Zuverlässigkeit (Halbleiter) - Reliability (semiconductor)

Die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen lässt sich wie folgt zusammenfassen:

  1. Halbleiterbauelemente sind sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen und Partikeln. Daher ist es zur Herstellung dieser Vorrichtungen erforderlich, viele Prozesse zu verwalten und gleichzeitig den Gehalt an Verunreinigungen und Partikeln genau zu kontrollieren. Die Qualität des Endprodukts hängt von der vielschichtigen Beziehung jeder wechselwirkenden Substanz im Halbleiter ab, einschließlich der Metallisierung , des Chipmaterials ( Liste der Halbleitermaterialien ) und des Gehäuses.
  2. Die Probleme von Mikroprozessen und dünnen Filmen müssen vollständig verstanden werden, da sie für die Metallisierung und das Drahtbonden gelten . Es ist auch notwendig, Oberflächenphänomene unter dem Aspekt dünner Schichten zu analysieren.
  3. Aufgrund des schnellen technologischen Fortschritts werden viele neue Geräte unter Verwendung neuer Materialien und Prozesse entwickelt, und die Konstruktionszeit ist aufgrund einmaliger technischer Einschränkungen sowie Bedenken hinsichtlich der Markteinführung begrenzt . Folglich ist es nicht möglich, neue Designs auf der Zuverlässigkeit bestehender Geräte zu basieren.
  4. Um Skaleneffekte zu erzielen , werden Halbleiterprodukte in großen Stückzahlen hergestellt. Außerdem ist die Reparatur fertiger Halbleiterprodukte unpraktisch. Daher sind die Einbeziehung von Zuverlässigkeit in die Konstruktionsphase und die Reduzierung von Variationen in der Produktionsphase wesentlich geworden.
  5. Die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauelementen kann von Montage-, Verwendungs-, Umgebungs- und Kühlbedingungen abhängen. Stressfaktoren beeinflussen die Zuverlässigkeit der Vorrichtung umfassen Gas , Staub , Verschmutzung, Spannung , Stromdichte, Temperatur , Feuchtigkeit , mechanische Beanspruchung , Vibration , Stoß , Bestrahlung , Druck , und der Intensität der magnetischen und elektrischen Feldern.

Halbleiter - Designfaktoren Zuverlässigkeit beeinflussen , umfassen: Spannung , Leistung und Stromreduzierung ; Metastabilität ; Logik-Timing-Margen ( Logik-Simulation ); Timing-Analyse ; Temperatur- Derating; und Prozesskontrolle .

Verbesserungsmethoden

Die Zuverlässigkeit von Halbleitern wird durch mehrere Verfahren hoch gehalten. Reinräume kontrollieren Verunreinigungen, Prozesskontrolle kontrolliert die Verarbeitung und Burn-In (kurzfristiger Betrieb bei Extremwerten) und Sondieren und Testen reduzieren das Entweichen. Probe ( Wafer Prober ) testet den Halbleiterchip vor dem Verpacken über Mikrosonden, die mit der Testausrüstung verbunden sind. Der letzte Test testet das verpackte Gerät, oft vor und nach dem Einbrennen, auf eine Reihe von Parametern, die den Betrieb sicherstellen. Prozess- und Designschwächen werden durch eine Reihe von Stresstests in der Qualifizierungsphase der Halbleiter vor deren Markteinführung identifiziert, z. G. gemäß den Stressqualifikationen AEC Q100 und Q101. Parts Average Testing ist eine statistische Methode zur Erkennung und Quarantäne von Halbleiterchips, die eine höhere Wahrscheinlichkeit von Zuverlässigkeitsausfällen aufweisen. Diese Technik identifiziert Merkmale, die innerhalb der Spezifikation, aber außerhalb einer Normalverteilung für diese Population liegen, als gefährdete Ausreißer, die für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit nicht geeignet sind. Tester-basierte Teiledurchschnittsprüfungen umfassen unter anderem die parametrische Teiledurchschnittsprüfung (P-PAT) und die geografische Teiledurchschnittsprüfung (G-PAT). Inline Parts Average Testing (I-PAT) verwendet Daten aus der Produktionskontrolle und der Messtechnik, um die Ausreißererkennungsfunktion auszuführen.

Die Messung der Haftfestigkeit wird in zwei Grundtypen durchgeführt: Zugprüfung und Scherprüfung. Beides kann destruktiv erfolgen, was häufiger vorkommt, oder nicht destruktiv. Zerstörungsfreie Prüfungen werden normalerweise verwendet, wenn extreme Zuverlässigkeit erforderlich ist, wie z. B. in Militär- oder Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Fehlermechanismen

Ausfallmechanismen von elektronischen Halbleiterbauelementen fallen in die folgenden Kategorien

  1. Durch Materialwechselwirkung induzierte Mechanismen.
  2. Stressinduzierte Mechanismen.
  3. Mechanisch induzierte Ausfallmechanismen.
  4. Umweltbedingte Ausfallmechanismen.

Materialwechselwirkungsinduzierte Mechanismen

  1. Gate-Metall-Senken des Feldeffekttransistors
  2. Ohmsche Kontaktabbau
  3. Kanalverschlechterung
  4. Oberflächenzustandseffekte
  5. Kontamination der Verpackungsformteile – Verunreinigungen im Verpackungsmaterial verursachen Stromausfälle

Stressinduzierte Ausfallmechanismen

  1. Elektromigration – elektrisch induzierte Bewegung der Materialien im Chip
  2. Burnout – lokalisierter Überstress
  3. Hot Electron Trapping – aufgrund von Übersteuerung in Leistungs-HF-Schaltungen
  4. Elektrische Belastung – Elektrostatische Entladung , hohe elektromagnetische Felder ( HIRF ), Latch-up- Überspannung , Überstrom

Mechanisch induzierte Ausfallmechanismen

  1. Die Fraktur - wegen Fehlanpassung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
  2. Die- Attach - Voids – Herstellungsfehler – mit Scanning Acoustic Microscopy durchsuchbar.
  3. Versagen der Lötstelle durch Kriechermüdung oder intermetallische Risse.
  4. Delamination von Die-Pad/Formmasse aufgrund von thermischen Zyklen

Umweltbedingte Ausfallmechanismen

  1. Feuchtigkeitseffekte – Feuchtigkeitsaufnahme durch das Gehäuse und den Kreislauf
  2. Wasserstoffeffekte – Wasserstoffinduzierter Zusammenbruch von Teilen des Kreislaufs (Metall)
  3. Andere Temperatureffekte – beschleunigte Alterung, erhöhte Elektromigration mit der Temperatur, erhöhtes Ausbrennen

Siehe auch

Verweise

Literaturverzeichnis