Метод оценки качества тонкопленочной платы

Спирин В.Г.

МЕТОД ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ТОНКОПЛЕНОЧНОЙ ПЛАТЫ

Разработан метод оценки качества тонкопленочной платы, который основан на результатах измерения сопротивления резисторов и вычисления их инструментальных погрешностей. Применение данного метода позволяет увеличить выход годных плат в 1,5-2 раза.

При контроле качества тонкопленочной платы в процессе производства используют два основных типа контроля: контроль внешнего вида и контроль параметров пассивных элементов (резисторов, конденсато-

ров и индуктивностей). Наиболее распространенным элементом платы является тонкопленочный резистор (ТПР). Количество ТПР на одной плате может достигать несколько десятков и даже сотен. Качество изготовления платы будет определяться точностью попадания сопротивлений ТПР в заданный допуск.

Ручное измерение сопротивлений большого количества резисторов платы является трудоемким процессом. Для снижения трудоемкости и повышения достоверности измерений сопротивлений ТПР в работе [1] предложена автоматизированная система контроля качества платы, в основе которой лежит измерение сопротивлений резисторов тестовых схем, расположенных на периферийных технологических полях подложки. Далее по определенным алгоритмам производился расчет систематических и случайных погрешностей размеров ТПР. По рассчитанным значениям погрешностей давалось заключение о годности платы.

Метод, рассмотренный в [1] является косвенным, а, следовательно, ненадежным. Если данный метод дает заключение о годности платы, то это вовсе не означает, что сопротивления всех резисторов платы входят в заданное поле допуска. Это обусловлено рядом причин, например, таких как неравномерность напыления резистивного слоя по поверхности подложки, локальное подтравливание резистора, пористость подложки, проколы в фоторезисте и пр. В этом случае велика вероятность того, что на сборочную операцию может быть пропущена бракованная плата.

При проектировании и изготовлении плат не придают должного значения инструментальным погрешностям ТПР, хотя они снижают выход годных в 1,5-2 раза [2]. Инструментальные погрешности сопротивления ТПР в основном определяются комплектом фотошаблонов (ФШ) . Они проявляются в том, что один или несколько сопротивлений резисторов не попадают в заданное поле допуска. Это может быть вызвано несколькими причинами. На воспроизводимость сопротивления ТПР кроме технологического процесса изготовления ФШ могут оказывать влияние: разработчик электрической принципиальной схемы, конструктор эскиза топологии, кодировщик. Все многообразие инструментальных погрешностей можно разделить на методические, субъективные и производственные погрешности изготовления ФШ.

К методическим погрешностям, например, можно отнести выбор разработчиком схемы номинального сопротивления ТПР по стандартному ряду, например, Е96, что, иногда приводит к несоответствию перечню элементов сопротивления ТПР, изображенного на эскизе топологии, вследствие дискретности координатной сетки. Методические погрешности формируются из-за того, что применяемые математические модели расчета сопротивления ТПР и его погрешностей являются приближенными и не включают в себя особенностей конструкций ТПР, например, сопротивления его электродов, а также систематические производственные погрешности, которые возникают в реальном технологическом процессе.

Субъективные погрешности, в основном, связаны с невнимательностью проектировщиков плат и ФШ. Ошибки такого рода приводят, как правило, к неверному определению числа квадратов резистора.

Производственные погрешности изготовления ФШ связаны с тем, что производственное оборудование имеет определенную точность. Кроме того, возникают неполадки оборудования, например, фотонаборной установки. Неполадки оборудования могут значительно увеличить инструментальную погрешность. ФШ изготавливаются фотографическим или фотолитографическим методами, которые также имеют свои погрешности.

Инструментальные погрешности обнаружить очень сложно, так как они маскируются производственными погрешностями изготовления ТПР. На сопротивление резисторов влияют два основных параметра: удельное поверхностное сопротивление р резистивной пленки и коэффициент формы Кф. Вследствие этого трудно выявить причины появления инструментальных ошибок при получении заданных сопротивлений ТПР в процессе изготовления плат, так как сопротивление зависит от двух переменных: р и Кф. Отсюда возникает

задача разработки алгоритма оценки инструментальных погрешностей, который позволил бы при каждом запуске платы по новым фотошаблонам простыми расчетами находить данный класс погрешностей.

Целью настоящей работы является разработка метода оценки качества тонкопленочной платы по результатам вычисления инструментальных погрешностей ТПР.

В работе [3] предложен алгоритм оценки инструментальных погрешностей. Данный метод основан на сопоставлении исследуемого сопротивления резистора с эталонным. Причем в качестве эталонного резистора выбирается ТПР с большими размерами, который входит в состав платы. Если такового не имеется, то проектируются технологические эталонные резисторы с размерами 0,5х0,5 мм. Недостатком данного метода является то, что технологические эталонные резисторы увеличивают трудоемкость проектирования платы, и занимают ее площадь. Кроме того, данный метод отличается сравнительно невысокой точностью, так как основан только на исключении влияния удельного поверхностного сопротивления.

В дальнейшем будем полагать, что систематические погрешности длины, ширины и сопротивления электродов ТПР скомпенсированы [4]. Можно предложить другой подход к выбору эталонного резистора, основанный на вычислении погрешности отношения сопротивлений двух ТПР. Согласно [5] эта погрешность в общем случае определяется выражением:

5К=5рс1-5ра2+

где Зрс1, Зрс2 - систематическая градиентная погрешность удельного поверхностного сопротивления резистивной пленки резисторов К1, К2; З1, ЗЬ - случайные погрешности длины 1 и ширины Ь резисторов К1, К2; ЗКд - погрешность отношения сопротивлений двух ТПР, обусловленная точечными дефектами.

Если при проектировании платы исследуемый и эталонный резисторы расположить на расстоянии менее 5 мм друг от друга, то градиентной погрешностью можно пренебречь. В этом случае формула (1) принимает более простой вид.

5К3 - 312)2 +

Как следует из формулы (2) погрешность отношения сопротивлений двух ТПР будет минимальна, если резисторы имеют идентичную форму и расположены в непосредственной близости друг от друга. В этом случае величина этой погрешности будет определяться точечными дефектами (обычно ЗКд=1-3%). Однако на практике требование по идентичности форм всех ТПР выполнить невозможно. Тем не менее, можно предположить, что при некоторых условиях возможно приближение выражения (2) к минимальной погрешности.

Чтобы выявить эти условия рассмотрим случайную погрешность коэффициента формы ТПР, которая описывается следующей формулой:

5к=^д12 + дЬ2 =^

где Д1, ДЬ -абсолютные, случайные производственные погрешности длины и ширины ТПР.

Если д1 > ЭдЬ или дЬ > 3д1, то меньшим слагаемым в формуле (3) можно пренебречь. Как показывают

исследования [6] для структуры пленок РС-3710-V-Al Д1 = 2ДЬ. В этом случае возможны две ситуации:

а) 2ДЬ/1 > 3ДЬ/Ь; откуда 1/Ь = Кф < 2/3

б) ДЬ/Ь > 6ДЬ/1; откуда Кф > 6.

Анализ формул (2, 3) показывает, что все резисторы, которые может содержать тонкопленочная плата,

в зависимости от коэффициента формы Кф можно разделить на несколько групп, причем каждую группу мож-

но характеризовать собственным значением погрешности отношений сопротивлений. Для каждой группы ТПР выявим условия минимума погрешности отношения сопротивлений двух ТПР:

1-ая группа - резисторы с примерно равной или большой шириной. В этом случае (511 - 512 ) >3 ( 5Ьх - 5Ь2) ;

2-ая группа - резисторы, размеры которых значительно отличаются друг от друга;

3-я группа - резисторы с примерно равной или большой длиной. В этом случае ( 5Ьх - 5Ь2 ) >3 (511 -512 ) .

Таблица 1. Влияние коэффициента формы на погрешность отношения сопротивлений двух ТПР.

Номер группы ТПР Коэффициент формы Погрешность отношения сопротивлений группы

1 0,01 <Кф<0,67 Кд 5 + 2 1 5 - 11 5 = К 5

2 0,67 <Кф < 6 5К = ^(д^-д12)2+2 -дЬ2)2 + 5Кд

3 6 Л ф Кф Кд 5 + 2 Ь2 5 - Ь1 5 = К 5

Из табл. 1 следует, что предпочтительнее в качестве эталонного выбирать резистор из той же группы, что и исследуемый. В этом случае минимизируются случайные производственные погрешности изготовления ТПР и легко выявляются инструментальные. Таким образом, минимальную погрешность отношения сопротивлений двух ТПР наиболее сложно обеспечить для резисторов второй группы. Следует отметить, что ТПР этой группы характеризуются максимальной производственной погрешностью, вследствие высокой чувствительности их размеров. Поэтому, для повышения выхода годных плат, при их проектировании, следует увеличить размеры ТПР второй группы. Это вполне допустимо, так как резисторы данной группы занимают небольшую площадь.

При изготовлении платы по новым ФШ необходимо определить те резисторы, сопротивление которых не попало в заданное поле допуска. Для каждого из исследуемых резисторов следует выбрать эталонный резистор. В дальнейшем исследуемый резистор будем обозначать К1, а эталонный - К2. Сформулируем

требования к выбору эталонного резистора:

Эталонный резистор должен входить в состав платы, на которой расположен исследуемый резистор.

Измеренное сопротивление эталонного резистора должно соответствовать заданному допуску.

Коэффициенты формы исследуемого и эталонного резистора должны соответствовать одной группе (табл. 1) или находится на стыке групп.

Расстояние между исследуемым и эталонным резисторами по координате Y (малой стороне подложки) не должно превышать 5 мм. В этом случае разностью градиентной погрешности этих сопротивлений можно пренебречь.

Определение инструментальных погрешностей ТПР производят по следующему алгоритму:

По вышеописанной методике для каждого резистора платы определяют эталонный резистор, для чего группируют резисторы, согласно табл. 1. Сочетание пар исследуемого и эталонного резисторов не должны повторяться.

Задаются значением дКд (обычно дКд = 0,03).

Производят вычисление допустимой погрешности исследуемого резистора относительно эталонного по формулам табл. 1, которая обусловлена параметрами этих ТПР, заданными в конструкторской документации.

Вычисляют фактическую относительную погрешность отношения сопротивлений исследуемого и эталонного резистора согласно выражению:

дКи=(К1и/К2и-К1/К2)/(К1/К2) = (К1И/К2И)(К2/К1) -1,

где К1И, К2И - измеренные сопротивления резисторов платы; К1, К2 - номинальные сопротивления этих же резисторов по конструкторской документации.

Если исследуемая плата содержит инструментальные погрешности ТПР, то выполняется следующее неравенство:

/дК„/>дК

Если неравенство (4) выполняется для какого-либо исследуемого резистора, то проводят анализ причин, вызвавших это отклонение, и принимают меры по их устранению. Анализ инструментальных погрешностей ТПР следует проводить при первом изготовлении тонкопленочной платы по новым ФШ. Этому анализу должны подвергаться также те платы, которые характеризуются низким процентом выхода годных, в связи

с непопаданием сопротивления какого-либо ТПР в заданный допуск.

По разработанным алгоритмам произведена оценка инструментальных погрешностей вновь спроектированной (ноябрь 2004г.) платы УКВГ, на которой сформировано 47 резисторов. Размер платы составляет 45х29,5 мм. Первые образцы данной платы были изготовлены в апреле 2005г. Для анализа инструментальных погрешностей ТПР необходим чертеж платы и результаты измерения сопротивлений. В связи с тем, что часть резисторов являются подгоночными и значения их сопротивлений записывались только после проведения подгонки, то эти резисторы анализу не подвергались.

На основании чертежа платы 6Ш7.100.429 и вышеизложенных рекомендаций произведем для каждого ТПР

выбор эталонного резистора. Для чего выполним группировку ТПР (табл. 2).

Таблица 2. Группировка резисторов.

Номер группы ТПР Коэффициент формы Обозначение резисторов

1 0,01<Кф<0,67 R4 6, R4 7

2 6 < ф & VI 7 6 0 R1, R3, R4, R5, R13, R14, R16, R20, R25, R26, R27, R31, R32, R36, R41, R4 3, R4 4, R4 5.

3 К ф > 6 R2, R6, R8, R9, R11, R12, R17, R18, R19, R21, R22, R23, R24, R28, R33, R34, R35, R40.

Оценка инструментальных погрешностей проводилась при следующих исходных данных: Д1 = ±10 мкм; ЛЬ = ±5мкм; 5Кд = 0,03; р = 1 кОм/^. Разность градиентной погрешности для всех исследуемых и эталонных ТПР принималась равной нулю.

По разработанным алгоритмам вычислим допустимые и фактические отклонения сопротивлений исследуемых резисторов от эталонных, а результаты расчетов сведем в табл. 3.

Таблица 3. Расчет инструментальных погрешностей.

Обозн. R, кОм Ь, мкм 1, мкм Кф Rэт Rи, кОм 5К 5Ки | 5Ки | >5К

R1 5 300 1500 5 R25 4,78 0,0300 -0,0185

R2 6,2 400 2400 6 R3 5,62 0,0326 -0,0340 +

R3 6 500 3000 6 R9 5,63 0,0372 0,0126

R4 2,4 300 700 2,3333 R5 2,28 0,0387 -0,0021

R5 1 600 600 1 R14 0,952 0,0356 -0,0351

R6 31 200 6200 31 R17 30,2 0,0314 -0,0064

R8 150 200 30000 150 R23 143 0,0389 -0,0495 +

R9 30 300 9000 30 R2 27,8 0,0352 0,0223

R11 7 500 3500 7 R12 6,85 0,0300 0,0209

R12 7 500 3500 7 R1 6,71 0,0377 0,0027

R13 5 200 1000 5 R4 3 4,64 0,0390 -0,0353

R14 1,5 600 900 1,5 R11 1,48 0,0356 0,0083

R16 3 600 1800 3 R4 4 2,85 0,0334 0,0053

R17 205 200 41000 205 R19 201 0,0348 -0,0026

R18 30 200 6000 30 R2 8 29,2 0,0383 0,0472 +

R19 10 200 2000 10 R21 9,83 0,0312 0,0062

R2 0 3 200 600 3 R25 2,98 0,0430 0,0198

R21 13 200 2600 13 R33 12,7 0,0318 0,0009

R22 10 300 3000 10 R23 9,87 0,0300 -0,0160

R23 10 300 3000 10 R2 4 10,03 0,0308 0,0061

R2 4 13 300 3900 13 R22 12,96 0,0308 0,0101

R25 5 300 1500 5 R23 4,87 0,0333 -0,0289

R2 6 1 600 600 1 R4 5 0,917 0,0327 -0,0245

R27 2 500 1000 2 R3 6 1,831 0,0368 -0,0121

R2 8 20 300 6000 20 R4 0 18,59 0,0317 -0,0388 +

R31 0,9 2000 1800 0,9 R32 0,825 0,0300 -0,0120

R32 0,9 2000 1800 0,9 R4 4 0,835 0,0326 -0,0182

R33 25 200 5000 25 R3 4 24,4 0,0300 0,0041

R3 4 25 200 5000 25 R4 0 24,3 0,0384 0,0052

R35 10 500 5000 10 R4 0 9,5 0,0368 -0,0176

R3 6 3 300 900 3 R41 2,78 0,0300 -0,0447 +

R4 0 10 300 3000 10 R18 9,67 0,0385 -0,0065

R41 3 300 900 3 R4 3 2,91 0,0344 0,0083

R4 3 5 300 1500 5 R3 6 4,81 0,0344 0,0381 +

R4 4 2 1000 2000 2 R32 1,89 0,0326 -0,0053

R4 5 1 700 700 1 R16 0,94 0,0388 -0,0105

R4 6 0,2 2000 400 0,2 R4 7 0,182 0,0300 -0,0162

R4 7 0,2 2000 400 0,2 R5 0,185 0,0402 -0,0284

Как видно из табл. 3 шесть резисторов имеют фактическое отклонение сопротивлений свыше допустимого (эти резисторы отмечены знаком +). Отклонение сопротивления резистора К2 вызвано несоответствием его номинального значения (6,2 кОм) и реализованным в чертеже платы коэффициентом формы (6,0). Это ошибка схемотехника, так как он выбрал номинальное сопротивление этого резистора по ряду Е24. Каких-либо существенных отклонений в конструкторской документации для других пяти резисторов найдено не было. В связи с чем, для этих резисторов был проведен расчет 5КИ по результатам измерения 12 плат. Дополнительный анализ показал:

Большинство рассчитанных значений \5КИ\ < 5К, то есть инструментальных погрешностей для этих ре-

зисторов нет.

Параметр 5КИ имеет как положительные, так и отрицательные отклонения, что свидетельствует о случайном характере отклонений.

Для каждого исследуемого резистора (из пяти) в двух-трех случаях из 12 |5КИ\ > 5К. Эти случаи

можно рассматривать как промахи.

Основные причины промахов следующие:

Результаты измерений резисторов записывались в виде небольшого количества (1-3) значащих цифр. Для исключения этого вида погрешности требуется запись четырех значащих цифр.

Ошибка оператора при измерении сопротивлений ТПР.

Попадание инородной частицы на резистор во время выполнения технологических процессов напыления или фотолитографии.

Не регламентированная шероховатость подложки.

Загрязнение ФШ.

Большая нечеткость края элементов ФШ.

Выводы

Рассмотрены инструментальные погрешности сопротивления ТПР, которые интегрируются в элементы ФШ. Разработан метод оценки качества тонкопленочной платы, который основан на результатах измерения сопротивления резисторов и вычисления инструментальных погрешностей ТПР.

В результате экспериментально-теоретического анализа инструментальных погрешностей сопротивления ТПР установлено, что для повышения выхода годных серийно изготавливаемой платы следует изменить размеры одного резистора. Даны рекомендации по исключению грубых промахов при применении метода. Проведенная практическая оценка показывает высокую эффективность разработанных алгоритмов. Применение данного метода позволяет увеличить выход годных плат в 1,5-2 раза.

ЛИТЕРАТУРА

1. Власов, В.Е. Системы технологического обеспечения качества компонентов микроэлектронной аппаратуры / В.Е. Власов, В.П. Захаров, А.И. Коробов.- М.: Радио и связь, 1987. - 158 с.

2. Спирин, В.Г. Оценка инструментальных погрешностей сопротивления тонкопленочного резистора / В.Г. Спирин // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении. Межвузовский сборник статей по материалам Всероссийской НТК с участием международных специалистов. Н. Новгород - Арзамас, НГТУ - АФ НГТУ, 2003, С 363-365.

3. Спирин, В.Г. Методы определения коэффициента формы тонкопленочных резисторов при проектировании и изготовлении гибридных интегральных схем. / В.Г. Спирин // Технология авиационного приборо- и агрегатостроения. Производственно-технический сборник.- 1990.- Вып.2- С. 66-68.

4. Спирин, В.Г. Компенсация систематических погрешностей тонкопленочных элементов через элементы фотошаблона. / В.Г. Спирин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2004.- № 4.-С. 9-11.

5. Спирин, В.Г. Исследование погрешностей функций тонкопленочных резисторов / В.Г. Спирин, Н.П. Ямпурин // Прогрессивные технологии в машино- и приборостроении. Межвузовский сборник статей по материалам Всероссийской НТК с участием международных специалистов. Н. Новгород - Арзамас, НГТУ - АФ НГТУ, 2003, С 358-362.

5. Спирин, В.Г. Оценка производственных погрешностей тонкопленочных элементов. / В.Г. Спирин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. 2004.- № 4.-С. 50-53.