Анализ отказов полупроводниковых преобразователей для проведения корректирующих и предупреждающих действий в системе менеджмента качества тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.23, кандидат технических наук Харчеков, Андрей Николаевич

• Харчеков, Андрей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Харчеков, Андрей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ КАК ОБЪЕКТ АНАЛИЗА БРАКА И ОТКАЗОВ.

1.1 Определение полупроводникового преобразователя как объекта анализа брака и отказов.

1.2 Особенности применения и адаптация некоторых методов анализа, принятых в полупроводниковой промышленности, к полупроводниковым преобразователям.

1.2.1 Особенности и метод исследования полупроводниковых преобразователей в растровом электронном микроскопе.

1.2.2 Определение некоторых видов отказов полупроводниковых преобразователей по наличию микроплазменного пробоя на вольт-амперной характеристике.

1.2.3 Определение пониженного сопротивления и пробоев окисных и мембранных пленок методом жидких кристаллов.

1.3 Дополнения процедуры анализа отказов полупроводниковых преобразователей, обусловленные спецификой технологических воздействий на корпус.

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ И ПОДХОДЫ К ПРОВЕДЕНИЮ АНАЛИЗА БРАКА И ОТКАЗОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

2.1 Составляющие, определяющие развитие и проведение анализа отказов полупроводниковых преобразователей.

2.2 Определение и принципы получения моделируемой составляющей отказа полупроводн икового преобразователя.

2.3 Составляющая отказа, определяемая комплектующими элементами и материалами (комплектационная составляющая).

2.4 Анализ по комплектационной составляющей и принципиальные изменения планарного технологического процесса изготовления кристаллов преобразователей.

2.5 Выводы.

ГЛАВА 3. ОПЕРАТИВНЫЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ КОРРОЗИИ, ОТВЕЧАЮЩИЙ ЗАДАЧАМ АНАЛИЗА ПРИЧИН БРАКА И ОТКАЗОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

3.1 Обобщённое описание процессов коррозии.

3.2 Применение метода ультрафиолетовой люминесценции для анализа отказов и производственного контроля коррозии.

3.3 Выводы.

ГЛАВА 4. НЕСТАБИЛЬНОСТЬ НУЛЕВОГО СИГНАЛА КАК ИНФОРМАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ИНФОРМАЦИИ О ВОЗМОЖНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ОТКАЗАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ.

4.1 Классификация и влияние причин нестабильности нулевого сигнала полупроводниковых преобразователей на возникновение эксплуатационных отказов.

4.2 Некоторые отказообразующие причины нестабильности нулевого сигнала в производстве полупроводниковых преобразователей.

4.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ отказов полупроводниковых преобразователей для проведения корректирующих и предупреждающих действий в системе менеджмента качества»

В самых разных сферах деятельности используются различные контролирующие и управляющие системы, которые являются неотъемлемой частью систем управления. Для правильного управления любой системой необходимы точные измерения давления, температуры, влажности и сотен других параметров, самых различных по свойствам, назначению и физическим проявлениям[90]. Эти измерения выполняют первичные преобразователи, основной функцией которых является преобразование измеряемого параметра в электрический сигнал.

Преобразование в электрический сигнал может производиться на основе различных базовых физических принципов и осуществляться по многим вариантам конструктивно-технологических решений [89]. Одним из распространённых решений является использование в качестве чувствительного элемента полупроводникового кристалла. Такие преобразователи называют полупроводниковыми. Настоящая работа посвящена решению проблем обеспечения качества полупроводниковых преобразователей.

В основу преобразования полупроводниковым элементом могут быть положены различные физические принципы (термо- и тензоэффект, эффект Холла и др.) [91]. Построение преобразователей по различным принципам не определяет принципиально нового содержания работ по анализу брака и отказов. Это тождественные приборы, хотя и на разном полупроводниковом эффекте. Различные полупроводниковые эффекты, положенные в основу формирования электрического сигнала, в рамках поставленных перед диссертационной работы задач, принципиального значения не имеют. В рамках проблем настоящего исследования полупроводниковые преобразователи являются общностью конструктивных, технологических и эксплуатационных принципов. Общность эта гармонична и такое обобщение целесообразно в рамках решения проблем, вынесенных в заголовок диссертационной работы. Дополнения, являющиеся прямыми следствиями различия основополагающих физических принципов, в рамках задач, стоящих перед работой, являются обрамлением проблемы. Это обрамление, связанное с установившимися принципами разработки и эксплуатации (например, измерение параметров и т. п.), достаточно хорошо и полно осмыслено разработчиками и эксплуатирующими отраслями. Кроме того, всегда есть возможность привлечения к физико-технологическому анализу, в качестве консультантов или участников, узкоспециализированных профессионалов в области применения и разработки того или иного вида полупроводниковых преобразователей.

Качество первичного преобразователя во многом определяет качество всей системы, в которой он используется [88-90]. Международные стандарты серии ИСО 9000-2000 устанавливают требования к системе менеджмента качества, выполнение которых на предприятии-изготовителе позволяет обеспечивать и поддерживать требуемый уровень качества выпускаемой продукции. Одной из основ создания и функционирования на производстве системы менеджмента качества продукции лежит управление процессами жизненного цикла, среди которых важную роль занимают технологические процессы и процессы проектирования [100-106]. Помимо этого, в соответствии с этими стандартами, организация должна предпринимать корректирующие и предупреждающие действия. Корректирующие действия должны быть направлены на устранение причин несоответствий для предупреждения их повторного возникновения, а предупреждающие - на устранение причин потенциальных несоответствий для предупреждения их появления. Источником информации для принятия корректирующих и предупреждающих действий являются, соответственно, причины выявленных и потенциальных несоответствий, которые устанавливает физико-технологический анализ [100-103]. От достоверности результатов этого анализа зависит определение и осуществление необходимых действий, направленных на устранение причин выявленных и потенциальных несоответствий. В том случае, если установленная причина оказывается ложной, обеспечение качества продукции невозможно. Поэтому одним из важнейших условий обеспечения качества выпускаемой продукции является наличие на предприятии-изготовителе методов проведения анализа несоответствий, гарантирующих достоверность получаемых результатов. В рамках настоящей работы решается проблема обеспечения системы менеджмента качества достоверной информацией о причинах производственного и технологического брака, а также отказов на производственных испытаниях. Наличие достоверных результатов анализа этих видов несоответствий позволяет своевременно корректировать технологические и производственные процессы и, тем самым, обеспечивать требуемый уровень качества выпускаемой продукции.

Исходными данными для корректировок производственных и технологических процессов обычно являются: для процесса изготовления — процент выхода годных изделий, стабильность технологического процесса; для стадий хранения и транспортировки — влияние режимов хранения и транспортировки на сохраняемость изделий; для стадий применения и эксплуатации — надежность изделий и влияние на неё способов применения и режимов эксплуатации.

Для всех этих стадий центральной проблемой является отсутствие основных принципов системы проведения анализа брака и отказов преобразователей для определения физико-технологической модели возникновения отказа. Эта модель необходима для составления адресной цепочки от возникновения отказа до элемента производственного, проектного или эксплуатационного алгоритма, сбой и несовершенство которых явились источником возникновения отказов подобного типа.

Как уже говорилось выше, решения, направленные на повышение качества, не могут приниматься без точного знания причин брака и отказов, которые являются результатом анализа [100]. Способ анализа брака и отказов полупроводниковых преобразователей сегодня общепринято считать аналогичным широко разработанным методам анализа отказов полупроводниковых интегральных схем [2, 16, 41, 89]. Это заблуждение является основной причиной отсутствия в промышленности сложившейся системы и эффективных методов анализа брака и отказов полупроводниковых преобразователей и действенного набора частных методик решения этих проблем. Целый ряд отличий от полупроводниковых приборов и интегральных схем не позволяет применить для анализа брака и отказов полупроводниковых преобразователей наработанные в полупроводниковой технологии методы. Перечислим эти отличия и возникающие вследствие их проблемы:

1.) В полупроводниковых преобразователях, как во всяком измерительном приборе, есть своя специфика формирования нулевого сигнала, который во многом определяет соответствие преобразователя требуемому уровню качества;

2.) В полупроводниковых преобразователях параметры измеряемой среды преобразуются в электрический сигнал в кристалле, который передается в прибор, корпусированный в другом месте и в других условиях. Взаимная увязка различной природы и особенностей функционирования этих двух компонентов порождает специфику их взаимодействия и, как следствие, специфику анализа брака и отказов;

3.) Разделение пространств и сред является источником специфических особенностей преобразователей. Потребность, например, в средоизолирующих, часто герметичных, вводах соединительных кабелей между чувствительным элементом и измерительным прибором является источником проблем, порождающих особенности не только проектирования, но и анализа. Ещё одной проблемой, которая вызвана этим отличием, является несогласованность обмена параметрами и воздействиями полупроводникового элемента и измерительного прибора, который одновременно является источником сигналов, корректирующих температурные и другие виды изменений и искажений информации. Это является фактором, затрудняющим определение и локализацию места неисправности или деградации параметров преобразователя;

4.) Влияние гигроскопичности полупроводниковых элементов (кристаллов) преобразователей на причины их отказов. При производстве интегральных схем полупроводниковый элемент изготавливается в условиях соблюдения вакуумной гигиены. При производстве преобразователей, как правило, полупроводниковые элементы транспортируются на предприятия, имеющие приборные традиции проведения технологического процесса и соответствующие стандарты обеспечения условий труда. В таких условиях гигроскопичность полупроводниковых элементов существенно определяет причины возникновения отказов и комплекс мер по анализу, как самих элементов, так и условий производства.

5.) Посадка кристалла в корпус, детально изученная в производстве полупроводниковых интегральных схем для преобразователей имеет, по крайней мере, две особенности. Во-первых, стабильность полупроводникового преобразователя определяется корпусными нагрузками, как механическими, так и термомеханическими. Во-вторых, датчик отслеживает своей стабильностью последствия различных воздействий на него. Кристалл и корпус могут реагировать на них по-разному. Эти особенности порождают широкую гамму проблем посадки кристалла, которые при производстве полупроводниковых приборов и микросхем просто отсутствуют.

Таким образом, традиционные для полупроводниковых приборов проблемы, хорошо и всесторонне исследованные при создании, сборке и эксплуатации, приобретают новое значение и толкование при анализе причин отказов полупроводниковых преобразователей.

Знание и понимание причин брака и отказов раскрывает суть и направленность реализации мер по управлению качеством продукции [14, 41]. В полупроводниковых преобразователях эффективный анализ брака и отказов практически не проводится по причине отсутствия единого подхода к этой проблеме, учитывающего изложенные выше отличия. Приемы, переносимые из анализа интегральных схем и полупроводниковых приборов, не дают желаемого результата и воспроизводят информацию, не соответствующую действительности. Такая информация может вызвать не только бесполезные, но и ухудшающие воздействия при управлении качеством продукции.

Последствия проведения анализа отказов полупроводниковых преобразователей по технологии, основанной на копировании методов анализа полупроводниковых приборов, можно проиллюстрировать реальным примером. Определение причин отказов трех полупроводниковых преобразователей проводилось по единой, принятой на сегодня, методологии анализа. Отказы первого преобразователя произошли в условиях совершенно необъяснимой массовости и незначительного времени эксплуатационной работы преобразователя у одного из потребителей. Проведение анализа по методам, принятым в полупроводниковой промышленности показало, что в этом и других отказавших преобразователях наблюдаются обрывы плеч моста (вольт-амперные характеристики показывают это вполне определенно). Кроме того, исследование кристалла отказавшего полупроводникового преобразователя в растровом электронном микроскопе (РЭМ) подтвердило обрывы по потенциальному контрасту (Рис 1). На всех кристаллах, этого и отказавших с ним преобразователей, хотя и очень незначительно, но замечены следы коррозии. Методы, используемые при анализе полупроводниковых приборов, по совокупности таких признаков дают заключение: полупроводниковый преобразователь отказал в результате коррозии. Наличие следов коррозионных продуктов на кристаллах в состоянии поставки приводит к окончательному заключению: отказы полупроводниковых преобразователей произошли в результате загрязнения кристалла коррозионно-активными продуктами. По второму и третьему преобразователю совокупность признаков и результаты анализа были полностью идентичны, причем не только для этих преобразователей, но и для других, отказавших вместе с ними у одного потребителя (рис 2, 3).

Проведение анализа по методике, изложенной в работе, однозначно установило, что причиной отказа первого преобразователя является повреждение преобразователя в результате импульсных перегрузок вследствие неправильного заземления у потребителя. Импульсные перегрузки разрушали защитный окисел и провоцировали начальное развитие в месте пробоя коррозии. Т. е. причиной нарушения контакта было разрушение алюминия

Рис. 1. Повреждение кристалла преобразователя в результате импульсных перегрузок со следами вторичной коррозии, не влияющей на срок службы в пределах гарантированного.

Рис. 2. Повреждение преобразователя в результате отказа его приборного устройства со следами коррозии, возникшей в результате разрушения мембраны.

Рис. 3. Коррозия преобразователя, возникшая в результате загрязнения кристалла коррозионно-активными продуктами изготовителем. пробоем, маскированное продуктами коррозии, отношения к обрыву не имеющими. Надо сказать, что наличие коррозионных загрязнений в процессе производства кристаллов действительно имело место в этом случае. Однако, как показало моделирование условий развития коррозии (при повышенной температуре и электрической нагрузке, эквивалентных развитию коррозии до обрыва), время безотказной работы составляло почти пятнадцать лет при гарантийном сроке на преобразователь - десять лет. Второй преобразователь отказал действительно в результате коррозионного разрушения алюминиевых проводников кристалла, но коррозия эта была следствием проникновения паров воды к кристаллу в результате многократной перегрузки преобразователя в эксплуатации. В свою очередь, эта перегрузка была вызвана неправильным функционированием системы, задающей давление эксплуатационной среды, в результате отказа именно этого преобразователя. Но отказ этот наступил вследствие применения в приборном устройстве преобразователей некачественных интегральных схем. Третий преобразователь отказал действительно в результате загрязнения кристалла коррозион-но-активными продуктами изготовителем. Моделирование по той же методике привело к развитию коррозии за эквивалентное время, действительно соизмеримое со временем наступления отказа.

Приведённый выше пример и анализ существующих методов, подходов и принципов анализа полупроводниковых преобразователей позволил сделать следующие выводы:

- известные и доступные для большинства производителей полупроводниковых преобразователей способы анализа не позволяют получить достоверную информацию о причинах, вызывающих отказы;

- на основе недостоверной информации о причинах отказов невозможно предпринимать предупреждающие и корректирующие действия, направленные на обеспечение качества выпускаемой продукции.

Сделанные выше выводы, подтверждённые практическими результатами, убедительно иллюстрируют и актуальность проблемы, поднятой в работе, и необходимость поиска её приемлемого решения в сегодняшней практике производства и анализа полупроводниковых преобразователей.

Следовательно, создание основных принципов проведения анализа отказов полупроводниковых преобразователей, включающей методы проведения анализа и определяющей подходы к проведению этого анализа, является актуальной задачей. Её решение позволит получать достоверную информацию о причинах отказов полупроводниковых преобразователей, на их основе предпринимать соответствующие предупреждающие и корректирующие действия, выполнять требования международных стандартов серии ИСО 9000-2000 и обеспечивать требуемый уровень их качества.

Поэтому цель работы следующая: на основе экспериментальных и теоретических исследований создать систему проведения анализа отказов полупроводниковых преобразователей и подтвердить её эффективной экспериментальной и производственной проверкой.

Для достижения этой цели поставлены задачи:

1. Провести комплексную оценку и исследование существующих методов анализа отказов полупроводниковых преобразователей.

2. Выделить приемы анализа отказов полупроводниковых интегральных схем, принципиально применимые к анализу полупроводниковых преобразователей. Провести экспериментальные, конструкторские и теоретические исследования с целью адаптации этих приемов к потребностям полупроводниковых преобразователей.

3. Разработать подход, который определит основные принципы проведения анализа отказов полупроводниковых преобразователей.

4. Разработать оперативный и доступный метод анализа коррозии полупроводниковых преобразователей, применимый к задачам анализа отказов.

5. Определить причины возникновения наиболее информативного вида производственного брака - нестабильности нулевого сигнала, позволяющего прогнозировать и предупреждать возникновение эксплуатационных отказов полупроводниковых преобразователей.

В процессе проведения исследований получены новые научные результаты:

1. Предложен метод исследования полупроводниковых кристаллов преобразователей в растровом электронном микроскопе без ограничений, накладываемых конструкцией корпуса. Метод основан на теоретически обоснованном и конструктивно обеспеченном способе магнитной транспортировки вторичных электронов из корпуса.

2. Предложен метод исследования неоднородностей и включений в диффузионной или имплантированной структуре измерительных резисторов. Метод основан на исследованиях в области возможного микроплазменного пробоя, позволил объяснить аномалии температурных зависимостей и связанные с ними отказы преобразователей.

3. Предложен метод определения и локализации мест пониженного сопротивления и пробоев на основе жидких кристаллов. Метод позволяет в соответствии с требованиями специфики полупроводниковых преобразователей локализовать места снижения сопротивления изоляции при токе потребления менее 10"1ОА.

4. Разработан подход и определены принципы проведения анализа отказов. В соответствии с разработанным подходом, проведение анализа отказов полупроводниковых преобразователей по двум составляющим - комплектационной и моделируемой - обеспечивает получение достоверных результатов анализа.

5. Предложен метод контроля коррозии полупроводниковых элементов преобразователей, основанный на ультрафиолетовой люминесценции. Метод отличается высокой чувствительностью и простотой, удовлетворяет всем потребностям анализа и является эффективным методом производственного контроля.

6. Обобщены виды нестабильности нулевого сигнала преобразователей как основы прогнозирования и предупреждения эксплуатационных отказов.

7. Теоретически объяснены и экспериментально доказаны причины нестабильности нулевого сигнала полупроводниковых преобразователей при тренировке. В основу гипотезы о причинах нестабильности нулевого сигнала положено изменение сопротивления измерительных элементов полупроводникового кристалла зарядом мигрирующих ионов загрязнения. Экспериментальная и производственная проверка показала абсолютную предсказуемость обсуждаемых нестабильностей, что является подтверждением выдвинутой гипотезы.

8. Предложен и внедрен способ развязки полупроводникового кристалла от корпуса преобразователя с использованием резиноподобного слоя, что позволило значительно улучшить стабильность выходного сигнала преобразователя.

Все перечисленные выше результаты позволяют сформировать основные принципы анализа полупроводниковых преобразователей. Наличие таких принципов позволяет безошибочно определять и осуществлять необходимые действия, направленные на устранение причин выявленных и потенциальных несоответствий, что, в свою очередь, повышает эффективность системы менеджмента качества на основе МС ИСО 9000-2000 и обеспечивает требуемый уровень качества полупроводниковых преобразователей.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 56-ой Научно-технической конференции, посвященной Дню радио, - Санкт-Петербург, 2001 г.; 58-ой Научно-технической конференции, посвященной Дню радио и 300-летию Санкт-Петербурга, - Санкт-Петербург, 2003 г.; семинарах АОЗТ «ТИМОС», «Светлана - Электронприбор.

Достоверность полученных в работе результатов доказана их практическим внедрением на ЗАО «ТИМОС», которое является производителем полупроводниковых преобразователей для Министерства обороны Российской Федерации. Внедрение полученных в работе научных и практических результатов позволило разработать и внедрить на указанном предприятии эффективную систему менеджмента качества и получить лицензию МО РФ на право производства и ремонта средств измерения военного назначения.

В первой главе полупроводниковый преобразователь определён как объект анализа отказов, и выделены основные особенности, которые отличают полупроводниковый преобразователь от полупроводникового прибора. Среди таких отличий - наличие как минимум двух различных сред эксплуатации, причем среды эти различаются практически по всем параметрам (температурные режимы, химическая активность и др.). Показано, что полупроводниковый преобразователь - это совершенно иное построение, чем полупроводниковый прибор. Добавим к этому, что среда, в которой находится кристалл в полупроводниковом приборе - стабильна, а эксплуатационная среда в полупроводниковом преобразователе по своему назначению оказывает различные физические и химические воздействия на кристалл. Это требует других методов производства и анализа. Тем не менее, ряд методов, принятых при анализе полупроводниковых приборов, после определенных доработок может быть использован при анализе полупроводниковых преобразователей. Содержание этих доработок вместе с определением различий между полупроводниковыми приборами и преобразователями составляют первую главу.

Во второй главе сформированы принципы подхода к анализу полупроводниковых преобразователей с учетом различий, выявленных в первой главе. Для проведения анализа полупроводниковых преобразователей они должны быть принципиально иными. В работе показано, что применение отказавшего преобразователя в качестве объекта анализа не информативно и вводится новый подход к проведению анализа. Анализ основывается на рассмотрении двух направлений причин возникновения отказа:

1.) воздействия производственного и эксплуатационного характера;

2.) состав и качество комплектующих, материалов и полупроводниковых кристаллов.

В работе обоснована эффективность такого подхода и на практических примерах продемонстрированы его результаты.

Содержание третей главы целиком посвящено особой проблеме полупроводниковых преобразователей - процессам коррозии алюминиевой металлизации кристалла. Значимость данной проблемы объясняется ещё и тем, что она содержит два аспекта:

1.) Коррозия может быть, и достаточно часто действительно бывает, причиной отказа;

2.) В 90% отказавших преобразователей наблюдается коррозия, отношения к причинам отказа не имеющая. Эта коррозия может быть следствием вторичных, последовавших за наступлением отказа, причин (повреждения мембраны, повреждение окисла в результате перегрузки при неправильном заземлении и многое другое). Одна из таких причин, выявленная в работе, повлекла за собой изменения технологического процесса изготовления полупроводниковых кристаллов преобразователей, который ранее совпадал с процессом изготовления кристаллов полупроводниковых приборов и интегральных схем.

В результате анализа работ по процессам коррозии сделан ряд обобщающих выводов практической направленности. В частности, все исследования процесса коррозии связаны с трудоёмкими, наукоёмкими, в том числе и по составу применяемого оборудования, исследованиями, которые не отвечают на возникающие в процессе производства вопросы, связанные с коррозией. При производстве и анализе требуются иметь полное представление о протекании коррозии и принципы обнаружения её возникновения на самых ранних стадиях. Рассмотрев и сгруппировав значительное количество работ по физико-химическим основам процесса коррозии, было определено, что все её продукты имеют три составляющие: геле-вая, дендритная и жидкая фазы. Эти фазы можно идентифицировать при помощи ультрафиолетовой люминесценции, т. к. они вызывают люминесцентное свечение во всех трёх моделях люминесценции. Предложенный в диссертационной работе метод контроля коррозии на основе ультрафиолетовой люминесценции, является не только методом анализа, но и методом производственного контроля. Он позволяет определять коррозию на самой ранней стадии развития и обладает достаточно высокой чувствительностью. Это позволило не только ввести в анализ такой метод, но и создать методику входного контроля кристаллов, что в условиях разделенности производств самих преобразователей и полупроводниковых кристаллов, позволило увеличить эффективность входного контроля последних. В условиях отсутствия электронно-вакуумной гигиены на приборных предприятиях, которыми являются производители полупроводниковых преобразователей, этот метод является средством внутреннего и межоперационного контроля при производстве полупроводниковых преобразователей.

В четвёртой главе исследуется параметр полупроводникового преобразователя, результаты контроля которого способны дать информацию для определения и осуществления необходимых действий, направленных на устранение причин потенциальных несоответствий для предупреждения их появления, до наступления эксплуатационных отказов. Таким параметром для производителей полупроводниковых преобразователей является стабильность нулевого сигнала. Многолетняя практика разработки и изготовления полупроводниковых преобразователей, позволяет сделать производителям вывод: производство, не имеющее проблем со стабильностью нулевого сигнала, имеет минимальное количество эксплуатационных отказов. Проблема возникновения нестабильности нулевого сигнала рассмотрена в четвертой главе. Выдвинуты и обоснованы гипотезы, объясняющие причины появления нестабильности нулевого сигнала а также предложены способы их устранения .

Диссертация состоит из введения, 4 глав с выводами по каждой из них, заключения и списка литературы. Она изложена на 150 страницах машинописного текста, включает 45 ри

Заключение диссертации по теме «Стандартизация и управление качеством продукции», Харчеков, Андрей Николаевич

4.3 Выводы

В результате теоретического и практического изучения возникновения нестабильности нулевого сигнала полупроводникового преобразователя были выделены две причины этого явления. Внедрение в производство предложенных способов устранения причин возникновения нестабильности нулевого сигнала позволило существенно снизить количество эксплуатационных отказов и дополнить методику производственного контроля эффективными методами.

В рамках этих задач проработай ряд конкретных вопросов, обоснованы следующие выводы и положения:

1. Нестабильность нулевого сигнала определена как параметр, позволяющий выявлять потенциальные отказы полупроводниковых преобразователей.

Определены причины появления нестабильности нулевого сигнала полупроводниковых преобразователей в процессе производства и производственных испытаний. Контроль нестабильности нулевого сигнала позволил реально прогнозировать возможные эксплуатационные отказы.

Проведенные исследования позволили определить причины дрейфа нулевого сигнала полупроводниковых преобразователей в процессе электротермотренировки. Выдвинутая в работе гипотеза об обусловленности этого дрейфа миграцией поверхностных ионов загрязнений нашла полное экспериментальное, теоретическое и практическое подтверждение.

На основе предложенного в диссертации способа развязки корпуса и кристалла полупроводникового преобразователя сформулированы дополнения к анализу отказавших преобразователей. Предложенный способ развязки позволил спроектировать полупроводниковый преобразователь давления с номиналом 1 кПа с коэффициентом температурной стабильности нулевого сигнала 0,02 %/°С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В рамках настоящей диссертационной работы предложено решение проблемы проведения физико-технологического анализа брака и отказов полупроводниковых преобразователей. Предложенные в работе методы и принципы проведения анализа полупроводниковых преобразователей позволяют получать достоверную информацию о причинах брака и отказов. Получение достоверных результатов анализа брака и отказов позволяет предпринимать эффективные корректирующие и предупреждающие действия по устранению и предупреждению повторного появления выявленных и потенциальных несоответствий, что удовлетворяет требования международных стандартов серии ИСО 9000-2000. Предложенные в результате работы методы проведения аиализа брака и отказов и сформулированные принципы проведения такого анализа позволяют повысить качество полупроводниковых преобразователей.

В рамках этих задач разработан ряд конкретных вопросов, обоснованы следующие выводы и положения:

1. Детально рассмотрены методы анализа полупроводниковых приборов и интегральных. Выделена совокупность методов, на основании которых могут проводиться отдельные операции технологического процесса установления причин отказов полупроводниковых преобразователей.

2. Предложен метод исследования полупроводниковых кристаллов преобразователей в растровом электронном микроскопе без ограничений, накладываемых конструкцией корпуса. Метод основан на теоретически обоснованном и конструктивно обеспеченном способе магнитной транспортировки вторичных электронов из корпуса. Разработанная система нашла практическое применение и в работе иллюстрирована подтверждающими её эффективность примерами.

Предложен метод исследования неоднородностей и включений в диффузионной или имплантированной структуре измерительных резисторов. Метод основан па исследованиях в области возможного микроплазменного пробоя, позволил объяснить аномалии температурных зависимостей и связанные с ними отказы преобразователей. В практике анализа полупроводниковых преобразователей применение этого метода в сочетании с методом наведенного тока растровой электронной микроскопии является единственной возможностью определения причин многих необъяснимых температурных изменений параметров преобразователей и их отказов.

Предложен метод определения и локализации мест пониженного сопротивления и пробоев на основе жидких кристаллов. Метод позволяет в соответствии с требованиями специфики полупроводниковых преобразователей локализовать места снижения сопротивления изоляции при токе потребления менее Ю"10А.

Определены принципы создания классификации производств полупроводниковых преобразователей по способам технологических воздействий на корпус. Сформулированы основные принципы системы анализа брака и отказов полупроводниковых преобразователей. Анализ брака и отказов полупроводниковых преобразователей проводится по комплектационной и моделируемой составляющим. Проведение анализа по предложенной схеме позволяет устанавливать истинные причины отказов преобразователей.

Анализ по комплектационной составляющей позволил определить необходимые специальные требования к полупроводниковой технологии по изготовлению кристаллов полупроводниковых преобразователей давления.

Предложен оперативный метод ультрафиолетовой люминесценции, который обладает высокой чувствительностью и эффективно обслуживает все потребности не только анализа, но и производственного контроля полупроводниковых преобразователей в части наличия или возникновения образующих коррозию процессов.

9. Нестабильность нулевого сигнала определена как параметр, позволяющий выявлять потенциальные отказы полупроводниковых преобразователей.

10. Определены причины появления нестабильности нулевого сигнала полупроводниковых преобразователей в процессе производства и производственных испытаний. Контроль нестабильности нулевого сигнала позволил реально прогнозировать возможные эксплуатационные отказы.

И. Проведенные исследования позволили определить причины дрейфа нулевого сигнала полупроводниковых преобразователей в процессе электротермотренировки. Выдвинутая в работе гипотеза об обусловленности этого дрейфа миграцией поверхностных ионов загрязнений нашла полное экспериментальное, теоретическое и практическое подтверждение.

12. На основе предложенного в диссертации способа развязки корпуса и кристалла полупроводникового преобразователя сформулированы дополнения к анализу отказавших преобразователей. Предложенный способ развязки позволил спроектировать полупроводниковый преобразователь давления с номиналом 1 кПа с коэффициентом тем-цературной стабильности нулевого сигнала 0,02 %/°С.

Полученные в работе результаты внедрены в производство полупроводниковых преобразователей в ЗАО «ТИМОС».Внедрение результатов работы позволило ЗАО «ТИМОС» разработать и внедрить систему менеджмента качества и. Это позволило ЗАО «ТИМОС» обеспечить требуемое качество производимых полупроводниковых преобразователей, внедрить и сертифицировать систему менеджмента качества, получить лицензию Министерства обороны Российской Федерации на производство и ремонт средств измерения военного назначения и заключить контракт с МО РФ на поставку полупроводниковых преобразователей давления. Одним из основных участников разработки и внедрения системы менеджмента качества являлся автор диссертации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Харчеков, Андрей Николаевич, 2004 год

1. Erdos G. The effect of the thin-layer organic corrosion on the reliability in electronics. -"RELECTRONIK 73". Megbizhatosag elektron. Szimp., Budapest, 1993, 57-68.

2. Петрова M.B., Петров B.M., Петрова И.В. Особенности расчета переходных процессов преобразователя // Вестник Ульяновского государственного технического университета. Научно-теоретический журнал. №1, 2000г.

3. Водянов Ю.М., Сапун В.В., Сенцова А.Н., Спиридонов Б.А., Фаличева А.И. Исследование физико-химической устойчивости тонкой легированной алюминиевой проволоки в атмосферных условиях. «Физика полупроводников и микроэлектроника», Рязань, 1979, №6, 83-86.

4. Froot Н.А. The use of mi его fluorescence analysis for process control in the semiconductor manufacturing industry. - "20th Annu. Proc. Reliab. Phys., San Francisco, Calif., 1989, 190192.

5. Berg Howard ML, Puulson Wayne M. Chip corrosion in plastic packages. - "Microelectron. and Reliab", 1980, 20, №3, 247-263.

6. Сато Манабу. Способ контроля ИС при помощи флуоресценции., «Дэнсел дзайрё», Electron. Parts and Mater, 1987, 26, №3, 135-140.

7. Нефедов А.В. Гордеева В.И. Отечественные полупроводниковые приборы и их зарубежные аналоги. Справочник М.: КУбК-а, 1997; 400 е., ил.

8. Баканов Г.Ф., ДоСуан Тьен. Модель электрохимической коррозии многоуровневой металлизации коммутационной платы микроузла на полимерной пленке. « Изв. Ленинград. электротехнического института», 1987, №388, 90-92.

9. Безручко С.М., Икончиков A.B., Петренко И.В. Методы контроля качества поверхности полупроводниковых и диэлектрических пленок. Технология проектирования и надежность интегр. полупроводн. схем. - М., 1988, 35-42.

10. Марончук И.Е., Найденков М.Н., Найденкова М.В., Сариков A.B., Волошина T.JI. Оп-тоэлектронная и полупроводниковая техника. 1998, №33, 157-159.

11. Безрядин С.Н., Велилов Ю.Х., Вернер В.Д., Егорова Т.И. Электронная структура контакта Al-Si. Поверхность: физика, химия, механика; 1984, №11, 138-142.

12. Гусева М.Б., Дубинина Е.М. Физические основы твердотельной электроники. — М.: Изд-во МГУ, 1986.

13. Маркус Р. Методы контроля и диагностики. М.: Изд-во МГУ, 1986, 271-327.

14. Аксельрод И.Л., Верещагин В.Г., Захаров А.Н., Царев В.П. Люминесцентный метод и установка для контроля однородности диэлектрических покрытий на пластинах кремния. «Завод, лаборат.», 1985, 51, №12, 40-42.

15. Бычков А.Г., Зуев В.А., Клюй Н.И. Надежности микроэлектронных схем и элементов. -«Материалы всесоюзного семинара, Киев, ноябрь 1983», Киев, 1985, 121-123.

16. Лейферов Б.Н., Либипсон А.Г. Люминесцентный анализ кремния на содержание примесей мышьяка, алюминия и галия. «Высокочистые вещества», 1987, №1, 147-150.

17. Lewis Gary L., Berg Howard M. Particulaters in assembly: effect on device reliability. -"36th Electron. Compon. Conf.", Seattle, Wash., May 5-7, 1986.

18. Воробьёва Л.М., Новожилова И.Н., Пузырёва H.C., Сараев О.Н. Полимерная защита полупроводниковых датчиков. Микроэлектроника в приборостроении в электроприборостроении, Л., 1989, 105-110.

19. Власов В.Е., Пищаев В.В., Сапронов В.И., Филатов В.Н. Разработка и реализация принципов системного подхода к технологическому обеспечению качества компонентов МЭА. Электронная промышленность, 1989, №12, 12-14.

20. Гейтс Э.Д. Введение в электронику. Практич.подход:Пер.с англ. Ростов-на-Дону: Феникс, 1998; 640 е., ил

21. Shimura, Fumio . Semiconductor silicon crystal technology Fumio Shimura Полупроводниковый кристаллический кремний для сверхбольших интегральных схем San Diego etc.: Acad, press, Cop. 1989

22. Скворцов, Альберт Матвеевич Физика отказов и надежность больших интергальных схем Учеб. пособие А. М. Скворцов; Ленингр. ин-т точ. механики и оптики, Каф. конструирования ии пр-ва электрон.-вычисл. Аппаратуры. Л.: ЛИТМО, 1987.

23. Демочко Ю. А., Чернышов А. А. Проблемы обеспечения коррозионной стойкости интегральных микросхем. Электронная промышленность, 1990, №9, с. 40-44

24. A Survey of Corrosion Failure Mechanisms in Microelectronic Devices/ G. L. Schnäble. R. B. Comizzoli. W. Kern and L. K. White— RCA Review, 1999, v. 40, N 4, p. 416—445.

25. Волосянко В. А. Пути повышения коррозионной устойчивости интегральных схем. — Электронная промышленность, 1981. вып. 4(100), с. 58—61.

26. ГОСТ 24927—81. Временная противокоррозионная защита изделий электронной техники. Технические требования и методы испытаний.

27. Волков С. И., Григорашвили Ю. Е., Полякова Е. В. Моделирование коррозионных отказов интегральных схем. — Электронная техника. Сер. Управление качеством, метрология, стандартизация, 1981, вып. 4 (90), с. 24—27.

28. Hunt G. L„ Ritchie I. M. The Effect of an Aoplied Electric Field on the Oxidation of Aluminum in the Temperature Range 50— 400° C.— Oxidation of Metals, 1990, v. 2, N 4. r. 361—371.

29. Ю. H. Михайловский, Л. А. Шувахииа, Г. Б. Кларк, В. В. Агафонов. Методы исследования влияния климатических параметров на скорость атмосферной коррозии металлов.— Защита металлов, 1971. т. 7, № 2, с. 154—158.

30. Розенфельд И. Л. Самоиленко Н. Г., Муджири Я. Н. Ускоренные методы оценки защитных свойств летучих ингибиторов коррозии с целыо прогнозирования сроков защиты.— Защита металлов, 1982. т. 18, № 1, с. 119—122.

31. Вальская М. Ф., Веселова С. С., Павлова Г. Г. Проверка возможности применения ингибиторов коррозии для защиты алюминиевой металлизации. Электронная техника. Сер. Упр. Качеством, стандартизация, метрология, испытания, 1984, вып. 1 (106).

32. Истушкин В.Ф., Литвинский И. Е., Манулик С. А., Прохоренко В. А. Влияние температуры на перенос ионов при коррозии алюминиевой металлизации. Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника, Вып. 3 (132), 1989.

33. Скорчеллетти В. В. Теоретические основы коррозии металлов. Л.: Химия, 1973. - 124 с.

34. Фатеев Ю.Ф., Дуболазов В.А., Фролов В.Д., Иванова С.А. Коррозия алюминия в полупроводниковых приборах - Электронная техника, 1980, вып. 6.

35. Бондарев В.В. Влияние спирто-канифольного флюса на коррозионную стойкость проводников - Труды гос. Науч.-исслед. Ин-та сплавов и обработки цветных металлов, вып. 31, 1970.

36. Горлов М.И., Микрюков В.Н., Золотухина О.М., Котов В.В. Коррозия алюминиевой металлизации кремниевых транзисторов и интегральных микросхем - Электронная техника. Сер. Упр. качеством., 1992, вып. 2(149)-3(150).

37. Olberg R. С. Bozrth S. L. Factors contribution to the corrosion of the aluminium metal on semiconductor devices packaged in plastic, — Microelectronics and Reliability, 1996, v. 15, p. 601—611.

38. Физические основы надежности интегральных схем. — М.: Советское радио, 1976.— 316с.

39. Stroehte D. On the penetration of gases and water vapour into packages with cavities and on maximum allowable leak rates. — 15-th Ann. Proc. Reliab. Phys., Las Vegas, Nev., 1977.— N. Y. 1977, p. 101—106.

40. Алексанян И. Т., Вернер В. Д., Григорашвили 10. Е. Модели отказов термокомпрессионных соединений ИС. — Электронная техника. Сер. Управление качеством, метрология, стандартизация, 1989, вып. 5(75), с. 3—12.

41. Достанко Н. С., Соболев В. В. Долговечность элементов радиоэлектронной аппаратуры. — JL; Энергия, 1973,— 157 с.

42. Gordon S. Model colcutations for maximum allowable leak rates of hermetic packages — J. Vac. Sci. Technol., 1975, v. 12, N 1. p. 423^29.

43. Peck D. S. and Lievdt С. H. Temperature-humidity acceleration of metal electrolysis failure In semiconductor devices.—11th annual proceedings reliability physics. Las Vegas, 1973.

44. Lycoudes N. Practical uses of accelerated testing at Motorola.—13th annual proceedings reliability physics. Las Vegas, 1975.

45. Brauner I. В., Kapter V. C., Tamburrino A. Can plastic encapsulated microcircuits provide reliability with economy? — «Microelectronics», v. 1,N 1, 1970.

46. Heitz E. Corrosion of Metals in organic Solvents. —«Advances in Corrosion Science and Technology, Plenum Press», v. 4, New Jork, 1974.5053.