УДК 620.179.17

ДИАГНОСТИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

ПО ПАРАМЕТРАМ НИЗКОЧАСТОТНОГО ШУМА

¹Воронежский государственный технический университет,

Россия 394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84

²УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Росссия 432073 Ульяновск, ул. Гончарова, 48/2

³Ульяновский государственный технический университет,

Россия 432029 Ульяновск, ул. Серверный венец, 32

E-mail: ^*m-gorlov@inbox.ru; ^**sva@ulstu.ru

Поступила в редакцию 07.12.2021; после доработки 17.12.2021

Принята к публикации 17.12.2021

Рассмотрена возможность и описаны практические способы диагностики и прогнозирования надежности полупро-

водниковых изделий как по параметрам только их собственного низкочастотного (НЧ) шума, так и по параметрам ком-

бинированных испытаний, например, по результатам измерения НЧ шума при воздействии электростатического разряда

и (или) термического отжига. Представлены оценки достоверности рассмотренных способов. Показано, что достовер-

ность комбинированных испытаний приближается к единице.

Ключевые слова: интегральные схемы, качество, надежность, низкочастотный шум, диагностика, прогнозирование.

DOI: 10.31857/S013030822201002X

ВВЕДЕНИЕ

В семидесятые годы прошлого века Воронежский завод полупроводниковых приборов (ВЗПП)

приступил к серийному производству интегральных микросхем (ИС) по технологии с оксидной

изоляцией карманов серий 106, 134, получивших широкое применение в космическом приборо-

строении. Потребители ИС, как правило, проводили входной контроль полученных от ВЗПП ИС.

При этом для повышения надежности аппаратуры потребители использовали расширенный вход-

ной контроль ИС. От одного из потребителей завод получил рекламацию и возврат партии ИС,

которые имели большой разброс по уровню низкочастотного (НЧ) шума, что, по мнению потреби-

теля, свидетельствовало о потенциальной ненадежности ИС. Представленные образцы ИС, кото-

рые по данным потребителя показывали большой уровень НЧ-шума, были поставлены на ВЗПП

на испытания на долговечность в течение 5000 часов. Испытания этой партии закончились без от-

казов, но работа по повышению качества и надежности ИС на ВЗПП на этом не прекратилась. Этот

случай послужил толчком для активных работ на предприятии по исследованию возможностей

диагностики и прогнозирования надежности ИС по параметрам НЧ-шума.

В те годы исследования методов диагностики и прогнозирования надежности полупроводнико-

вых изделий по параметрам НЧ-шума широко проводились в отечественных [1—4] и зарубежных

[5] вузах и лабораториях. Наряду с фундаментальными исследованиями природы и характеристик

НЧ-шума полупроводниковых изделий (ППИ) под руководством Н.Б. Лукьянчиковой [2], А.К. На-

рышкина и А.С. Врачева [3], В. Жалуда и В.Н. Кулешова [4] и др. активно развивались и приклад-

ные исследования [1, 6].

Прикладные исследования диагностических методов с использованием параметров НЧ-шума

в качестве информативного параметра продолжаются и в настоящее время как в России [7], так и

за рубежом [8].

Цель данной статьи — показать возможности и привести оценку эффективности разработан-

ных, апробированных на практике и получивших дальнейшее развитие в последние годы в ВГТУ

и УФИРЭ им. В.А. Котельникова РАН способов разделения ИС по надежности с использованием

параметров НЧ шума и дополнительных воздействий.

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНО НЕНАДЕЖНЫХ ИС

ПО ПАРАМЕТРАМ СПЕКТРА НЧ-ШУМА

Первые работы по определению возможности индивидуального прогнозирования потенциаль-

но ненадежных ИС по критериям спектра НЧ-шума появились еще в семидесятые годы прошлого

М.И. Горлов, В.А. Сергеев

века. Как показали многочисленные исследования, частотная зависимость спектральной плотно-

сти мощности S_ш(f) шумового напряжения у ИС различных классов и типов в диапазоне звуковых

частот описывается выражением:

S_ш(f) = A/f -γ ,

(1)

где А — параметр, характеризующий уровень шума; γ — показатель формы спектра; НЧ-шум на-

зывают еще 1/f-шумом или фликкер-шумом.

Измерив параметры спектра НЧ-шума на нескольких частотах, можно определить уровень

шума на любых низких частотах и пробовать прогнозировать дрейф параметров ИС по величи-

не и амплитуде шума [1, 8, 9]. Измерения, например, спектра шума аналоговых ИС типа 142ЕН1

(стабилизатор напряжения) на специализированной установке для измерения теплоэлектрических

параметров интегральных схем показали [6], что разброс по уровню шума различных образцов ИС

достигает двух порядков величины. Аналогичные спектральные характеристики наблюдались у

НЧ-шума на выходе аналоговых операционных усилителей К153УД при номинальном напряжении

питания.

Гистограммы распределения выборки ИС типа 142ЕН2 в количестве 130 шт. и выборки ИС

типа К153УД в количестве 172 шт. по спектральной плотности мощности шума, измеренной при

номинальном напряжении на частоте 300 Гц, приведены на рис. 1.

n_i, шт.

S_ш, В²/Гц

1,77∙10^-14

1,72∙10^-12

2,04∙10^-13

1,93∙10^-12

Рис. 1. Гистограммы распределения ИС типа К142ЕН2 (а) и типа К153УД (б) по уровню НЧ-шума.

На обеих гистограммах можно выделить группы ИС (вторые моды распределения) с аномаль-

но большим отклонением уровня шума от среднего значения. Эти группы ИС при ускоренных на

надежность испытаниях отказывают с интенсивностью, превышающей среднюю интенсивность

отказов примерно в 3-5 раз.

Однако простое измерение уровня шума ИС в номинальном режиме их работы является недо-

статочно информативным. Анализ спектрограмм НЧ-шума тонкопленочных резисторов, диодов,

транзисторов и ИС показывает, что спектры таких флуктуаций занимают промежуточное поло-

жение между линейчатыми и сплошными спектрами [9]. Это позволяет предполагать наличие не-

которой регулярности в процессах, приводящих к их появлению, и связи этих шумов с неоднород-

ностями и дефектами изделий.

В подтверждение этой идеи были исследованы спектры НЧ-шума ИС серии 106 (биполяр-

ные ТТЛ ИС с диэлектрической изоляцией карманов). Для обоснования режимов и норм при

измерении характеристик НЧ-шума были исследованы распределения уровня шума ИС для

различных частот на разных партиях, зависимости уровня шума от величины нагрузки, вели-

чины входного напряжения, от температуры в диапазоне от -70 до +170 °С при определенном

напряжении питания ИС.

При измерении шумов при различных температурах обнаружен довольно сильный разброс зна-

чений от образца к образцу (до 40 % от среднего значения). Рост шумов при нагревании до +170 °С

незначителен. Несколько больше замечен рост шумов при охлаждении до -70 °С. Это подтвержда-

ет механизм возникновения шума типа 1/f при низких температурах, когда плотность поверхност-

ных состояний возрастает к краю от зоны проводимости, что приводит к росту шума.

Дефектоскопия

№ 1

2022

Диагностика полупроводниковых изделий по параметрам низкочастотного шума

При постоянном напряжении питания U_пит уровень шума ИС зависит от величины нагрузки

и величины входного напряжения. Максимальное значение шумового напряжения на всех часто-

тах данного эксперимента (160 Гц, 1 кГц, 20 кГц, 1 МГц, 5 МГц) обнаруживается при входных

напряжениях 1,3 — 1,4 В при U_пит = 4,5 В и сопротивлении нагрузки 470 Ом (активная область

передаточной характеристики). В этом режиме проходили и все дальнейшие исследования шумов

ИС серии 106. В работах [10,11] показано, что для информативности достаточно ограничиться

частотами 160 Гц и 1кГц.

Измерение мощности шума или среднего квадрата шумового напряжение (Uш

) проводили на

специализированной установке по методу прямого усиления с непосредственным отсчетом на лам-

повом вольтметре. Усилитель низкой частоты с набором Т-образных полосовых фильтров, настро-

енных на средние частоты 160 Гц и 1 кГц, имеет соответствующие коэффициенты усиления для

этих частот. Питание установки и исследуемых ИС осуществляли от аккумуляторов, узлы установ-

ки тщательно экранировались. Измеряли шумовые характеристики ИС, их статические и динами-

ческие параметры в процессе длительной электротермотренировки (ЭТТ) для получения характера

распределения отказов во времени от режима ЭТТ и связи этих параметров с шумовыми критери-

ями. Интегральные распределения статических, динамических и шумовых параметров ИС в про-

цессе различных внешних воздействий позволили выявить информативные электрические пара-

метры, нестабильность которых сказывается на поведении шумовых характеристик. Ухудшение

таких параметров схем, как U_OL, U_OH, I_{пит.дин}, I_пит.ст, вызывает ухудшение шумовых характеристик. В

дальнейшем эти параметры были использованы для прогнозирования потенциально ненадежных

ИС по критериям НЧ-шума.

Таблица

Виды дефектов и количества отказов ИС при испытаниях

Распределение ИС

, мВ²,

Количество отказов при испытаниях на

на частотах

Отличительный

ЭТТ при

безотказность

надежность при 25 °С

признак

160 Гц

1 кГц

125 °С в

при 125 °С и

и 50 Гц в течение, ч

течение, ч

50 Гц в течение, ч

80-130

130-190

40-80

80-140

100

500

1000

2000

3000

4000

Недошлифовка

карманов (21 шт.)

Зауженная

металлизация

(50 шт.)

Растравление

оксида под

металлизацией

(25 шт.)

Локальная

неравномерность

оксида (28 шт.)

Дырки в оксиде и

дефекты

включения в SiO

(20 шт.)

Бездефектные

(50 шт.)

Для исследования отбирались кристаллы ИС с определенными видами дефектов и рассматри-

валось влияние этих дефектов на электропараметры и шумы. Виды отказов и число отказов ИС

показаны в табл. 1 [12]. Видно, что 10 % ИС из всех партий имеют уровень шума выше уста-

Дефектоскопия

№ 1

2022

М.И. Горлов, В.А. Сергеев

новленных критических значений

U_ш

> 130 мВ² на частоте 160 Гц и

U_ш

> 80 мВ² на частоте

1 кГц. Анализ причин отказов ИС при испытаниях показал, что являются недопустимыми в про-

цессе производства и имеют связь с шумами типа 1/f следующие дефекты:

растравливание оксида под металлизацией;

растравливание оксида по дефекту фотошаблонов (локальная неравномерность) на элементы

схемы;

дырки в оксиде, расположенные на p—n-переходах и вблизи p—n-перехода, приводящие к воз-

никновению паразитных утечек или ухудшению изоляции схемы;

дефекты включения в оксид, расположенные в элементах ИС или на границе p—n-переходов.

ИС с допустимыми по технологическому циклу дефектами (недошлифовка, зауженная метал-

лизация и др.) и уровнем шума ниже установленных критериев не имеют отказов при наработке до

15000 ч. При соответствующем режиме измерения уровень НЧ-шумов ИС характеризует основной

механизм параметрических отказов ИС за счет поверхностных дефектов. Выявлено, что основ-

ным механизмом деградации кремниевого p—n-перехода является процесс инверсии поверхности,

энергия активации которого мала. Это обстоятельство определяет выбор воздействующего фактора

для быстрого выявления процесса инверсии какого-либо перехода в ИС. Таким эффективно воз-

действующим фактором является повышенное напряжение питания ИС (10 В), при котором про-

цессы деградации проявляются в аномальных значениях уровня избыточных шумов, значительно

превышающих уровни установленных критических значений. Критериями шумовых характери-

стик при отбраковке ИС серии 106 являются величины

U_ш

, S_ш на частоте 160 Гц (Uш

> 130 мВ²,

S_ш1 > 1,3 мкВ²/Гц) и на частоте 1кГц (Uш

> 80 мВ², S_ш2 > 0,08 мкВ²/Гц).

Таблица

Количество фактически отказавших ИС при испытаниях различных видов

Вид испытания

ЭТТ

Наименование

Сводные

Обозначение

(ступен-

(форсиро-

ЭТТ (режим

этапов расчета

данные

чатый

ванный

ТУ при

по

режим при

125 °С)

5 партиям

125 °С)

25 °С)

125 °С)

25 °С)

Количество схем

360

121

224

500

1300

Количество

N₁

отказов

Процент отказов

(N₁/ N) ×100

11,4

5,8

4,46

3,16

0,2

4,8

Количество

отказов,

n₁

прогнозир. по

шумам

Количество

годных схем,

прогнозир. по

n₂

134

229

шумам, как

отказавших

Суммарное

количество

(n₁+n₂)

166

279

пргнозир. отказов

Процент

(n₁+n₂)×100/N

46,1

38,8

10,7

21,1

4,4

21,5

прогнозир. отказов

Процент

прогнозир. отказов

N₁×100/(n₁+n₂)

19,3

12,8

33,3

4,5

по шумам

Процент отказов

(N₁- n₁) ×100/

не прогнозир. по

4,6

1,3

0,01

1,18

(N - n₁+n₂)

шумам

Как видно из табл. 2 (сводные данные), процент фактически отказавших ИС равен 4,8 вместо

21,5 % (ожидаемого по прогнозу), что составляет всего 17,9 % отказавших ИС от числа прогнози-

руемых. В то же время отказало 1,18 % ИС, годных по шумовым критериям.

Дефектоскопия

№ 1

2022

Диагностика полупроводниковых изделий по параметрам низкочастотного шума

Поэтому, на наш взгляд, из-за малой достоверности методов, использующих шумовые крите-

рии, они не могут быть рекомендованы в состав отбраковочных испытаний как методы индивиду-

ального прогнозирования потенциально ненадежных ИС, но могут быть применены для сравнения

различных технологических партий. Это мнение получило подтверждение в работе [13], где изло-

жены результаты измерений шумовых характеристик кристаллов ИС на пластинах на специально

разработанной авторами высокочувствительной установке. Эти измерения позволяют:

проводить отбраковку сильношумящих изделий прямо на пластине;

оперативно устанавливать источники и причины появления НЧ-шума в процессе изготовления

изделий и вносить коррекции в соответствующие технологические режимы;

выяснить влияние операций резки, монтажа и сборки на шумовые характеристики изделий и

отрабатывать их оптимальные режимы;

получать данные о степени неоднородности распределения шумовых характеристик на пла-

стинах.

Измерение спектральной плотности шумового напряжения, приведенной к входу изделия

(ИС, транзистора), показало совпадение уровней шума в ИС на пластине и в готовых изделиях.

Это указывает на то, что операции сборки, выполняемые при изготовлении ИС из годных кри-

сталлов на пластине, обычно не вносят дополнительного шума даже в тех случаях, когда шум

схем весьма мал.

РАЗДЕЛЕНИЕ ИС ПО НАДЕЖНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПАРАМЕТРОВ НЧ-ШУМА

Разработка и проверка первых трех методов проводились на ИС типа К137ЛЕ2 (2 элемента

ЗИЛИ—НЕ в 14 выводном корпусе DIP, эмиттерно-связанная логика).

Для эксперимента было отобрано методом случайной выборки 20 ИС типа К137ЛЕ2. Изме-

рение

U_ш

проводилось для одного элемента ЗИЛИ—НЕ-схемы методом прямого измерения без

подачи напряжения общего питания с заданием рабочего тока через выводы «вход — общая точка»

от внешнего источника напряжения. Измерения

U_ш

проводилось в диапазоне частот 900—1100 Гц

(центральная частота 1 кГц, полоса частот Δf = 200 Гц, время усреднения τ = 2 с).

Первый способ оценки надежности основан на анализе зависимости

U_ш

от тока для входных

выводов, полученной по результатам вышеописанного эксперимента (рис. 2).

Из рис. 2 для наихудшей (ИС № 2) и наилучшей (ИС № 4) зависимостей видно, что при значе-

нии тока до 8 мА зависимость

U_ш

от тока имеет вид прямой, а при значениях тока 10 мА у ряда

схем значение

U_ш

резко возрастает, поэтому измерение

U_ш

проводили при двух значениях тока: 6

и 10 мА.

², мВ²

ИС № 2

ИС № 4

Ток, мА

Рис. 2. Зависимость U

²от тока по выводам «вход—общая точка».

В табл. 3 приведены значения

U_ш

при токах 6 и 10 мА и коэффициент их относительного

изменения

U_ш

: K =

U_ш

с увеличением тока.

Дефектоскопия

№ 1

2022

М.И. Горлов, В.А. Сергеев

Таблица

Уровень шума (U

2 ) ИС типа К137ЛЕ2 при токах 6 и 10 мА и коэффициент

их относительного изменения

Значения U

², мВ², при токе, мА

№ ИС

K = U

ш10

/ U

ш6

1,36

2,06

1,23

1,00

1,05

1,48

1,43

1,19

1,32

1,46

1,33

1,25

1,20

1,22

1,06

1,33

1,43

1,64

Если выбрать критерий, что для надежных схем K < 1,5, то схемы № 2, 20 по этому критерию

будут потенциально ненадежными.

Второй способ является способом разделения ИС по надежности. Он основан на зависимости

U_ш

от напряжения питания. Результаты измерения уровня НЧ-шума 20 ИС при напряжении пи-

тания 2 В (значение критического напряжения питания для ИС данного типа) и 5 В (номинальное

напряжение питания) представлены в табл. 4, где приведены также значения относительного уве-

личения интенсивности шума K =

U_ш

/Uш

Если выбрать критерий, что для надежных схем K < 2,8, то схемы № 2, 20 по этому критерию

будут потенциально ненадежными. Можно разделить партию по надежности на три группы: ИС по-

вышенной надежности, имеющие значение K < 2 (схемы № 3, 4, 9, 14, 15, 16, 17); ИС с надежностью,

соответствующей техническим условиям, имеющие значения 2 < K < 2,8 (схемы № 1, 5, 6, 7, 8, 10, 11,

12, 13, 18, 19) и ИС потенциально ненадежные, имеющие значение K > 2,8 (схемы № 2, 20).

Подтверждение разделения партии ИС на надежные и потенциально ненадежные было полу-

чено в результате испытаний на безотказность (500 ч, повышенная температура, максимально до-

пустимая нагрузка), когда ИС № 2, 20 имели параметрический отказ.

Третий способ также является способом разделения ИС по надежности. Этот способ более до-

стоверный, поскольку активация дефектов в структуре ППИ имеет температурную зависимость, но

более трудоемкий. Он основан на зависимости

U_ш

от температуры. Прямой рабочий ток, проходя

по структуре ИС, позволяет регистрировать

U_ш

, порожденный дефектами структуры, имеющими

температурную зависимость [11]. Для каждой ИС по результатам измерений подсчитывался коэф-

фициент K по формуле:

−U

ш100

ш25

ш0

(2)

U_ш

где

U_ш

— значения уровня шума при температурах, соответствующих нормальной,

100

нулевой и 100 °С.

Дефектоскопия

№ 1

2022

Диагностика полупроводниковых изделий по параметрам низкочастотного шума

Таблица

Уровень НЧ-шума ИС типа К137ЛЕ2 при двух значениях напряжения питания

Значения U

², мВ², при напряжении питания, В

№ ИС

K = U

/ U

ш5

ш2

130

2,50

190

3,80

148

1,92

1,51

110

2,12

142

2,73

143

2,60

128

2,67

112

1,90

129

2,43

147

2,53

122

2,22

112

2,11

127

1,87

141

1,81

111

1,76

1,64

140

2,50

128

2,56

164

2,83

Данные измерений и коэффициента K представлены в табл. 5. Если выбрать критерий для на-

дежных схем K < 0,7, то схемы № 2, 5 будут потенциально ненадежными.

Таблица

Уровень НЧ-шума ИС типа К137ЛЕ2 при различных температурах

², мВ², при токе 6 мА и температуре

№ ИС

№ вывода

0°С

25°С

100°С

0,5

0,43

0,91

0,97

0,91

0,45

0,4

0,47

0,27

0,75

0,71

0,73

Четвертый способ — способ разделения ИС по надежности с использованием показателя

формы спектра НЧ-шума апробирован на ИС типа КР537РУ13 (статическое ОЗУ, выполненное по

Дефектоскопия

№ 1

2022

М.И. Горлов, В.А. Сергеев

технологии КМОП, напряжение питания по ТУ 5 В ± 10 %). Методом случайной выборки было

отобрано 10 ИС указанного типа, у которых методом прямого измерения измерялось значение

U_ш

по выводам «питание — общая точка» на частотах 200 Гц и 1 кГц, ширина полосы частот ∆f —

200 Гц, время усреднения τ = 2 с [14].

Для предварительной оценки были измерены зависимости

U_ш

на частоте 1000 Гц от напряже-

ния питания на 5 ИС данного типа (рис. 3). Из рис. 3 видно, что при питании 5 В происходит более

заметный разброс значений

U_ш

отдельных ИС. Именно это значение напряжения было выбрано

для измерения шума на частотах 200 Гц и 1 кГц (табл. 6). Параметр показатель формы спектра γ

определяли из выражения (1) по следующей формуле:

(

)

ш200

ш1000

γ=

=1,43lg

(3)

(

ш200

ш1000

)

(

1000 200

)

где

U_ш

200

U_ш

1000

— значения шума на частотах 200 и 1000 Гц соответственно.

², мВ²

ИС № 5

100

ИС № 2

ИС № 1

ИС № 4

ИС № 3

U_пит, В

Рис. 3. Зависимость уровня шума на выводах «питание — общая точка» от напряжения питания для ИС типа КР537РУ13.

Если выбрать критерий для надежных схем γ < 1,3, то схемы № 5, 8 будут потенциально нена-

дежными.

Таблица

Уровень НЧ-шума ИС типа К137ЛЕ2 на двух частотах

Значение шума U

², мкВ², на частотах, Гц

№ ИС

200

1000

439,9

1,16

553,8

1,21

203,3

0,98

394,5

1,13

786

1,3

419,7

1,14

201,6

0,96

833,4

1,33

303,5

1,05

534,3

1,22

Можно разделить партию по надежности на три группы: ИС повышенной надежности, име-

ющие значение γ < 1 (схемы № 3, 7); ИС с надежностью, соответствующей техническим усло-

Дефектоскопия

№ 1

2022

Диагностика полупроводниковых изделий по параметрам низкочастотного шума

виям, имеющие значения 1 < γ <1,3 (схемы 9, 4, 6, 1, 2, 10), и ИС — потенциально ненадежные,

имеющие значение γ < 1,3 (схемы № 5,8). При проведении испытаний на безотказность (500 ч,

85 °С) ИС № 5, 8 имели параметрические отказы.

Пятый способ — способ разделения ППИ по надежности с использованием параметров шума

и воздействия электростатических разрядов (ЭСР), который заключается в том, что на партии ППИ

проводят измерения уровня НЧ-шума при нормальных условиях, затем воздействуют 5—10 им-

пульсами ЭСР обоих знаков допустимой по ТУ величины, проводят температурный отжиг при

максимально допустимой по ТУ температуре кристалла прибора в течение 4—6 ч и вновь измеря-

ют уровень шума при нормальной температуре. Определяют разность уровней шума при началь-

ном замере и после отжига для каждого ППИ: ∆ = (Uш

-Uш

). ППИ считается более надежным

отж

при выполнении критерия: ∆ < А. Величина А устанавливается по набору статистики для каждого

типа приборов [14—16].

Пример осуществления способа приведен в работе [17]. На 23 полупроводниковых резисторах

интегральной схемы типа КА1034НРЗ были измерены значения уровня шума до, после воздей-

ствия пятью импульсами ЭСР напряжения амплитудой ± 800 В и после отжига при температуре

100 °С в течение четырех часов и представлены в табл. 7.

Таблица

Значения уровня шума ИС типа КА1034НРЗ до, после воздействия ЭСР и после изотермического отжига при

температуре 100 °С в течение четырех часов

Значение U

², мВ²

№ прибора

∆, мВ²

начальное

после ЭСР

после отжига

1,9

2,8

1,9

1,8

2,6

1,9

0,1

1,95

2,7

2,0

0,05

2,05

3,8

2,05

3,00

4,8

2,8

0,2

1,98

2,7

1,98

2,15

3,9

2,25

0,1

1,2

4,0

2,4

0,2

2,58

4,0

2,68

0,1

2,35

4,2

2,45

0,2

1,98

2,8

1,98

2,5

3,9

2,7

0,2

2,32

3,5

2,4

0,08

2,4

3,7

2,6

0,2

3,2

5,0

3,6

0,4

2,6

4,2

2,7

0,1

2,9

4,7

3,1

0,2

2,8

4,8

3,0

0,2

2,0

3,0

2,0

2,1

3,4

2,2

0,1

1,95

2,6

1,95

2,35

3,7

2,55

0,2

2,19

2,9

2,22

0,03

Получены следующие данные по величине ∆ = (Uш

U_ш

отж

): 6 приборов имели разность

уровня шумов до и после воздействия, равную 0 мВ²; 8 приборов < 0,1 мВ²; 8 приборов < 0,2 мВ²;

1 прибор < 0,4 мВ².

Дефектоскопия

№ 1

2022

М.И. Горлов, В.А. Сергеев

Если принять для данного типа приборов критерий для более надежных приборов < 0,1 мВ², то

приборы № 1, 2, 3, 4, 6, 7, 9, 11, 13, 16, 19, 20, 21, 23 будут более надежными, чем приборы № 5, 8,

10, 12, 14, 15, 17, 18, 22.

Шестой способ. Способ разделения ИС по надежности с помощью НЧ-шумов и термоци-

клирования.

С целью повышения достоверности термоциклирования и повышения его функциональных

возможностей проводится измерение НЧ-шума до термоциклирования и после. Проведение со-

ставных испытаний «контроль уровня шума + термоциклирование + контроль уровня шума» по-

зволит рассматривать поведение каждого изделия, его предрасположенность к ранним или позд-

ним отказам.

Термоциклирование проводят в диапазоне крайних температур, допустимых по техническим

условиям на изделие. Количество термоциклов не менее десяти.

Для достаточной выборки ППИ из партий одного типа находят коэффициент увеличения значе-

ний НЧ-шума после термоциклирования в сравнении с начальным значением. Выбирается крите-

рий увеличения шума. ИС, у которых коэффициент увеличения шума будет больше установленно-

го критерия, считается потенциально ненадежным [18].

В качестве примера проведен эксперимент на 12 ИС — операционных усилителей ОРА735

(выполненных по технологии КМОП) с диапазоном значений напряжения питания по ТУ 2,7 —

12 В) в 8 выводном корпусе DIP. Среднеквадратичное напряжение шума

U_ш

измерялось методом

прямого измерения по выводам «питание—общая точка» на частоте 1000 Гц после проведения

каждого термоцикла (0—100°С с выдержкой при каждой температуре 30 мин). Схема включения

ИС — повторитель (инвертирующий вход соединен с выходом) с заземленным неинвертирующим

входом. Напряжение питания выбрано 8 В, так как при этом значении наблюдается середина участ-

ка постоянного значения

U_ш

Результаты измерений при составных испытаниях «контроль уровня НЧ-шума + термоци-

клирование + контроль уровня НЧ-шума», а также значения относительного изменения шума

N =

U_ш

/Uш

, где

U_ш

— значение шума до термоциклирования и после 10 термоци-

тц

нач

тц

клов соответственно, когда происходит достаточно большой разброс значений шума ИС в партии

по сравнению с исходным значением, представлены в табл. 8 [19].

Таблица

Значение U

², мкВ², в цепи питания ИС типа ОРА735 при термоциклировании

Количество термоциклов

№ ИС

2,50

2,55

2,65

2,68

2,82

2,88

1,15

2,69

2,97

3,03

3,08

3,24

3,28

1,22

2,49

2,58

2,62

2,63

2,80

2,89

1,16

2,54

2,70

2,74

2,82

2,88

2,93

1,15

2,31

2,37

2,41

2,43

2,48

2,49

1,08

2,53

2,70

2,75

2,82

2,91

2,99

1,18

2,51

2,66

2,72

2,77

2,84

2,86

1,14

3,13

3,31

3,59

3,76

3,86

3,88

1,24

2,71

2,93

3,04

3,06

3,12

3,16

1,16

2,41

2,52

2,57

2,65

2,69

2,72

1,13

2,61

2,80

2,91

2,99

3,02

3,06

1,17

2,53

2,65

2,74

2,79

2,84

2,91

1,15

Установив коэффициент N < 1, 2 для надежных ИС, можно сказать, что схемы № 2, 8 будут

потенциально ненадежными. Для проверки данного вывода все ИС были подвергнуты 200 термо-

циклам. Схемы № 2, 8 показали снижение электрического параметра — частоты единичного уси-

ления ниже нормы, установленной техническими условиями, а значение тока покоя в цепи питания

у данных схем увеличилось в 2-3 раза, в то время как у остальных схем осталось практически без

изменений.

Дефектоскопия

№ 1

2022

Диагностика полупроводниковых изделий по параметрам низкочастотного шума

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ

ПО РАЗЛИЧНЫМ КРИТЕРИЯМ

Эффективность диагностических методов прогнозирования надежности определяется степе-

нью корреляционной связи между данными диагностических методов и результатами испытаний

на надежность в течение 1000 ч. Представим результаты разбраковки ППИ каждым из диагности-

ческих методов в виде двух уровней надежности в числовой форме: потенциально менее надежные

изделия символом «-1», приборы средней надежности «0» [20, 21].

Получим совокупность значений параметров по исследуемому методу разбраковки ППИ

Х = (Х₁, …, Х_n), где n — количество изделий в рассматриваемой выборке, и по методу, взятому за

эталон (в нашем случае эталонным методом является испытание на надежность), Y = (Y₁, …, Y_n).

Коэффициент корреляции β между совокупностями данных Х и Y будет иметь вид [22]:

∑

(

−

)(

−Y

)

−1

i=1

ρ=

(4)

X Y

где X и Y

— математические ожидания, рассчитываемые по формулам:

(5)

∑

i=1

а σ_X и σ_Y — среднеквадратичные отклонения, рассчитываемые по формулам:

−

;

(

−Y

)²

(6)

∑

(

)²

∑

−

−1

i=1

Таблица

Коэффициент корреляции для диагностических методов разделения ИС по надежности

Результаты на надежность

Результаты

Название способа

(2000 ч)

№

Количество

Коэффициент

разделения ИС по

метода

ИС

корреляции ρ

надежности

забракованные

критерий

схемы №

Способ

с использованием

21, 37,

110

K ≤ 1,5

1,0000

зависимости НЧ-шума от

51, 53

тока

Способ с использованием

21,37,

зависимости НЧ-шума от

110

K ≤ 1,75

1,0000

51,53

напряжения питания

Способ с использованием

21, 23,

зависимости НЧ-шума от

110

F ≤ 0,45

37, 53

0,7406

21,37,

температуры

U₀ ≥ 4,85

51,53

Способ с использованием

14, 1,

показателя формы спектра

110

γ ≤ 1,00

23, 37,

0,6571

НЧ-шума

Способ с использованием

21, 37,

НЧ-шумов и воздействия

110

M ≤ 0,30

1,0000

51,53

ЭСР

Способ с использованием

21, 37,

НЧ-шумов и

110

N ≤ 1,20

1,0000

51,53

термоциклирования

Полученные коэффициенты корреляции, рассчитанные по вышеприведенным формулам, для

всех рассматриваемых диагностических методов представлены в табл. 9 [7] на примере испытаний

двух партий ИС типа К142ЕН5А (стабилизатор напряжения с фиксированным выходным напряже-

нием), выпускаемых ВЗПП совместно с заводом «Транзистор» (г. Минск).

Дефектоскопия

№ 1

2022

М.И. Горлов, В.А. Сергеев

Из таблицы видно, что наибольшую корреляцию показали способы с комбинацией воздей-

ствий. Если между переменными отсутствует корреляция, на выборке одного размера почти всегда

будет рассматриваться ненулевой коэффициент корреляции. Поэтому нужно провести тест на зна-

чимость. Расчет коэффициента значимости для коэффициента корреляции показал, что с достовер-

ной вероятностью 0,95 можно сказать, что сильная корреляционная зависимость существует.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представлены различные способы разделения ИС по надежности с использованием только па-

раметров НЧ-шума и с использованием параметров НЧ-шума в комбинации с различными видами

воздействий.

Представленные результаты показывают, что все комбинированные диагностические методы с

использованием НЧ-шумов имеют высокую достоверность, практически равную испытаниям на

надежность в течение 1000 ч, что делает данные методики более привлекательными с точки зрения

их применения.

Еще одним важным моментом является правильность выбора размера выборки и критерия

годности. В рассматриваемых методиках критерий годности устанавливается индивидуально для

каждого типа приборов на основе статистики, полученной априори на представительной выборке.

В идеальном случае необходимо разработать методику определения критерия для отбраковки по-

тенциально ненадежных приборов, обеспечивающего высокий уровень достоверности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Пряников В.С. Прогнозирование отказов полупроводниковых приборов. М.: Энергия, 1978. 112 с.

2. Лукьянчикова Н.Б. Флуктуационные явления в полупроводниках и полупроводниковых приборах.

М.: Радио и связь, 1990. 225 с.

3. Нарышкин А.К., Врачев А.С. Теория низкочастотного шума. М.: Энергия, 1972. 153 с.

4. Жалуд В., Кулешов В.Н. Шумы в полупроводниковых устройствах. М.: Сов. радио, 1977. 465 с.

5. Jones B.K., Xu Y.Z. Excess Noise as an Idicator of Digital Integrated Circuit Reliability // Microelectronic

Reliability. 1991. V. 31. No. 2/3. P. 351—361.

6. Разработка методики и аппаратуры контроля качества интегральных микросхем: отчет о

НИР (заключ.): 13-63/82 / Ульянов. политехн. ин-т; рук. Афанасьев Г.Ф.; исполн.: Дулов О.А. и др.

Ульяновск, 1984. 81 с. № ГР 0182.0076278. Инв. № 0285.0037307.

7. Горлов М.И., Сергеев В.А. Современные диагностические методы контроля качества и надеж-

ности полупроводниковых изделий / Под научным ред. М.И. Горлова. Ульяновск: УлГТУ, 2020. 470 с.

8. Claeys C., Simoenl E., Agopian P.G.D., Martino J.A., M. Aoulaiche, B. Cretus, Fang W., Rooyac-

kers R., Vandooren A., Veloso A., Jurczak M., Collaertl N., Thean A. The Smaller the Noisier? Low Frequency

Noise Diagnostics of Advanced Semiconductor Devices / August Conference: 2015 30-th Symposium on

Microelectronics Technology and Devices (SBMicro). DOI: 10.1109/SBMicro.2015.7298104

9. Горлов М.И., Ерохин В.С., Некрасов В.А., Чернышев В.В. Характер изменения шумовых свойств

интегральных схем типа ДТЛ от вида испытаний / Сб. трудов по полупроводниковым материалам, при-

борам и их применению. Воронеж: ВПИ, 1971. С. 182—188.

10. Некрасов В.А., Горлов М.И. Исследование шумовых свойств низкочастотного спектра ИС как

одного из методов неразрушающего контроля // Электронная техника. 1975. Сер. 8. Вып. 1. С. 32—35.

11. Некрасов В.А., Горлов М.И., Маковий А.И., Голомедов А.В. О возможности прогнозирования по-

тенциально ненадежных микросхем ТТЛ по шумовым критериям низкочастотного спектра // Электрон-

ная техника. Сер. 8. 1975. Вып. 2. С. 70—72.

12. Некрасов В.А., Горлов М.И., Дурнин И.Д. Выборочный неразрушающий контроль качества ин-

тегральных схем с ТТЛ-логикой в ходе серийного изготовления // Электронная техника. Сер. 8. 1977.

Вып. 2. С. 66—69.

13. Гарбер Н.П., Лукьянчинова Н.Б., Абру У.Р., Жариков В.А., Кропман Д.И. Установка для измере-

ния шумовых характеристик микросхем и дискретных транзисторов на пластинах // Электронная про-

мышленность. 1991. Вып. 7. С. 27—29.

14. Горлов М.И., Жарких А.П., Емельянов А.В. Шумы полупроводниковых изделий и возмож-

ность прогнозирования их качества и надежности // Петербургский журнал электроники. 2005. № 1.

С. 54—61.

15. Горлов М.И., Ануфриев Л.П., Жарких А.П., Смирнов Д.Ю. Влияние электростатических воздей-

ствий на интегральные схемы типа КА1034НР3 / Межв. сб. науч. трудов «Твердотельная электроника и

микроэлектроника». Воронеж: ВГТУ, 2003. С. 74—78.

16. Горлов М.И., Ануфриев Л.П., Жарких А.П., Смирнов Д.Ю. Способ разделения полупроводнико-

вых приборов по надежности / Патент РФ № 2258234. Опубл. 10.08.2005. Бюл. № 22.

Дефектоскопия

№ 1

2022

Диагностика полупроводниковых изделий по параметрам низкочастотного шума

17. Горлов М.И., Жарких А.П., Шишкин И.А., Смирнов Д.Ю. Использование шумовых параметров

и воздействия электростатических разрядов для разделения полупроводниковых приборов по надеж-

ности / Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах: материалы докл. науч.-

техн. семинара. М.: МЭИ, 2005. С. 14—16.

18. Горлов М.И., Смирнов Д.Ю., Сегал Ю.Е., Емельянов А.В. Использование уровня шумов для кон-

троля полупроводниковых изделий при термоциклировании // Известия вузов. Электроника. 2005. № 6.

С. 89—92

19. Горлов М.И., Козьяков Н.Н., Смирнов Д.Ю. Диагностика надежности ИС по НЧ-шуму с исполь-

зованием термоциклирования // Известия вузов. Электроника. 2007. № 4. С. 89—91.

20. Бордюжа О.Л. Диагностический контроль качества и надежности кремниевых биполярных ин-

тегральных схем / Дисс

канд. техн. наук. Воронеж: ВГТУ, 1998. 163 с.

21. Горлов М.И., Смирнов Д.Ю., Козьяков Н.Н. Достоверность диагностических методов исследо-

вания на основе анализа низкочастотных шумов // Известия вузов. Электроника. 2009. № 1. С. 79—86.

22. Худсон Д. Статистика для физиков. М.: Мир, 1970. 296 с.

Дефектоскопия

№ 1

2022