Результаты отбраковки изделий микроэлектроники для космической аппаратуры с использованием методов разрушающего физического анализа

Гришин М.В., Зелякова Т.И., Крутов Л.Н., Рубан С.О.

Филиал ФГБУ «46 ЦНИИ» Минобороны России

РЕЗУЛЬТАТЫ ОТБРАКОВКИ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ ДЛЯ КОСМИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ РАЗРУШАЮЩЕГО ФИЗИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Рост требований к показателям безотказности космических аппаратов (КА) означает ужесточение требований к показателям качества комплектующих изделий.

Для повышения достоверности информации о показателях выполнения требований в технологии электронной компонентной базы (ЭКБ) и уровне их качества возникла необходимость проведения дополнительных отбраковочных испытаний (ДОИ) готовых изделий, одной из составляющих которых является метод разрушающего физического анализа качества изготовления (РФА) элементов ЭКБ. Комплектование аппаратуры космического назначения и военной техники в настоящее время осуществляется только ЭКБ, прошедшей ДОИ. Работы, проводимые в соответствии с программой ДОИ показали, что нередки случаи, когда серийная продукция заводов-изготовителей ЭКБ не соответствует предъявляемым требованиям.

В «Центре исследования надежности и анализа отказов радиоэлектронной аппаратуры и комплектующих ее изделий» ФГУП «22 ЦНИИ Минобороны России» (далее Центр) в 2005-2006 г. г. были разработаны

методы РФА микросхем интегральных и полупроводниковых приборов военного назначения, которые содержатся в РД В 319.04.47-2006 [1], и успешно применяются при исследовании ЭКБ для комплектования

военной и космической аппаратуры.

РФА - это совокупность испытаний по контролю качества партий изделий ЭКБ со вскрытием корпусов с целью определения их соответствия требованиям конструкторской и технологической документации (КД и ТД), а также выявления скрытых дефектов, которые в документации не отражены и связаны с нарушениями технологического процесса. Эти дефекты могут повторяться и приводить в процессе эксплуатации к необратимым последствиям (например, дефекты металлизации, прочности сварных соединений, дефекты фотолитографии и т. п.).

В рамках этого руководящего документа оговорены подходы к порядку отбора образцов на РФА, общие требования и конкретные рекомендации по порядку проведения РФА, взаимосвязь с действующей нормативной документацией, порядок проведения технологических операций с изделиями, рекомендации по контролю образцов, требования к фотографиям образцов и их дефектов.

Особенности развития конструкции современных ЭКБ, увеличение степени интеграции осложняются проблемами уровня качества исходных материалов и недостаточным совершенством технологических процессов. Точечные и объемные дефекты в исходном материале, дополняемые внесенными дефектами в процессе технологии изготовления, становятся соизмеримыми по размерам с активными областями современных интегральных микросхем и полупроводниковых приборов. В этих условиях выявление с использованием методов РФА дефектности исходных материалов, дефектов в готовых полупроводниковых структурах и качества их изготовления являются задачами первостепенной важности.

Опыт показал, что наибольшее количество дефектных изделий при проведении РФА выявляется на этапах контроля содержания влаги в подкорпусном объёме микросхем, внутреннего визуального контроля (ВВК) и контроля качества металлизированной разводки с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ).

Этап внутреннего визуального контроля, контроля качества металлизированной разводки и качества внутренних сварных соединений осуществляется после вскрытия корпуса микросхемы или полупроводникового прибора и предназначен для проверки качества сборки ЭКБ, качества кристаллов, качества внутренних межсоединений, защитных покрытий, металлизированной разводки, отсутствие загрязнений и т.п. Контроль осуществляется с помощью оптических приборов с различной степенью увеличения, измерителя механической прочности и растрового электронного микроскопа. При проведении контроля требования к качеству изготовления определяются по ОСТ 11 073.013-2008 [2], ОСТ В11 0998-99 [3], ОСТ

В 11 0398-2000 [4], ОСТ В 11 1009-2001 [5], ГОСТ 30668-200 [6], ГОСТ В 28146-89 [7] и ОСТ В 11

0219-85 [8] .

При проведении в 2008 г. и третьем квартале 2013 г. исследований качества изготовления ЭКБ, предназначенных для использования в космической аппаратуре различного назначения основными причинами забракования ЭКБ по результатам РФА являются следующие:

- повышенное содержание влаги в подкорпусном объёме интегральных микросхем;

- грязь на поверхности кристалла (внутренний визуальный контроль);

- наличие пустот в коммутационных шинах, отслаивание и коррозия металлизации, пониженный коэффициент запыления ступеньки окисла (контроль в растровом электронном микроскопе);

- усилие отрыва проволочного соединения меньше нормы (проверка прочности внутренних соединений с использованием динамометра).

Распределение несоответствия качества изготовления ЭКБ требованиям НТД по видам испытаний (число и процентное соотношение к общему количеству забракованных за указанный период) приведены в таблице.

Таблица. Распределение дефектных ЭКБ по видам испытаний

Виды испытаний и признаки несоответствия НТД Количество забракованных ЭКБ по видам испытаний

Штук Процентное отношение к общему кол-ву

Наличие пустот в коммутационных шинах, отслаивание, коррозия металлизации, царапины и микротрещины 92 24,3

Коэффициент запыления ступеньки окисла 55 14,6

Прочность внутренних соединений 11 2,9

Наличие инородной частицы в подкорпусном объеме 21 5,6

Грязь на поверхности кристалла 33 8,7

Содержание паров воды в подкорпусном объеме выше нормы 108 28,6

Закоротки металлизированных дорожек 21 5,6

Превышение величины хвостов проволочных соединений на площадках выводов 10 2,6

Прочность крепления кристалла к корпусу 7 1,9

Растравленные участки основного окисла 11 2,9

Обрыв проволочных соединений 9 2,4

Итого____________________________________________________I 378______I_______________________________

Рост требований к показателям надёжности и безотказности КА означает ужесточение требований к нормативным показателям качества ЭКБ. Партии ЭКБ, не соответствующие критериям НТД, не подлежат установке в КА, хотя конкретные типы в этих партиях по электрическим параметрам соответствуют техническим условиям.

Решение о допуске партий ЭКБ к установке в космическую аппаратуру принимается с обязательным учетом результатов ДОИ и РФА.

Работы, проведенные в соответствии с программой РФА показали, что заводы-изготовители не в состоянии по различным причинам реализовать все требования, выдвигаемые к ЭКБ. Например, оценку коэффициента запыления ступеньки окисла, величину влаги в подкорпусном объеме, испытания на наличие посторонних частиц и т.п. Поэтому Центр в части измерений и испытаний выполняет и то, что не может реализовать завод-изготовитель, в том числе и проведение РФА, который должна выполнять независимая от изготовителя организация.

На сегоднящий момент комплектование аппаратуры космического назначения ЭКБ, прошедшими РФА, является единственным реальным направлением работ по повышению надёжности, которое способно обеспечить длительную работоспособность аппаратуры специального вооружения и космических аппаратов в целом.

Центр проводил испытания ЭКБ для аппаратуры, используемой в космических аппаратах различного назначения, в том числе и военного. Специалисты Центра готовы в целях повышения качества и надежности выпускаемой радиоэлектронной техники провести соответствующие работы по дополнительным испытаниям ЭКБ, руководствуясь требованиями любого заказчика, с учетом области применения аппаратуры .

ЛИТЕРАТУРА

1. РД В 319.04.47-2006. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые военного назначения. Порядок и методы проведения разрушающего физического анализа качества партий изделий, поставляемых для высоконадежных радиоэлектронных средств вооружения.- С-Пб.:Изд.ОАО РНИИ «Электронстандарт», 2006.

2. ОСТ 11 073.013-2008 Микросхемы интегральные. Методы испытаний. - С-Пб.:Изд. ОАО РНИИ «Электронстандарт», 2008.

3. ОСТ В 11 0998-99. Микросхемы интегральные. Общие технические условия.- С-Пб.:Изд. ОАО РНИИ «Электронстандарт», 1999.

4. ОСТ В 11 0398-2000. Микросхемы интегральные. Общие технические условия.- С-Пб.:Изд. ОАО

РНИИ «Электронстандарт», 2000.

5. ОСТ В 11 1009-2001. Многокристальные модули, микросборки. Общие технические условия. - С-

Пб.:Изд. ОАО РНИИ «Электронстандарт», 2001.

6. ГОСТ 30668-2000. Изделия электронной техники. Маркировка. - М.:ИПК. Издательство стандар-

тов, 2001.

7. ГОСТ В 28146-89. Приборы полупроводниковые. Общие технические условия.- М.:Издательство стандартов, 1990.

8. ОСТ В 11 0219-85. Приборы полупроводниковые. Методы технологических (отбраковочных) испыта-ний.-С-Пб.: Изд. ОАО РНИИ «Электронстандарт», 1986.