Способ неразрушающей диагностики интегральных схем
METHOD FOR NON-DESTRUCTIVE DIAGNOSTICS OF INTEGRATED CIRCUITS

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к способам обеспечения качества и надежности интегральных схем (ИС), и может быть использовано для разбраковки ИС по критерию потенциальной надежности, как на этапе производства, так и на входном контроле на предприятиях-изготовителях радиоэлектронной аппаратуры.
вх
Существует большое количество методов неразрушающей диагностики ИС, в том числе по критическому напряжению питания (КНП) (Контроль микроэлектронных устройств методом критических питающих напряжений / Н.А. Алмина, В.Ю. Гаврилов, Н.Н. Номоконова // Контроль и техническая диагностика, 2010, №1. - С. 115 - 120) с использованием разных частот сигналов f, подаваемых на логический вход ИС (Горлов М.И. Диагностика в современной электронике / М.И. Горлов, В.А. Емельянов, Д.Ю. Смирнов / Мн.: Интегралполиграф, 2011. - 313).
Предполагается, что на частотах, близких к предельным, отклонение от норм электрических параметров и их разброс проявляются значительнее, чем на более низких частотах, и становится возможным получить информативные зависимости параметров от внешних воздействий, а по их поведению оценить степень дефектности схемы и ее надежность. В общем случае с уменьшением частоты следования входных импульсов КНП уменьшается (Винокуров А.А. Диагностика интегральных схем по частотным характеристикам при различных напряжениях питания и температурах/А.А. Винокуров, М.И. Горлов, А.В. Арсентьев, Д.М. Жуков // Вестник ВГТУ, 2014, №3-1, с. 128-132). Частота следования входных импульсов типа меандр при проведении диагностики ИС была выбрана равной 1 МГц, т.к. это значение близко к пределу работоспособности ИС, например, типа М561ТМ2 (КМОП) и SN7474N (биполярные).
Было установлено, что с увеличением температуры ИС время нарастания выходного напряжения монотонно увеличивается. На фиг. 1 показаны зависимости разности времен нарастания выходного напряжения, измеренных при температурах 100°С и 20°С, от напряжения питания ИС типа М561ТМ2. Предполагается, что в бездефектной ИС время нарастания с понижением напряжения монотонно увеличивается. При уменьшении напряжения питания на некоторых кривых наблюдаются значительные перегибы (на фиг. 1 отмечены стрелкой), которые свидетельствуют о наличии дефектов.
пит
На фиг. 2 приведена зависимость от напряжения питания U разности времен нарастания выходного напряжения, измеренных при температурах 20°С и 100°С для ИС типа SN7474N, которая показывает, что в диапазоне напряжений питания от номинального до напряжения порядка 3,5 В эта разность мала и близка к нулю. При уменьшении напряжения питания ниже 3,5 В время нарастания выходного напряжения растет значительно быстрее при 20°С, чем при 100°С, так как время нарастания выходного напряжения начинает значительно увеличиваться только при приближении к КНП.
На фиг. 3 представлены зависимости времени нарастания выходного напряжения от температуры при напряжении питания 3 В. В отличие от большинства ИС, аномальный вид зависимости наблюдается у ИС1 и ИС4. Это свидетельствует о наличии в этих ИС отсутствующих в других ИС дефектов, которые активируются при температурах 60°С и 80°С у ИС1 и ИС4 соответственно. Из этого следует, что ИС1 и ИС4 являются менее надежными, чем остальные в выборке, а зависимость времени нарастания является характеристикой, наиболее чувствительной к наличию дефектов.
Пном
Пкр
Пном
Пкр
Пном
Пкр
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ диагностики, основанный на том, что на представительной выборке ИС подают на вход ИС прямоугольные импульсы входного напряжения со скважностью 2 при номинальном U напряжении питания и при пониженном напряжении питания U, близком КНП, измеряют время нарастания импульса входного напряжения при номинальном напряжении питания τ(U) и время нарастания импульса входного напряжения при пониженном напряжении питания, близком КНП, τ(U). В качестве отбраковочного принимается параметр η, равный произведению τ(U) × τ(U). По величине отбраковочного параметра η осуществляется разделение партии ИС по уровням надежности (Воинов В.В. Метод контроля интегральных схем при пониженном питающем напряжении / В.В. Воинов, С.С. Кураченко // Тез. докл. III Всесоюзной конференции «Моделирование отказов и имитация на ЭВМ статических испытаний ИМС и их элементов». - Суздаль, 1989. - С. 210).
Недостатком этого способа является его низкая эффективность и большая погрешность при определении уровня надежности ИС. Как показано выше, информативным диагностическим параметром, чувствительным к дефектам ИС, является разность времен задержки (нарастания) входного напряжения, измеренных при номинальном и пониженном напряжении питания, которая является малой величиной по сравнению с абсолютным значением времени нарастания импульса входного напряжения.
Техническая задача состоит в повышении эффективности и достоверности разделения ИС на надежные и потенциально ненадежные.
Технический результат достигается заявляемым способом.
Пном
Пкр
Пном
пит
пит
Способ неразрушающей диагностики интегральных схем, при котором на представительной выборке ИС подают на вход ИС прямоугольные импульсы входного напряжения со скважностью 2 при номинальном U напряжении питания и при пониженном напряжении питания U, близком КНП, измеряют время нарастания импульса выходного напряжения τ(U). В отличие от известного способа, частоту прямоугольных импульсов входного напряжения устанавливают близкой к предельной рабочей частоте ИС данного типа, измеряют время нарастания выходного напряжения при изменении напряжения питания ИС от номинального до критического с шагом 0,2 В при двух температурах: комнатной температуре, близкой 20°С, и повышенной температуре, близкой 100°С, определяют зависимость разности времени нарастания импульсов выходного напряжения Δτ(U), измеренных при указанных температурах, от напряжения питания, отбраковывают ИС как потенциально ненадежные по увеличению разности времени нарастания импульсов Δτ(U) более чем на 10% от значения Δτ при критическом напряжении питания.
Пример
Пном
Отбраковочные испытания проводились на представительной выборке ИС М561ТМ2. Частота устойчивой работы схемы 1 МГц определена в ходе испытаний. Напряжение питания ИС менялось с шагом 0,2 В от 3 В до номинального U=5 В, согласно техническим условиям, и при разных температурах снимались показания времени нарастания импульсов выходного напряжения на установленной частоте работы ИС. На фиг. 4 показан график рассчитанных зависимостей от напряжения питания разности времени нарастания импульсов выходного напряжения Δτ при температуре 20°С и при температуре 100°С. За время нарастания Δτ принимается интервал изменения амплитуды выходных импульсов от минимальной не более 0,1 максимального значения амплитуды до значения не менее 0,9 максимального значения амплитуды. На графике показано: кривая 1 - вблизи КНП разность Δτ не увеличивается; кривая 2 - разность возросла примерно на 2% при напряжении питания 3,3 В; кривая 3 - разность возросла примерно на 18%, соответствующая ИС отнесена к потенциально ненадежной.
Технический результат достигается за счет того, что дефекты ИС заметно проявляются на зависимости разности времен нарастания выходного напряжения, измеренных при нормальной и повышенной температуре на частоте переключения входных импульсов, близкой к предельной, в виде немонотонных участков. При частоте входных импульсов, близкой к предельной, аномалии переходных процессов, обусловленные локальными дефектами структуры, проявляются сильнее. Тогда как у бездефектных ИС времена нарастания выходного напряжения с уменьшением напряжения питания как при нормальной, так и при повышенной температуре монотонно увеличивается, а разность этих времен - монотонно уменьшается. Испытания показали, что предложенный способ обеспечивает повышение эффективности и достоверности разделения ИС по надежности, благодаря воздействию двух факторов: предельной частоты переключения и режиму функционирования ИС при повышенной температуре.