Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Методическое пособие 700

.pdf
Скачиваний:
11
Добавлен:
30.04.2022
Размер:
4.89 Mб
Скачать

М.И. Горлов Е.П. Николаева

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Учебное пособие

Воронеж 2005

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

М.И. Горлов Е.П. Николаева

КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТОДЫ

ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2005

УДК 521.3.049.77.019.3

Горлов М.И., Николаева Е.П. Конструкционные методы повышения надежности интегральных схем: Учеб. пособие. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2005.

263 с.

В учебном пособии освещаются вопросы влияния выбора конструкции кристалла, корпусов, методов монтажа кристаллов в корпус и т.п. на надежность интегральных схем.

Данное учебное пособие полностью соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника», специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника» очной и заочной форм обучения, дисциплине «Конструкционные методы повышения надежности интегральных микросхем», а также Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по подготовке магистров техники и технологии по направлению 140400 «Техническая физика», дисциплине «Технологические и конст-

рукционные методы повышения надежности ИС».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе Word for Windows и содержится в файле Надежность.ехе.

Табл. 70 . Ил. 51 . Библиогр.: 15 назв.

Научный редактор д-р физ.-мат. наук, проф. С.И. Рембеза

Рецензенты: кафедра физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Е.Н. Бормонтов); д-р техн. наук, проф. Б.К.

Петров

© Горлов М.И., Николаева Е.П., 2005

© Оформление. Воронежский государственный технический университет, 2005

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время вся радиоэлектронная аппаратура (РЭА), применяемая в оборонной и космической технике, в товарах культурно-бытового назначения, построена на полупроводниковых изделиях (ППИ), в том числе наиболее сложных изделиях – интегральных схемах (ИС).

Известно, что конструктивно любые ИС в корпусном исполнении, а речь будет идти в основном о них, состоят из полупроводникового кристалла, в котором различными физико-химическими способами создается структура и топология схемы, и корпуса, защищающего кристалл от вредных воздействий.

Кристалл ИС крепится на основании корпуса пайкой или склеиванием, а микропроволокой или другим способом создаются соединения от кристалла к траверсам корпуса. Надежность и долговечность ИС зависит от надежности схемы, изготовленной на кристалле, от надежности корпуса и от взаимного влияния кристалл

– корпус.

Все хорошо понимают, что конструкция любой машины зависит от конструкции ее деталей и узлов. При конструировании ИС необходимо разработать электрическую схему (схематическое решение), выбрать технологический метод изготовления схемы на кристалле (биполярный и/или МДП), выбрав при этом материал полупроводника с необходимыми параметрами, метод изоляции элементов (диэлектрический, p-n-переходом или комбинированный), метод получения структур элементов схемы (диффузионный или

ионного легирования), способ защиты поверхности кристалла, тип корпуса, метод крепления кристалла к основанию корпуса, материал и способ крепления внутреннего выводов.

Специфика конструирования ИС такова, что выбор технологии изготовления ИС определяет во многом и ее конструкцию. Поэтому в полупроводниковой электронике речь идет о конструктивнотехнологических особенностях разрабатываемой ИС.

В предлагаемом учебном пособии, написанном авторами на основе десятилетнего опыта чтения лекций по курсу «Конструкционные методы повышения надежности интегральных микросхем», рассматриваются основные понятия в теории качества и надежности, требования к конструкции ИС и обеспечение надежности при конструировании ИС, а также методы защиты ИС от электростатических

разрядов и методы повышения радиационной стойкости ИС.

Данное учебное пособие полностью соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210100 «Электроника и микроэлектроника», специальности 210104 «Микроэлектроника и твердотельная электроника» очной и заочной форм обучения, дисциплине «Конструкционные методы повышения надежности интегральных микросхем», а также Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по подготовке магистров техники и технологии по направлению 140400 «Техническая физика», дисциплине «Технологические и конструкционные методы повышения надежности ИС».

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ В ТЕОРИИ КАЧЕСТВА

ИНАДЕЖНОСТИ

1.1.Термины и определения

Внастоящее время наиболее распространена теория относительного качества, сущность которой состоит в том, что качество изделий определяется его целевым назначением.

Качество - совокупность свойств изделия, обусловливающих его пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением.

Для изготовителя ППИ это понятие связано с соответствием выпускаемых изделий требованиям документации по электрическим параметрам и внешнему виду, принятием техническим контролем партии изделий с первого или второго предъявления, отсутствием или величи-

ной претензий потребителей к данному типу изделий с входного контроля или сферы изготовления электронных блоков и РЭА (рис. 1.1).

Потребители ППИ оценивают качество получаемых изделий по количеству отказов по электрическим параметрам и внешнему виду на входном контроле при нормальных условиях, повышенных или пониженных температурах, различных отбраковочных испытаниях. По количеству отказов ППИ при изготовлении плат, блоков, РЭА также судят об их качестве.

Для изготовителя ППИ важнейшим показателем качества служит процент выхода годных ППИ. Это объясняется тем, что выход годных изделий определяет в комплексе управляемость и стабильность производства, что, в свою очередь, связано с показателем надежности ППИ.

Надежность есть внутреннее свойство изделия сохранять свои характеристики (значения параметров) в заданных пределах и в заданных условиях эксплуатации.

Под изделием понимается элемент, прибор, блок, аппаратура, система, машина и т.п.

Из определений качества и надежности видно, что качество – понятие субъек-

тивное, а надежность изделия обязательно связана со временем, выполнением заданных функций за это время и зависит от условий эксплуатации.

Надежность изделия закладывается при его конструировании, обеспечивается при его изготовлении и сохраняется при его эксплуатации.

Пусть при конструировании изделия заложена надежность Р0. При выпуске его надежность в лучшем случае будет равна Р0. Но за счет разброса материалов, технологических процессов, возможного нарушения техпроцесса или его отклонения надежность изделий при выпуске в период освоения будет равна:

Р = Р0 – Р .

Величина Р будет определяться управляемостью и стабильностью технологического процесса.

Если же с течением времени будут усовершенствованы конструкция и/или технология или внедрена автоматизация технологических процессов, то надежность выпускаемых изделий будет равна:

Р = Р0 + Р .

Надежность выпускаемых изделий будет расходоваться с той или иной степенью быстроты в зависимости от режима и условий эксплуатации. Если условия и режим эксплуатации будут неблагоприятны, то надежность изделий будет расходоваться быстро, и наоборот.

Для описания конкретного изделия пользуются понятиями исправного и работоспособного состояния.

Под исправным подразумевается состояние изделия, при котором оно соответствует всем требованиям нормативной документации (техническим условиям – ТУ и конструкторской документации).

Работоспособное состояние – такое состояние изделия, при котором параметры, характеризующие способность изделия выполнять заданные функции, соответствуют нормативной документации, однако один или несколько параметров при этом могут иметь отклонение от нормативной документации. При этом изделие может быть работоспособным в одном типе аппаратуры, но не быть работоспособным в другом типе аппаратуры. Примерами таких отклонений параметров изделий могут быть нарушения внешнего вида корпуса изделия, увеличение обратного тока или уход коэффициента усиления транзистора за допустимые по техническим условиям нормы, увеличение выходного напряжения

логического нуля или уменьшение выходного напряжения логической единицы за допустимые техническими условиями нормы, не влияющие на работоспособность данной аппаратуры.

Характеристикой изделия, связанной с его эксплуатацией, является наработка, представляющая собой продолжительность или объем работы изделия.

Календарная продолжительность от начала эксплуатации до наступления предельного состояния изделия называется

сроком службы или долговечностью.

Под безотказностью (или временем безотказной работы) понимают свойство изделия непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Сохраняемость – свойство изделия непрерывно сохранять исправное состояние в течение, и после хранения и транспортировки. Например, наработка ИС в