Способ контроля качества и надежности микросхем Советский патент 1986 года по МПК G01R31/28 

Изобретение относится к микроэлектронике и может быть использовано для контроля качества и надежности интегральных микросхем.

Цель изобретения - повышение эффективности контроля качества и надежности микросхем, доминирующие механизмы отказов которых обусловлены присутствием влаги (зарядовая нестабильность поверхности, коррозия металлизации).

На фиг. 1 изображена зависимость тока утечки микросхем серии 133 от температуры корпуса; на фиг. 2 - зависимость наработки на отказ от температурного изменения тока утечки; на фиг. 3 - пример схемы реализации способа контроля качества и надежности интегральных микросхем со свободным внутренним объемом.

В качестве информативного электрического параметра принята поверхностная проводимость кристалла, контроль которой осуществляется неразрущающими методами.

Физически поверхностная проводимость обусловлена миграцией зарядов. Величина поверхностной проводимости кристалла 6s пропорциональна количеству ионов различной природы rts

Znslis,(1)

где Z - заряд иона;

Xj - подвижность ионов.

При понижении температуры для ИС в герметичных корпусах со свободным внутренним объемом увеличивается относительная влажность среды В, а следовательно и степень заполнения поверхности кристалла ИС адсорбированными молекулами воды 0, т. к. они связаны пропорциональной зависимостью:

й-KB

Т+кв

где К - константа.

Пока влажность в подкорпусном пространстве , происходит заполнение мономолекулярного слоя и адсорбированные молекулы воды химически связаны с поверхностью и не влияют на величину поверхностной проводимости. Механизм локализации адсорбированных молекул заключается в образовании водородных связей между молекулой воды и центрами адсорбции.

Для качественно изготовленных ИС, относительная влажность в подкорпусном пространстве которых в нормальных условиях (НУ) ,1%, при охлаждении до -20°С не удается создать условия для адсорбции более одного монослоя воды, так как относительная влажность В 30%, следовательно, поверхностная проводимость, а значит и токи утечки, у качественно изготовленных ИС в рассматриваемом температурном диапазоне не увеличиваются, а монотонно уменьшаются, поскольку подвижность ионов пропорциональна температуре.

Если при изготовлении ИС допущены на- рущения требований технологического процесса и относительная влажность в свободном подкорпусном пространстве превышает при 20°С 0,1%, то при понижении температуры до -20°С адсорбирует более одного монослоя молекул воды, которые удерживаются на поверхности кристалла силами кулоновского взаимодействия и при наличии внешнего смещения могут перемещаться

по поверхности. Под действием тангенциальной составляющей внешнего электрического поля протекают электрохимические реакции воды , образующиеся при этом ионы увеличивают поверхностную проводимость кристалла ИС. Поэтому увеличение токов утечки при понижении температуры свидетельствует о том, что данная ИС изготовлена некачественно и влажность в подкорпусном пространстве выше, допустимой.

Увеличение поверхностной проводимости, а значит и токов утечки, при понижении температуры у некачественно изготовленных ИС происходит до тех пор, пока адсорбированная влага находится в жидком агрегатном состоянии. При замерзании адсорбированной влаги поверхностная проводимость кристалла ИС уменьшается.

Температура замерзания адсорбированной влаги ниже 0°С, поскольку при тонком слое жидкость может находиться в переохлажденном состоянии, и для ИС серии 133

равна -7°С. Таким образом, у некачественно изготовленных ИС при пониженных температурах наблюдается максимум тока утечки.

Поскольку увеличение тока утечки при понижении температуры обусловлено адсорбцией влаги, то надежность некачественно изготовленных ИС можно оценить по разности между максимальным значением тока утечки, измеренного при температуре замерзания адсорбированной влаги, и значекием при 20°С.

В присутствии адсорбированной влаги доминирующим механизмом отказов ИС является коррозия металлизации. Скорость коррозии пропорциональна току электролиза, величина которого равна разности тока утечки, измеренной при температуре замерзания и при 20°С.

V aJexp(

§.}

КТ

(2)

где а - эмпирическая константа;

/ - ток электролиза, Еа - энергия активации коррозии; К - постоянная Больцмана; Т - температура.

С другой стороны, скорость коррозии может быть определена как уменьшение числа атомов алюминия в единицу времени на участвующей в реакции площади раздела металл - Электролит. При этом справедливо следующее равенство.

.dJexp(-j

(3)

где N - количество атомов металла на площади раздела металл-электролит; / - время.

Отказ ИС происходит тогда, когда прореагирует некоторое критическое количество атомов алюминия jVKp, зависящее от конструк- тивно-технологических особенностей ЙС. Тогда, интегрируя выражение (3), получают

t... exp().

Для ИС серии 133 наиболее вероятна коррозия наименее удаленных от щины питания входов, т. е. в точках топологии, где щири- на металлизированной разводки наимень- щая, а напряженность электрического поля наибольщая.

Принимая за критерий отказа равенство радиуса коррозионных разрушений ширине металлизированной разводки (обычно коррозия начинается с края металлизации и далее распространяется по кольцу) Еа 0,4 эВ, ,,-7ут+2оЧ , Т 263°К, Т2 273°К, Тз ЗООК, определяют зависимость времени наработки ИС до отказа от величины тока электролиза (фиг. 2). Аналогичный характер имеет эта зависимость и для ИС других серий.

Таким образом, на основе измерения тока утечки при нормальной и пониженных температурах можем оценить качество изготовления ИС и их надежность.

Контроль качества и надежности ИС пред- лагаемым способом осуществляется следующим образом.

Исследуемую ИС подключают через коммутирующее устройство (для ИС в корпусах типа 401.14 - коммутирующее устройство УКУ-1-14П1П и УКМ) к измерителю тока (цифровой вольтметр В 7-27А, В 7-18, ЩЗО или другие) и блоку питания (Б 5-7 или любой другой УИП). Измеряется ток утечки по цепи щина питания - земля. Схема из- мерения тока утечки и критерии годности выбираются в соответствии с ТУ ИС. Если величина тока утечки превышает допустимое значение, то ИС бракуется, если же величина тока утечки находится в допустимых пределах, то ИС помещается в камеру холода, температура в которой понижается от нормальной до-20°С. Через каждые 1 - 2°С измеряется ток утечки и сравнивается с предыдущим. Если наблюдается монотонное уменьшение тока утечки, то ИС признается качественной. Если наблюдается увеличение тока утечки, даже не превышающее максимально допустимое значение, то при изготовлении данной ИС допущены на

Ю

15

20

jr 30

3545 50рущения и относительная влажность в под- корпусном пространстве превышает допустимое значение. Такие ИС бракуют. Критерий отбраковки выбирается по выражению (4). Схема реализации способа содержит контролируемую интегральную схему 1, блок 2 коммутации, измеритель 3 тока утечки, блок 4 питания, камеру 5 холода, регистрирующий блок 6, входом соединенный с выходом объекта контроля, вход которого подключен с выходом 3 измерителя 3 тока утечки, входом соединен с выходом блока 4 питания.

Яр«.«ер.Отработано 200 микросхем серии 133 (133 ЛАЗ) с приемкой 5 с этапа поставки и перепроверены на соответствие требованиям Т У по статическим и динамическим параметрам и уровня натекания. Все 200 микросхем соответствовали требованиям. Для отобранных микросхем проведена оценка температурной стабильности тока утечки по цепи щина питания-земля, по результатам которой к классу А отнесено 1,5% микросхем, а к классу Б 98,5%, причем ток утечки микросхем группы А увеличивался при понижении температуры на 0,73; 1,05 и 1,37 мкА соответственно.

После оценки температурной стабильности токов утечки все 200 ИС были испытаны на безотказность при температуре окружающей среды Тнсп -7°С. Испытания продолжали до выхода из строя всех трех микросхем группы А, которые проработали соответственно 167,112 и 89 ч.

По окончании испытаний все 200 микросхем подвергули физико-техническому анализу, программа которого включала внешний осмотр, проверку герметичности (малые и грубые течи), измерение статических параметров в допустимом температурном диапазоне, измерение динамических параметров по программе приемо-сдаточных испытаний, вскрытие и визуальный осмотр кристалла микросхем. В результате анализа установлено, что микросхемы группы А отказали из-за коррозии металлизации, а у ИС группы Б никаких отклонений от ТУ не обнаружено.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет контролировать качество и надежность микросхем в корпусах со свободным внутренним объемом.

Формула изобретения

Способ контроля качества и надежности микросхем, заключающийся в том, что микросхемы охлаждают в камере холода, измеряют информативный электрический параметр, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности контроля, предварительно перед охлаждением измеряют информативный электрический параметр при 20°С, в процессе охлаждения микросхем до

-20°C измерение информативного электрического параметра производят через каждые 1-2°С, за информативный электрический параметр принимают значение тока утечки по цепи шина питания - общая шина, о качестве микросхем судят по изменению тока утечки в процессе охлаждения, о надежности микросхем- - по минимальному значению разности токов утечки, измеренных в диапазоне температур О-10°С и при 2G°C исходя из формулы

(-),

где отк - время наработки на отказ; Еа - энергия активации коррозии;

J Лутлаие

-7ут(-2о°с- минимальная разность токов утечки;

К- постоянная Больцмана; Т-температура по Кельвину; А - эмпирическая константа.

Изобретение относится к области микроэлектроники. Цель изобретения - повышение эффективности контроля качества и надежности микросхем, механизмы отказов которых обусловлены присутствием влаги. Способ основан на измерении информативного электрического параметра (ИП), в качестве которого принимается поверхностная проводимость кристалла, т. е. значение тока утечки по цепи шина питания - общая шина. ИП измеряют при температуре 20°С и в процессе охлаждения до температуры -20°С. Причем в процессе охлаждения до температуры -20°С измерение ИП производят через каждые 1-2°С. О качестве микросхем судят по изменению тока утечки в процессе охлаждения, а об их надежности - по минимальному значению разности токов утечки, измеренных в диапазоне температур О-10°С и при 20°С, исходя из формулы (), где /огк - время наработки на отказ; Еа - энергия активации коррозии; J Jfrmax-Tyt za c. - МИНИМаЛЬНЗЯ рЗЗность токов утечки; К. - постоянная Больц- мана; Т - температура по Кельвину; А - эмпирическая константа. Устройство, реализующее способ, содержит интегральную микросхему И, блок 2 коммутации, измеритель 3 тока утечки, блок 4 питания, камеру 5 холода и регистрирующий блок 6. 3 ил. 9 ю to 00 о СП го Фиг.З

«

jpunnaB грдппоД

/:

гр

/:

-гд -10 о 10 Фиг.}

20 t,i:

то

т

юV

0,01

0.1

т к

10

100

iJur,

АГАТА

Редактор Л. Пчелинская Заказ 2005/47

Составитель Н. Помякшева Техред И. ВересКорректор А. Обручар

Тираж 728Подписное

ВНИИПИ Государственного комнтета СССР

по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4