Способ неразрушающей диагностики интегральных схем Российский патент 2021 года по МПК G01R31/30 

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к способам обеспечения качества и надежности интегральных схем (ИС), и может быть использовано для разбраковки ИС по критерию потенциальной надежности, как на этапе производства, так и на входном контроле на предприятиях-изготовителях радиоэлектронной аппаратуры.

Существует большое количество методов неразрушающей диагностики ИС, в том числе по критическому напряжению питания (КНП) (Контроль микроэлектронных устройств методом критических питающих напряжений / Н.А. Алмина, В.Ю. Гаврилов, Н.Н. Номоконова // Контроль и техническая диагностика, 2010, №1. - С. 115 - 120) с использованием разных частот сигналов f_вх, подаваемых на логический вход ИС (Горлов М.И. Диагностика в современной электронике / М.И. Горлов, В.А. Емельянов, Д.Ю. Смирнов / Мн.: Интегралполиграф, 2011. - 313).

Предполагается, что на частотах, близких к предельным, отклонение от норм электрических параметров и их разброс проявляются значительнее, чем на более низких частотах, и становится возможным получить информативные зависимости параметров от внешних воздействий, а по их поведению оценить степень дефектности схемы и ее надежность. В общем случае с уменьшением частоты следования входных импульсов КНП уменьшается (Винокуров А.А. Диагностика интегральных схем по частотным характеристикам при различных напряжениях питания и температурах/А.А. Винокуров, М.И. Горлов, А.В. Арсентьев, Д.М. Жуков // Вестник ВГТУ, 2014, №3-1, с. 128-132). Частота следования входных импульсов типа меандр при проведении диагностики ИС была выбрана равной 1 МГц, т.к. это значение близко к пределу работоспособности ИС, например, типа М561ТМ2 (КМОП) и SN7474N (биполярные).

Было установлено, что с увеличением температуры ИС время нарастания выходного напряжения монотонно увеличивается. На фиг. 1 показаны зависимости разности времен нарастания выходного напряжения, измеренных при температурах 100°С и 20°С, от напряжения питания ИС типа М561ТМ2. Предполагается, что в бездефектной ИС время нарастания с понижением напряжения монотонно увеличивается. При уменьшении напряжения питания на некоторых кривых наблюдаются значительные перегибы (на фиг. 1 отмечены стрелкой), которые свидетельствуют о наличии дефектов.

На фиг. 2 приведена зависимость от напряжения питания U_пит разности времен нарастания выходного напряжения, измеренных при температурах 20°С и 100°С для ИС типа SN7474N, которая показывает, что в диапазоне напряжений питания от номинального до напряжения порядка 3,5 В эта разность мала и близка к нулю. При уменьшении напряжения питания ниже 3,5 В время нарастания выходного напряжения растет значительно быстрее при 20°С, чем при 100°С, так как время нарастания выходного напряжения начинает значительно увеличиваться только при приближении к КНП.

На фиг. 3 представлены зависимости времени нарастания выходного напряжения от температуры при напряжении питания 3 В. В отличие от большинства ИС, аномальный вид зависимости наблюдается у ИС1 и ИС4. Это свидетельствует о наличии в этих ИС отсутствующих в других ИС дефектов, которые активируются при температурах 60°С и 80°С у ИС1 и ИС4 соответственно. Из этого следует, что ИС1 и ИС4 являются менее надежными, чем остальные в выборке, а зависимость времени нарастания является характеристикой, наиболее чувствительной к наличию дефектов.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ диагностики, основанный на том, что на представительной выборке ИС подают на вход ИС прямоугольные импульсы входного напряжения со скважностью 2 при номинальном U_Пном напряжении питания и при пониженном напряжении питания U_Пкр, близком КНП, измеряют время нарастания импульса входного напряжения при номинальном напряжении питания τ(U_Пном) и время нарастания импульса входного напряжения при пониженном напряжении питания, близком КНП, τ(U_Пкр). В качестве отбраковочного принимается параметр η, равный произведению τ(U_Пном) × τ(U_Пкр). По величине отбраковочного параметра η осуществляется разделение партии ИС по уровням надежности (Воинов В.В. Метод контроля интегральных схем при пониженном питающем напряжении / В.В. Воинов, С.С. Кураченко // Тез. докл. III Всесоюзной конференции «Моделирование отказов и имитация на ЭВМ статических испытаний ИМС и их элементов». - Суздаль, 1989. - С. 210).

Недостатком этого способа является его низкая эффективность и большая погрешность при определении уровня надежности ИС. Как показано выше, информативным диагностическим параметром, чувствительным к дефектам ИС, является разность времен задержки (нарастания) входного напряжения, измеренных при номинальном и пониженном напряжении питания, которая является малой величиной по сравнению с абсолютным значением времени нарастания импульса входного напряжения.

Техническая задача состоит в повышении эффективности и достоверности разделения ИС на надежные и потенциально ненадежные.

Технический результат достигается заявляемым способом.

Способ неразрушающей диагностики интегральных схем, при котором на представительной выборке ИС подают на вход ИС прямоугольные импульсы входного напряжения со скважностью 2 при номинальном U_Пном напряжении питания и при пониженном напряжении питания U_Пкр, близком КНП, измеряют время нарастания импульса выходного напряжения τ(U_Пном). В отличие от известного способа, частоту прямоугольных импульсов входного напряжения устанавливают близкой к предельной рабочей частоте ИС данного типа, измеряют время нарастания выходного напряжения при изменении напряжения питания ИС от номинального до критического с шагом 0,2 В при двух температурах: комнатной температуре, близкой 20°С, и повышенной температуре, близкой 100°С, определяют зависимость разности времени нарастания импульсов выходного напряжения Δτ(U_пит), измеренных при указанных температурах, от напряжения питания, отбраковывают ИС как потенциально ненадежные по увеличению разности времени нарастания импульсов Δτ(U_пит) более чем на 10% от значения Δτ при критическом напряжении питания.

Пример

Отбраковочные испытания проводились на представительной выборке ИС М561ТМ2. Частота устойчивой работы схемы 1 МГц определена в ходе испытаний. Напряжение питания ИС менялось с шагом 0,2 В от 3 В до номинального U_Пном=5 В, согласно техническим условиям, и при разных температурах снимались показания времени нарастания импульсов выходного напряжения на установленной частоте работы ИС. На фиг. 4 показан график рассчитанных зависимостей от напряжения питания разности времени нарастания импульсов выходного напряжения Δτ при температуре 20°С и при температуре 100°С. За время нарастания Δτ принимается интервал изменения амплитуды выходных импульсов от минимальной не более 0,1 максимального значения амплитуды до значения не менее 0,9 максимального значения амплитуды. На графике показано: кривая 1 - вблизи КНП разность Δτ не увеличивается; кривая 2 - разность возросла примерно на 2% при напряжении питания 3,3 В; кривая 3 - разность возросла примерно на 18%, соответствующая ИС отнесена к потенциально ненадежной.

Технический результат достигается за счет того, что дефекты ИС заметно проявляются на зависимости разности времен нарастания выходного напряжения, измеренных при нормальной и повышенной температуре на частоте переключения входных импульсов, близкой к предельной, в виде немонотонных участков. При частоте входных импульсов, близкой к предельной, аномалии переходных процессов, обусловленные локальными дефектами структуры, проявляются сильнее. Тогда как у бездефектных ИС времена нарастания выходного напряжения с уменьшением напряжения питания как при нормальной, так и при повышенной температуре монотонно увеличивается, а разность этих времен - монотонно уменьшается. Испытания показали, что предложенный способ обеспечивает повышение эффективности и достоверности разделения ИС по надежности, благодаря воздействию двух факторов: предельной частоты переключения и режиму функционирования ИС при повышенной температуре.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для разбраковки интегральных схем (ИС) по критерию потенциальной надежности. Технический результат: повышение эффективности и достоверности разделения ИС на надежные и потенциально ненадежные. Сущность: при исследовании представительной выборки ИС частоту прямоугольных импульсов входного напряжения устанавливают близкой к предельной рабочей частоте ИС данного типа. Измеряют время нарастания выходного напряжения при изменении напряжения питания ИС от номинального до критического с шагом 0,2 В при двух температурах: комнатной температуре, близкой к 20°С, и повышенной температуре, близкой к 100°С. Определяют зависимость разности времени нарастания импульсов выходного напряжения Δτ(U_пит), измеренных при указанных температурах, от напряжения питания. Отбраковывают ИС как потенциально ненадежные по увеличению разности времени нарастания импульсов Δτ(U_пит) более чем на 10% от значения Δτ при критическом напряжении питания. 1 пр., 4 ил.

Способ неразрушающей диагностики интегральных схем, при котором на представительной выборке ИС подают на вход ИС прямоугольные импульсы входного напряжения со скважностью 2 при номинальном U_Пном напряжении питания и при пониженном напряжении питания U_Пкр, близком КНП, измеряют время τ(U_Пном) нарастания импульса выходного напряжения, отличающийся тем, что частоту прямоугольных импульсов входного напряжения устанавливают близкой к предельной рабочей частоте ИС данного типа, измеряют время нарастания выходного напряжения при изменении напряжения питания ИС от номинального до критического с шагом 0,2 В при двух температурах: комнатной температуре, близкой 20°С, и повышенной температуре, близкой 100°С, определяют зависимость разности времени нарастания импульсов выходного напряжения Δτ(U_пит), измеренных при указанных температурах, от напряжения питания, отбраковывают ИС как потенциально ненадежные по увеличению разности времени нарастания импульсов Δτ(U_пит) более чем на 10% от значения Δτ при критическом напряжении питания.