìm ra nguyên
nhân cội nguồn của chế ñộ hỏng hóc rồi
tích hợp trong thiết kế, thì thực hiện tăng
trưởng ñộ tin cậy ñược. ðiều này thực hiện ñược thông qua thiết kế ra khả năng xuất hiện
của hỏng hóc tiềm tàng khi ñến tay khách hàng và giảm rủi ro cố hữu khi phát triển các
sản phẩm mới. Quá trình này còn ñuợc gọi là giai ñoạn giảm rủi ro (Risk-Mitigation
Phase). Hình 1 mô tả quá trình và một số lợi ñiểm trong DART (Design Assessment
Reliability Testing). DART trong cấp lắp ghép hay cấp lắp ghép con dùng phép thử
nghiệm stress theo bước (step-stress) làm phương pháp cơ bản. Chú ý là HALT (Highly
Accelerated Life Testing) không chỉ có nghĩa là mô phỏng trong thời gian thực mà là
phương tiện nhanh ñể kích khởi các chế ñộ hỏng hóc. Cơ sở toán học và ý niệm về phép
thử step-stress ñược mô tả trong chương 9. Trong cấp ñộ hỗn hợp hay cấp hợp thành, có
thể dùng các phương pháp thử nghiệm khác theo mô tả ở phần 3. Phương pháp stress gia
tốc giúp tìm ra chế ñộ hỏng hóc tiềm tàng của thiết bị trong thời gian ngắn nhất. Các
phương pháp này thường dùng các phép thử nghiệm tuần tự (sequential) như phép thử
nghiệm step-stressing dùng yếu tố nhiệt ñộ và rung ñộng. Hai yếu tố stress này còn ñuợc
kết hợp ñồng thời. ðiều này càng làm tăng nhanh quá trình thử nghiệm, và nếu xuất hiện
các chế ñộ hỏng hóc tương tác rung ñộng/nhiệt, thì phép thử nghiệm kết hợp này là
phương tiện duy nhất ñể phát hiện ra. Phần tiếp thảo luận về các phương pháp thử
nghiệm này. Một yếu tố stress khác có thể dùng là tăng công suất step-stress, power
cycling, package preconditioning with infrared (IR) reflow, mô phỏng xả tĩnh ñiện (ESD)
và nhiều phương pháp khác. Chọn lựa phuơng pháp nào thì tùy dạng và ñơn vị thử
nghiệm cùng các chế ñộ hỏng hóc tiềm tàng của ñơn vị.
2. Phương pháp thử nghiệm HALT bốn góc
HALT chủ yếu ñược dùng trong cấp lắp ghép hay cấp lắp ghép con. Phương pháp
thử nghiệm HALT thì cần ñến phòng HALT. Nhiều nhà cung cấp ñã sản xuất ra các hệ
thống với nhiều môi truờng stress. Phòng này là duy nhất có thể thực hiện các thử nghiệm
step-stress về cả nhiệt ñộ và rung ñộng. Thử nghiệm này chủ yếu ñuợc thực hiện trong
giai ñoạn ñánh giá (Evaluation Phase) trong ñó các ñơn vị ñược ráp mạch thử nghiệm hay
xây dựng các mẫu thử (prototypes - xem hình 3) và còn ñuợc thực hiện trong cổng giai
ñoạn 3 ñể kiểm nghiệm lại kết quả của thử nghiệm HALT trước ñó. Quá trình phân tích
hỏng hóc FA (Failure Analysis) và thực hiện tác ñộng hiệu chỉnh trong suốt giai ñoạn thử
nghiệm. Do thử nghiệm HALT là dạng thử nghiệm stress gia tốc, cho phép xuất hiện rất
nhanh quá trình tăng truởng ñộ tin cậy khi thiết lập ñúng tác ñộng hiệu chỉnh. Hơn nữa,
thử nghiệm này còn giúp thiết lập tiêu chuẩn thẩm tra tiềm năng, cần có trong quá trình
tăng truởng của năm sản xuất ñầu tiên. Phương pháp thử nghiệm HALT ñược thực hiện
với bốn góc thử nghiệm. ðầu tiên, là
các thử nghiệm step-stress về nhiệt ñộ
và rung ñộng, như mô tả trong phần
2.1 và 2.2. Mục tiêu của thử nghiệm
này là tìm ra giới hạn khi vận hành và
khi không vận hành của ñơn vị ñuợc
thử. Các giới hạn này, khi tìm ñược
với ñiều kiện nhiệt ñộ và rung ñộng,
tạo ra bốn góc của thử nghiệm HALT
(xem hình 4). Khi xác ñịnh ñuợc các
chế ñộ hỏng hóc, các kỹ sư ñánh giá
chế ñộ hỏng hóc rồi thực hiện tác ñộng
hiệu chỉnh thích hợp. Phần 9.2 tóm tắt
các hướng dẫn thích hợp ñể ñánh giá
chế ñộ hỏng hóc. Tiếp ñến là các thử
nghiệm kết hợp nhiệt và rung ñộng, như mô tả ở phần 2.3. Cuối cùng, thử nghiệm stress
gia tốc nhiệt ñộ, theo mô tả ở phần 2.4. Sau khi thực hiện tác ñộng hiệu chỉnh, thử
nghiệm với các ñơn vị mới dùng phương tiện tương tự ñể xác ñịnh hậu quả của chế ñộ
hỏng hóc mới và thiết lập giới hạn mới. Cần tiếp tục nghiên cứu các ñiều kiện có liên
quan ñến chế ñộ hỏng hóc nhận dạng ñuợc thông qua hệ thống tác ñộng phân tích/sửa
chửa hỏng hóc.
2.1 Thử nghiệm HALT step – stress về nhiệt
Thử nghiệm step-stress về nhiệt là thử nghiệm HALT ñược dùng nhiều nhất. HALT
dùng các thử nghiệm step-stress về nhiệt ñộ ñể tác ñộng vào các chế ñộ hỏng hóc có liên
quan ñến yếu tố nhiệt ñộ. Thông thường thì step-stress là một phương pháp khác của thử
nghiệm về tuổi thọ (life testing) (xem chương 9). ðây là một công cụ rất mạnh nhằm tìm
ra cơ chế hóa-nhiệt không ẩm. (thí dụ: khuếch tán liên kim loại metal interdiffusion, bài
toán tăng truởng intermetallic như chất thải Kirkendall (Kirkendall voiding), chuyển dịch
ñiện tử (electromigration), phá hỏng cổng MOS (gate wear out), etc.). Thử nghiệm còn
ñuợc dùng trong nghiên cứu sâu về ñộ tin cậy. Do công cụ HALT khảo sát chế ñộ hỏng
hóc tiềm năng, các thử nghiệm nhiệt step-stress thường bắt ñầu từ nhiệt ñộ phòng và luôn
ñuợc áp dụng ñộ lạnh step-stresses bằng cách giảm nhiệt ñộ từng bước mỗi lần 10°C.
Mỗi nhiệt ñộ dừng lại ñủ lâu ñể ñơn vị thử ổn ñịnh về nhiệt. Trong HALT, ñơn vị thử
ñược giám sát cho ñến khi ñạt ñuợc ngưỡng giới hạn hoạt ñộng dưới và thực hiện với
từng chế ñộ hỏng hóc. Thử nghiệm tiếp tục cho ñến khi xác ñịnh ñược là hỏng hóc quan
sát ñược là do cơ chế phá hỏng (wear-out). Tiếp ñến, thực hiện các bước step-stress về ñộ
nóng bằng cách tăng nhiệt ñộ mỗi lần 10°C, từ nhiệt ñộ phòng. Nhiệt ñộ ñược duy trì ñủ
lâu ñể ñơn vị thử ổn ñịnh ñuợc về nhiệt ñộ. Tìm giới hạn nhiệt ñộ hoạt ñộng trên, tiếp tục
cho ñến khi xác ñịnh ñuợc cơ chế phá hỏng (wear-out). Sau khi tìm ra các giới hạn hoạt
ñộng, xác ñịnh ñược các giới hạn phá hỏng: ñầu tiên là giới hạn lạnh, tiếp ñến là giới hạn
nóng. Giới hạn công tác dùng xác ñịnh ñiểm mà ñơn vị thử vượt khỏi các ñặc tính hoạt
ñộng nhưng vận hành ñược dùng các chỉnh ñịnh về nhiệt ñộ.. Giới hạn phá hỏng ñuợc
dùng ñể xác ñịnh ñiểm tại ñó ñơn vị không thể phục hồi ñược, dù ñã loại trừ hết mọi yếu
tố stress.
2.2 Thử nghiệm HALT step – stress về rung ñộng
Ứng dụng stress rung ñộng là công cụ quan trọng ñể tìm cơ chế hỏng hóc cơ học như
các vấn ñề có liên quan ñến gá lắp cơ học (mechanical attachment), tính nguyên vẹn của
ñóng gói (package integrity), mõi , v.v... Thử nghiệm rung ñộng step-stress ñược thực
hiện bằng cách gia tăng rung ñộng từ mức không cho ñến một bước ñịnh trước (tùy theo
nhận ñịnh kỹ thuật) trong tầm tần số ñặc thù. Chấn ñộng ñầu vào ñược liên tục nhảy bước
cho ñến khi có ñược mức vận hành và/hay mức phá hỏng. Thời gian duy trì cho mỗi rung
ñộng ñược ñịnh trước khi thử nghiệm. Các rung ñộng kích thích của từng mức ñịnh trước
ñược ñưa vào nhằm phát hiện có hỏng hóc có liên quan nhưng chưa ñuợc phát hiện ñến
mức rung ñộng cấp cao.
2.3 Thử nghiệm step stress về nhiệt/rung ñộng
Do tính tương tác của cơ chế hỏng hóc nhiệt ñộ/rung ñộng nên cần ñược kết hợp lại
trong HALT. Các cơ chế hỏng hóc này không thể ñược phát hiện dễ dàng với ñộc một
yếu tố stress. Cơ chế hỏng hóc tiềm tàng khi gặp các yếu tố stress ñồng thời sẽ tăng tốc
nhanh hơn. Áp dụng vào các cơ chế, thí dụ chế ñộ hỏng do mõi, thì thường bị ảnh hưởng
của tất cả môi trường (nhiệt ñộ và rung ñộng) một cách ñộc lập. Tuy nhiên, trong một số
trường hợp, chỉ cần một yếu tố tăng cường này hay một số yếu tố khác là phát hiện ngay
ñược chế ñộ hỏng hóc, chưa cần các thử nghiệm hỗn hợp. Trong thử nghiệm HALT hỗn
hợp, thường dùng sáu mức nhiệt ñộ cao của các bước nhiệt 10°C step-stress. Các mức
rung ñộng kết hợp bắt ñầu với khoảng xấp xỉ mức phân nữa mức rung ñộng “vận hành”
ñã tìm ñược trong quá trình thử nghiệm rung ñộng step-stress. Dùng một mức rung ñộng
trong mỗi lần của sáu bước nhiệt tăng cường. Việc thử nghiệm chuyển ñổi nhanh nhiệt ñộ
ñược thực hiện tiếp theo với ba mức rung ñộng cao vừa tìm ñược trong quá trình thử
nghiệm stress rung ñộng. Cần có báo cáo tổng kết thử nghiệm, cung cấp chi tiết các ñiểm
bất thường tìm ñược trong quá trình thử nghiệm HALT. Cần có tác ñộng hiệu chỉnh thích
hợp ñể sữa chửa, làm cho thiết kế có tính bền vững.
2.4 Chuyển ñổi nhanh nhiệt ñộ
ðây không phải là một thử nghiệm thừa, mà là thử nghiệm dùng sốc nhiệt hay thử
nghiệm theo chu kỳ ñể tìm ra cơ chế hỏng cơ - nhiệt (thí dụ, ñóng gói bị vỡ, các mối hàn,
dây nối vi mạch, vấn ñề giải nhiệt chưa ñúng, yếu tố mõi kim loại, v.v,...). Quá trình
chuyển ñổi nhiệt ñộ ñược thực hiện giữa nhiệt ñộ thấp và cao (lấy từ các nhận xét kỹ
thuật và kết quả thử nghiệm step-stress trước ñó). Thông thường, các giá trị này giảm
theo giới hạn làm việc. Nói chung cần thực hiện tốc ñộ thay ñổi nhiệt ñộ càng nhanh càng
tốt (trong ñiều kiện cho phép của phòng thử) và yếu tố ổn ñịnh nhiệt/khối lượng cho
phép. Như thế, nhiệt ñộ ñuợc duy trì ñủ lâu ñể nhiệt ñộ của khung ñở (chassis) ñạt ñược
ñiểm ñặt nhiệt. Cấp nguồn nhiệt cho ñơn vị thử khi chuyển ñổi nhiệt ñộ từ lạnh sang nóng
và tại nhiệt ñộ duy trì, ñồng thời tắt nguồn trong giai ñoạn từ nóng sang lạnh, thực hiện
với bốn chu kỳ nhiệt.
3. Thiết kế ñánh giá ñộ tin cậy ở cấp hỗn hợp và cấp cấu thành sản phẩm
DART còn ñuợc thực hiện trong cấp ñộ hỗn hợp và cấp ñộ cấu thành. Thử nghiệm
này có thể có hay không dùng thử nghiệm step-stress. Thử nghiệm phải ñuợc thiết kế ñặc
biệt trên từ yêu cầu
cụ thể. Hình 5 minh
họa chương trình
thiết lập cho quá
trình ñóng võ hỗn
hợp. ðiều chủ yếu
trong DART chính
là các khung thời
gian và chất lượng
thử nghiệm ñang
thực hiện. Thí dụ,
chuơng trình hình 5
ñược hoàn tất trong
thời gian ngắn hơn
hai tuần. Chu kỳ thời
gian thực còn phụ
thuộc vào tính sẵn
sàng của thử
nghiệm. Các thử
nghiệm mô tả ở ñây
cung cấp ñộ tin cậy kỹ thuật là ñơn vị thử ñã ñạt thử nghiệm về ñộ chính chắn của thiết
kế (Design Maturity Testing), thường thực hiện sau cổng giai ñoạn DART (Design
Assessment Reliability Testing). Thí dụ, thử nghiệm này bao gồm cả việc kiểm tra về
preconditioning, IR reflow, chu kỳ nhiệt (temperature cycling), phóng tĩnh ñiện (ESD),
các thử nghiệm nhiệt có yếu tố ẩm ñộ (temperature-humidity-bias tests), và các thử
nghiệm khác.
4. Tóm tắt
Chương trình thiết kế ñánh giá ñộ tin cậy rất quan trọng ñể thực hiện ñộ tin cậy trong
thế giới bán dẫn hiện nay. Nhiều ngành công nghiệp sống chủ yếu nhờ vào các chương
trình này. Tuy nhiên, theo hướng cổng giai ñoạn thì thiết kế ñánh giá ñộ tin cậy chỉ là một
cổng và không thể dùng ñể thay thế toàn bộ chương trình tăng trưởng ñộ tin cậy. Toàn
chương trình về ñộ tin cậy là cần thiết ñể ñáp ứng và làm gia tăng các kỳ vọng của khách
hàng