Обеспечение надежности при проектировании электрических схем

При проектировании микросхемы выполняется расчет-прогноз надежности, основанный на результатах испытаний реальных приборов и тестовых структур, а также моделирования физических процессов в элементах конструкции.

Для повышения надежности изделия его разработка должна вестись с "запасом". Изделие должно сохранять работоспособность не только в диапазоне предельно-допустимых режимов эксплуатации, но и в некоторой области за пределами этого диапазона. Чем больше запасы, тем больше период до начала старения изделия.

Обычно, снижение потребляемой мощности положительно влияет на показатели надежности. Для снижения потребляемой мощности в схеме используются несколько источников питания различных номиналов. Типовое решение – это два номинала питания для периферии и ядра схемы. Надежность зависит и от эффективности используемых элементов защиты от перегрузок и электростатических разрядов.

В схемах памяти, имеющих регулярную структуру, часто используются методы "горячего" резервирования, когда дефекты исправляются автоматически в процессе работы. В нерегулярных логических устройствах резервирование обычно осуществляется уже на плате в аппаратуре.

Конструктивно-технологические методы повышения надежности

Защита от коррозии.

Системы металлизации на основе золота не нуждаются в специальных мерах по защите от коррозии. Для металлизации на основе алюминия или меди лучшим методом защиты считается использование герметичных корпусов с заполнением внутренних полостей инертным газом, например, аргоном. Герметичными являются металлокерамические, металлостеклянные и стеклокерамические корпуса. Для таких корпусов важнейшей операцией является процесс герметизации, при котором во внутренние полости не должны попадать пары флюса или продукты разложения сварочного стекла. Флюсы предназначены для очистки свариваемых корпусов, т.е. для травления металлов. При попадании флюсов во внутрь корпуса, коррозия металлизации быстро приведет к отказу микросхемы.

Пластмассовые корпуса не считаются герметичными. Пары воды легко проникают через поры в пластмассе. Для дополнительной защиты кристаллов после приклеивания их к основанию корпуса и разварки выводов они покрываются эпоксидным герметизирующим лаком. Платы с пластмассовыми корпусами также рекомендуется покрывать защитным лаком. Применение микросхем в пластмассовых корпусах ограничивается аппаратурой, работающей в помещениях или имеющей свои герметичные корпуса.

Защита от электромиграции.

Основной метод защиты – это правильный выбор и детальный расчет системы металлизации. Для металлизации на основе золота легче реализовать требование по ограничению плотности тока, т.к. допустимая плотность на порядок больше. При разработке топологии и конструкции микросхем используются следующие методы:

– многослойная структура проводников и использование сплавов позволяет увеличить вдвое предельно-допустимую плотность тока;

– использование двух или более сварных соединений для подключения к выводу корпуса одной площадки питания на кристалле уменьшает плотность тока в сварном контакте;

– многократное дублирование переходных окон между уровнями металлизации в шинах питания равномерно распределяет ток в переходе;

– планаризация поверхности изолирующего диэлектрика перед нанесением слоя металлизации исключает появление тонких участков на рельефе;

– использование специальной формы шин питания с продольными разрезами на поворотах уменьшает плотность тока в шине с внутренней стороны поворота.

Снижение термомеханических напряжений в кристаллах.

Величина термомеханических напряжений зависит от размеров кристалла и толщины покрывающего его диэлектрика. Чем больше кристалл и толще диэлектрик, тем больше напряжение. Основной путь снижения напряжений в конструкции микросхемы – это введение эластичных прослоек между твердыми слоями с разными коэффициентами термического расширения. Монтаж кристалла на основание корпуса осуществляется с использованием эпоксидного клея с серебряным наполнителем. Наполнитель обеспечивает низкое тепловое сопротивление. Возможен перевернутый поверхностный монтаж кристалла на носитель. В этом случае кристалл касается основания только в точках сварки. Теплоотвод выполняется с обратной стороны кристалла, к которой прижимается теплорастекатель через слой специальной пасты на основе мелкодисперсного серебра.

Снижение напряжений в покрывающем кристалл диэлектрике возможно только при снижении толщины первого слоя. Обычно, толщина первого слоя термически выращенного окисла кремния не превышает 0,5 мкм. Последующие слои диэлектриков наносятся после слоев металлизации. Эластичные элементы металлизации напряжений не создают. Если вся площадь кристалла, оставшаяся свободной после проведения проводников, заполняется мелкими фиктивными элементами, то последующие слои диэлектриков соприкасаются между собой только в узких зазорах между элементами металлизации. Такая конструкция системы металлизации удобна для планаризации диэлектриков и не вносит существенных напряжений в структуру микросхемы даже при суммарной толщине всех проводников и диэлектриков более 10 мкм.

Борьба с загрязняющими примесями.

Известно только 2 способа уменьшения загрязнений в микросхемах – это чистота всех процессов и используемых материалов, а также введение в структуру геттерирующих слоев. Для геттерирования атомов натрия часто используется легирование изолирующих диэлектриков бором или другими элементами.

Снижение уровня скрытых дефектов.

Основной путь снижения числа скрытых дефектов состоит в повышении процента выхода годных микросхем. Согласно первой гипотезе статистической теории надежности, число скрытых дефектов в годных изделиях пропорционально числу выявленных при контроле. Поэтому, процент выхода годных микросхем используется, как показатель их потенциальной надежности. Плотность поражающих дефектов для конкретного производственного участка, как правило, известна и контролируема. Усилия технологов направлены на снижение этой величины. А разработчики при выборе технологии не должны использовать производство, не обеспечивающее требуемый процент выхода годных изделий.