Вопросы снижения уровня дефектности полупроводниковых приборов

Вопросы снижения уровня дефектности полупроводниковых приборов

Выпуск 6(6680) от 21 марта 2019 г.
РУБРИКА: ПРОРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ МИКРО И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Надежность полупроводниковых приборов постепенно становится высшим приоритетом в широком диапазоне рынков по конечному применению, среди которых максимальными темпами развития отличаются автомобильная и промышленная электроника, облачные вычисления. В перспективе повышение надежности позволит отказаться от замены ИС каждые 2–4 года, при этом некоторые из приборов, как ожидается, смогут работать до 20 лет даже при интенсивном использовании, иногда и в экстремальных условиях окружающей среды.

Увеличение сроков службы и использование конструкций с меньшими топологическими нормами стимулируют использование новых подходов. Наблюдаемый сдвиг в приоритетах отражается на всей цепочке поставок электроники, от обеспечения необходимой чистоты материалов и выбора оптимальной архитектуры до верификации, производства, тестирования, постпроизводственной верификации и мониторинга. При этом производительность, потребляемая мощность и занимаемая площадь (performance, power and area, PPA) не только остаются критическими факторами, но и должны оставаться неизменными в течение всего предполагаемого срока службы прибора. Кроме того, в этой «формуле» появляются новые факторы – ​прежде всего надежность. Последняя все чаще определяется общей надежностью системы, которая, в свою очередь, во многих случаях подразумевает «систему систем» и может варьироваться от региона к региону. Так, если в США и Европе самоуправляемые автомобили могут использовать доступные средства и сети 5G, то в КНР область данных централизована так, что 5G-системы так же критичны, как и коммуникационные системы собственно автомобиля.

Кроме того, одним из основных требований стандарта ISO 26262 является амортизация отказов, т. е. заложенная в конструкцию системы возможность выполнять (хоть и не в полном объеме) свои функции при появлении аппаратных или программных ошибок. Это требует либо избыточности системы, что увеличивает (чаще удваивает) стоимость электроники, либо возможности использовать другие схемы, изначально не предназначенные для выполнения данной работы. Таким образом, например, информационно-развлекательная система, не считающаяся критически важной при проектировании, может в чрезвычайной ситуации выполнять критические функции. Но не все так просто. Так, по данным одного из исследований фирмы J. D. Power (2017 г.), категория аудиотехники, средств связи, информационно-развлекательного оборудования и навигации (ACEN) в автомобильной электронике стала самой проблематичной с точки зрения качества – ​на нее приходится 22% жалоб в этом плане. J. D. Power отмечает, что в 2018 г. ситуация не изменилась.

В соответствии с этими данными изготовители комплектного оборудования (ОЕМ) автомобилей в 2018 г. начали предъявлять к электронным компонентам требование безотказной работы (zero failures) в течение 18 лет (рис. 1). Отчасти оно связано с тем, что в случае повторяющихся отказов потребители с меньшей вероятностью купят свой следующий автомобиль у той же фирмы. Проблема усугубляется тем, что число используемых в автомобилях ИС и электронных компонентов быстро растет. Так, например, корпорация Audi в своих автомобилях класса люкс использует около 7 тыс. полупроводниковых приборов, выпуская порядка 4 тыс. машин в сутки. Соответственно, отказ одной детали или узла на миллион приводит к появлению 24 дефектных автомобилей в сутки. У BMW, применяющей вдвое меньше электронных компонентов, но производящей ежедневно 10 тыс. машин, возможно появление 54 бракованных автомобилей в сутки. И дальше будет хуже, так как доля электронной составляющей в цене автомобиля растет. По оценкам фирмы Optimal+, в ближайшее время на электронику будет приходиться 35% стоимости машины, а с широким распространением автономных транспортных средств к 2030 г. этот показатель достигнет уровня в 50% (а может быть, и превысит его). Но это только приблизительные оценки, так как реальных данных по компонентам, которые будут использоваться в автомобилях, просто нет.



Источник: Optimal+

Рисунок 1. Проблемы концепции «нулевой дефектности»

* MLCC (multilayer chip capacitors) – многослойные керамические чип-конденсаторы.


Действительно, в 1995 г. производители автомобилей в основном использовали полупроводниковые приборы, изготовленные по зрелым технологиям (т. е. не с самыми малыми топологическими нормами). Они применялись в радиоприемниках или электроприводах подъема–опускания дверных стекол, т. е. в относительно простых системах. Теперь же в автомобилях используются ИС и другие полупроводниковые приборы, изготовленные по новейшим технологиям, чаще всего с минимальными топологиями. Это необходимо, в частности, для реализации всех заложенных в перспективных системах помощи водителю (ADAS) параметров. Другими словами, о комфортном использовании зрелых технологий с пятилетним (в среднем) сроком эксплуатации в других применениях, по которым уже известны режимы сбоев и выявлены проблемы применения, можно забыть. Никто не знает, насколько стабильны приборы, созданные по новейшим технологиям, и какие проблемы (в приложении к автомобильной промышленности) им свойственны. Эксперты других фирм подтверждают выводы специалистов Optimal+. Так, исследователи фирмы DFR Solutions подчеркивают, что обычно для выявления всей проблематики новой технологии требуется ее обкатка в течение 6–7 лет. В случае с 7/5-нм технологиями такой опыт отсутствует, и какими будут отклонения от заявленных параметров, неизвестно. Требуется глубокое понимание как на уровне системы, так и на уровне ИС, а также достаточный объем данных, на основании которых можно сделать выводы о местах и причинах возникновения проблем. По мнению специалистов корпорации ASIC Delta, изготовителям как автомобилей, так и автомобильной электроники нужна уверенность в том, что после входящего контроля ИС и электронные компоненты будут надежно и устойчиво работать в течение всего срока службы, несмотря на неизбежные старение и износ. В автомобильной промышленности требования к надежности ИС существенно выше, чем у производителей потребительской электроники, так как речь идет о безопасности людей.


КОРПУСИРОВАНИЕ И ТЕСТИРОВАНИЕ

Одна из причин возникновения отказов автомобильных ИС и полупровод-никовых приборов – ​корпусирование в стандартные пластиковые или керамические корпуса, которые, по мнению отраслевых специалистов, выбираются прежде всего из соображений минимизации стоимости. Однако ситуация постепенно меняется, в частности из-за того, что автомобильная промышленность начинает использовать инструментальные средства проектирования, которые многие годы применялись при создании перспективных конструкций полупроводниковых приборов. При этом проявляются определенные разрывы в опыте производителей ИС, ранее не работавших специально на автомобильную промышленность, а также производителей автомобилей и автомобильных ОЕМ, не имеющих опыта работы с некоторыми аспектами проектирования и производства ИС по передовым топологическим нормам. Обе стороны изо всех сил пытаются закрыть эти разрывы, но в ряде случаев простых решений нет.

Действительно, сложностей много. Появляются интегрированные пассивные приборы, тестируемые в составе модуля. Ранее полупроводниковые приборы поставлялись «россыпью» – ​отдельно процессор, отдельно память, отдельно пассивные компоненты. При этом интегрированные пассивные приборы обычно тестировались до размещения в корпусе модуля. Индукторы, конденсаторы и резисторы изготавливались и тестировались на уровне пластины, что при высокой производительности линии в условиях крупносерийного производства – ​дело нелегкое. В условиях применений в автомобильной и промышленной электронике к трудностям тестирования относятся (при оценке) смещение температурной нестабильности и полное сопротивление смещения. Обычно пассивные компоненты тестируются индивидуально, но в приложениях с повышенными требованиями к обеспечению безопасности или предназначенных для работы в жестких условиях окружающей среды пассивные компоненты должны тестироваться группами, при близком расположении друг к другу, – ​для предотвращения электромеханической связи. Возможностей существующего оборудования тестирования хватает для реализации задачи, но этот подход достаточно длителен и дорог. Использование в автомобильных применениях ИС с топологиями 7/5 нм существенно обостряет проблему.

Таким образом, длительность цикла тестирования увеличивается, сами тесты становятся более объемными. На топологиях порядка 7/5 нм применяется большее число транзисторов, при этом все они должны пройти тестирование, а многие поставщики соответствующего оборудования находятся на начальном этапе доведения методик тестирования до приемлемого уровня.

С увеличением сложности конструкций ИС удлиняется цикл тестирования в целом. Сложность возросла настолько, что сортировки пластин и заключительного тестирования более не достаточно. Фирмы-производители новейших ИС все больше полагаются на тестирование системного уровня, и поставщикам средств тестирования приходится это учитывать, добавляя в свои средства дополнительный этап тестирования системного уровня, а также применяя методы глубокого обучения, относящиеся как к аппаратному, так и к программному обеспечению. Более того, стандартные подходы к тестированию уже не решают всех задач, соответственно, возникает необходимость оснащать современные и перспективные ИС достаточными возможностями встроенного самотестирования. И, наконец, и аппаратное, и программное обеспечение требует функционального тестирования, показывающего, разработана ли ИС в соответствии со спецификациями.


ПЛАНИРОВАНИЕ ОТКАЗОВ

Независимо от того, насколько строгие требования по дефектности предъявляют ОЕМ и поставщики первого уровня и какие меры по борьбе с дефектностью применяются, некоторое количество отказов неизбежно. Износ электроники происходит по различным причинам. Возникновение дефектов, ведущих к отказам, может быть связано с ошибками при проектировании, вызванными изменениями, вносимыми в конструкцию «в последнюю минуту» (такие изменения не всегда до конца продуманы и могут не согласовываться со всеми элементами конструкции). К другим распространенным причинам возникновения дефектов можно отнести попадание загрязняющих частиц в тонкие пленки или нестабильность либо недостаточную чистоту газового потока при операциях травления. Кстати, уже накопилось достаточно много исследований последствий попадания на 7-нм транзистор случайной (блуждающей) альфа-частицы.

Обычно в течение производственного дня собирается статистика относительно параметров изготовленных изделий, при этом возможные отклонения могут оказаться внутри заданных контрольных границ или спецификаций. В этом случае поиск дефектов подобен поиску иголки в стоге сена. Первым шагом будут получены данные. Далее необходимо понять, что они означают, после чего вернуться к процессу и уточнить, лежит ли обнаруженное явление в допустимых рамках или все же выходит за их пределы.

Более того, не всегда можно определить, что является катастрофическим дефектом, а что – ​нет. Некоторые скрытые дефекты никогда не вызовут сбоев, в то время как другие, менее очевидные, способны перерасти в более серьезные проблемы при изменении условий окружающей среды или в случае избыточной вибрации (рис. 2).



Источник: KLA

Рисунок 2. Сопоставление потенциального и катастрофического дефектов


Исходя из этого наряду с усилиями по выявлению и предотвращению возможных последствий проявления скрытых дефектов принимаются меры для решения проблемы при ее возникновении. Так, помимо повышения надежности разрабатываются решения, обеспечивающие легкую замену компонентов.

Сложность – ​общий параметр старения любой электронной системы. Помимо этого у различных технологий существуют собственные наборы параметров, влияющих на ускорение старения (износа), например температура и напряжение. Действительно, если устройство рассчитано на работу при напряжении 12 В (от автомобильного аккумулятора), то его эксплуатация при напряжении в 24 В существенно сократит срок службы. Ускорить износ электронных систем и компонентов способны самые разные параметры: влажность, механические воздействия и т. п.

Опираясь на эти параметры, можно моделировать срок службы компонентов. Чем больше компонентов при этом используется, тем короче процесс моделирования, особенно при «пожизненном» моделировании из расчета срока службы компонента в 20 лет. В этом случае применяется единица измерения интенсивности отказов FIT (failures per interval of time), подразумевающая один отказ на 109 часов наработки.

Различные автомобильные электронные компоненты характеризуются различной временной интенсивностью отказов. Если для компонентов потребительской электроники (в данном случае – ​автомобильной информационно-развлекательной аппаратуры) уровень качества определяется как 100 FIT, то для критических с точки зрения обеспечения безопасности компонентов этот уровень опускается до 0,1 FIT. Соответственно, моделирование длительности службы автомобильных ИС и полупроводниковых приборов должно осуществляться в зависимости от классификации конечной электронной системы, в которой они применяются. К электронным устройствам автомобиля, не являющимся критически важными для обеспечения безопасности, относится (помимо информационно-развлекательной аппаратуры), в частности, электроника контроля уровня зарядки аккумуляторов. При моделировании надежности электронных компонентов для вычисления воздействия различных факторов на ускорение их износа обычно используют уравнение Аррениуса, устанавливающее зависимость константы скорости химической реакции от температуры.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Насколько хорошо будут работать автомобильные электронные компоненты в течение всего срока службы, а также насколько точным может быть моделирование этого процесса с использованием метода ускорения износа, сказать трудно. В процессе эксплуатации автомобиля проявляются не только известные факторы, но и те, появление которых трудно предсказать. Кроме того, проектирование и производство ИС по новейшим технологическим процессам с использованием минимальных топологических норм также характеризуется множеством переменных – ​от изменчивости собственно технологических процессов (проектирования и особенно производства) до возникновения по различным причинам мельчайших дефектов. Главное – ​правильно понять и оценить все эти переменные, а затем грамотно использовать весь объем знаний, накопленных, с одной стороны, проектировщиками и производителями ИС и полупроводниковых приборов, а с другой – ​производителями автомобильной электроники и автомобилей. Именно такой подход существенно повышает вероятность предсказания различных неисправностей и отказов и обнаружения катастрофических дефектов.

Критические для безопасности применения потребуют дополнительных этапов тестирования и лучшего понимания механизмов возникновения и проявления дефектов. Отраслевые специалисты полагают, что необходимо расширить практику тестирования на ранних этапах производства электронных компонентов для автомобильных систем. Во многом это мотивируется предстоящим переходом к расширению использования автономных транспортных средств.

 

Sperling Ed, Rambo Susan. Reliability Becomes the Top Concern in Automotive. Semiconductor Engineering, February 12, 2019: https://semiengineering.com/reliability-becomes-the-top-concern-in-automotive/

я

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 16(6740) от 19 августа 2021 г. г.
Выпуск 13(6737) от 08 июля 2021 г. г.