Введение к работе
Актуальность проблемы. Постоянное повышение требований к качеству и надежности радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) определяет необходимость применения комплекса мер по обеспечению высокого качества и надежности полупроводниковых приборов (ППП) и интегральных схем (ИС), составляющих основу элементной базы современной РЭА. Одним из перспективных направлений при формировании такого комплекса мер является разработка и совершенствование методов и средств неразрушающего контроля и диагностики качества полупроводниковых изделий Такие методы и средства активно разрабатываются по мере изменения и совершенствования технологии производства ППП и ИС, появления новых классов приборов, расширения их функциональных возможностей и областей применения. Они основываются на комплексном исследовании физических процессов в структуре и конструкции изделий, которые приводят к отказам или ускоряют их наступление.
Результаты исследований отечественных ученых Н.М Ройзина, В.Л Аронова, Я.А.Федотова, НД.Горюнова, Д.К.Закса, Б.К.Петрова, В.Ф.Синкевича, В Ф.Сынорова, А А. Чернышева и др., а также анализ отказов радиоэлектронных компонентов при испытаниях и в реальных условиях эксплуатации показывают, 410 предельные функциональные возможности и надежность даже бездефектных полупроводниковых изделий, и в особенности мощных ППП и ИС, во многом определяются эффектами неоднородного, а при некоторых режимах и неустойчивого, распределения плотности тока, мощности и температуры в приборных структурах. Указанные эффекты ускоряют механизмы деградации и отказов изделий и проявляются в отклонении реальных теплофизических характеристик (ТФХ) 111 III и ИС о) расчетных, что служит физико-технической основой методов неразрушающего контроля качества полупроводниковых изделий по ТФХ. К началу 80-х годов был накоплен определенный опыт разработки и применения таких методов.
Широко используемые в исследовательской практике прямые и бесконтактные методы измерения температурных полей ППП и ИС, основанные на регистрации инфракрасного излучения с поверхности приборных структур и применении различного рода термоиндикаторов, нетехнологичны, имеют низкое быстродействие и не применимы на стадиях выходного и входного контроля качества. Значительная группа методов диагностики качества основана на выявлении аномалий неизотермических ВАХ полупроводниковых изделий при появлении неустойчивости токораспределения и резко неоднородных состояний в приборных структурах; при этом изделие в процессе контроля подвергается запредельным энергетическим воздействиям, что ограничивает применение этих методов в производственных условиях. Применяемые в производственных условиях косвенные методы контроля тепловых свойств ППП и ИС основываются на линейных тепловых моделях и сводятся к измерению отдельных тепловых параметров (теплового сопротивления переход-корпус) в фиксированном электрическом режиме. Информативность этих методов невысока, поскольку они не позволяют оценить неоднородность распределения то-
,3
*ъ~щ^&6&.
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ МЬЛИОТеКА С OS
ка и температуры в приборных структурах, адекватно рассчитать функциональные характеристики, тепловые режимы и надежности электронных устройств с учетом зависимости тепловых параметров ППП и ИС от параметров электрического режима и внешних воздействий. Известные теплоэлектриче-ские модели не в полной мере учитывают влияние токоведущей металлизации, пассивных областей и случайных неодпородностей (дефектов) приборных структур, которые в результате действия внутренней тепловой обратной связи приводят к существенному изменению неизотермического распределения плотности тока, мощности и температуры в структурах изделий.
Таким образом, актуальной задачей является совершенствование известных и разработка новых промышленно ориентированных методов и средств неразру-шающего контроля качества полупроводниковых изделий, позволяющих более адекватно оценивать неоднородность распределения тока и температуры в приборных структурах, температурные запасы и параметры предельных режимов работы изделий с учетом условий их применения.
Цель и задачи исследования. Целью работы является совершенствование известных и разработка новых более эффективных производственно ориентированных методов и средств неразрушающего контроля и повышение достоверности оценки качества полупроводниковых изделий по интегральным теп-лофизическим характеристикам с учетом условий применения и режимов эксплуатации изделий в электронных устройствах.
Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:
-
Разработать аналитические физико-математические модели тешюэлектриче-ских процессов в структурах полупроводниковых изделий с температурозависимой плотностью мощности, позволяющие расчитывать распределение плотности тока, мощности и температуры с учетом влияния регулярных и случайных неоднородно-стей структуры и конструкции изделия и поперечного теплопереноса.
-
Показать возможность аналитического количественного описания влияния различного рода неоднородностей и дефектов структуры и конструкции полупроводниковых изделий на кинетику перераспределения мощности и температуры и устойчивость токораспределения в приборных структурах
-
Проанализировать проявление эффектов неоднородного токораспределения в приборных структурах на интегральных теплоэлектрических характеристиках полупроводниковых изделий и на этой основе исследовать возможности применения комбинации различных видов модуляции греющей мощности для синтеза более эффективных по сравнению с известными косвенных методов и средств измерения теплофизических характеристик полупроводниковых изделий
-
Исследовать механизмы влияния температуры окружающей среды и проникающих излучений на тепловые параметры и устойчивость токораспределения в мощных биполярных ВЧ и СВЧ транзисторах.
-
Аналитически оценить влияние разброса тепловых параметров полупроводниковых изделий на характеристики электронных устройств с их применением, в частности с симметричным включением активных элементов.
. >''' '-' :..і і '>, 4
' > ' *..»!,»
І!..,... . _
6. Исследовать статистические закономерности и особенности выборочных распределений ПГТП базовых типов по величине теплофизических параметров. По результатам ускоренных испытаний определить возможность и оценить эффективность отбраковки потенциально ненадежных приборов по диагностическим, в том числе теплофизическим параметрам.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались
положения физики полупроводников и полупроводниковых приборов, методы
теории теплоперсноса, математической физики и математической статистики, а
также численные методы с применением ЭВМ. Обработка экспериментальных
результатов проводилась с использованием методов теории погрешностей.
t Научная новизна.
1 Развита аналитическая тегоюэлектрическая модель пленарных структур
ПГТП и ИС, связывающая неизотермическое распределение плотности мощности и
температуры в активной области структуры с изотермической неоднородностью
плотности мощности, обусловленной действием регулярных и случайных причин
различной физической природы, с учетом влияния поперечного теплопереноса.
-
Впервые теоретически получены и экспериментально подтверждены аналитические выражения для неизотермического токораспределения в структурах биполярных транзисторов с учетом совместного влияния распределенных сопротивлений токоведущей металлизации, активных и пассивных областей структуры и зависимости коэффициента передачи тока от эмиттерного тока и коллекторного напряжения. Показано, что лавинное умножение в коллекторном переходе приводит к уменьшению неоднородности токораспределения, обусловленной эффектом оттеснения эмиттерного тока
-
На основе моделей неизотермического токораспределения в базовых приборных структурах (биполярных и полевых транзисторов, диодов и термист оров) установлена связь неоднородности распредепения тока и температуры с интегральными теплоэлектрическими храктеристиками изделий. В частности, у термисторов с цилиндрической симметрией внутренняя тепловая обратная связь проявляется в квадратичной зависимости полного сопротивления термистора от мощности постоянного тока.
4. На основе дискретной теплоэлектрической модели выявлены различия кинетики перераспределения плотности мощности и температуры в структурах с теплофизическими и электрофизическими дефектами при изменении греющей мощности; установлена связь параметров дефектов с предельной мощностью, рассеиваемой структурой.
5 Разработаны научно-технические основы синтеза автоматизированных косвенных методов и средств измерения теплофизических характеристик полупроводниковых изделий с применением комбинаций различных видов модуляции греющей мощности: гармонической, линейной, амплітудно-, частотно- и широтно-импульсной.
6. Разработаны новые, более быстородействующие по сравнению с известными, способы и устройства измерения теплофизических параметров и характеристик полупроводниковых приборов методом сравнения.
7. Впервые экспериментально установлено и теоретически объяснено наличие минимума на зависимости напряжения локализации тока в мощных биполярных транзисторах от температуры корпуса и возрастание напряжения локализации тока в мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторах при у-облучении с ростом дозы облучения;
8 Впервые теоретически рассмотрены и получены расчетные формулы для
оценки дополнительных погрешностей и искажений сигналов в электронных
устройствах с симметричным включением активных элементов, обусловленных
технологическим разбросом тепловых параметров активных элементов.
9 Выявлены условия, причины и закономерности проявления двухмо-
дальности распределений мощных биполярных транзисторов по величине теп
лового сопротивления. На основе выборочных испытаний показано, что во
вторую моду распределения попадают дефектные приборы с аномально неод
нородным распределением тока и температуры в структуре.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
-
Предложены рекомендации по изменению геометрии структур и конструкции мощных биполярных транзисторов, позволяющие уменьшить неоднородность токораспределения и повысить устойчивость транзисторов к тепловому пробою
-
Разработан комплекс методов и средств контроля качесгва ППП и ИС по зависимостям теплового импеданса от частоты и мощности, в частности метод температурных волн для диагностики качества цифровых ИС, а также способ и устройство автоматизированного контроля температурной границы области безопасной работы мощных биполярных транзисторов
-
Разработаны и внедрены на промышленных предприятиях, в конструктор-ско-технологических бюро и научных учреждениях серия измерительных приборов, установок и устройств, а также соответствующие методики для контроля качества и отбраковки ППП и ИС по теплофизическим характеристикам:
установка для измерения теплофизических параметров мощных транзисторов УИТЭП внедрена на входном контроле п/я В-8828;
установка для измерения теплоэлектрических параметров мощных транзисторов УИТП-1МТ внедрена на заводе «Искра»;
установка для измерения теплоэлектрических параметров аналоговых микросхем УИТЭП-2 внедрена на входном контроле п/я В8828;
установка для измерения теплоэлектрических параметров логических интегральных микросхем УИТЭП-3 внедрена на п/я В8828;
установка для измерения теплоэлектрических параметров мощных транзисторов УИТЭП-1М внедрена на Сарапульском радиозаводе;
измеритель теплового сопротивления СВЧ диодов (в составе установки УИТЭП-4) внедрен на Ульяновском механическом заводе;
установка для контроля качества мощных транзисторов внедрена на Ульяновском радиоламповом заводе.
4. Получены параметры статистических распределений мощных транзисторов по величине теплового сопротивления и напряжения локализации тока, необходимые при проектировании электронных блоков и узлов РЭА с их применением
Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе на радиотехническом факультете Ульяновского государственного технического университета при проведении занятий по дисциплинам "Основы метрологии и радиоизмерений" и "Метрология, стандартизация и сертификация" для студентов специальности "Радиотехника" и "Телекоммуникации", а также при проведении спецкурсов и ежегодных школ-семинаров в совместном учебнснаучном центре УлГТУ и УФ ИРЭ РАН, созданном в рамках проекта А-0066 ФІЩ "Интеграция".
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной
работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной НТК "Вопросы теории
проектирования аналоговых измерительных преобразователей" (Ульяновск,
' 1980); Межвузовской НТК "Автоматизация контрольно-поверочных работ в
электроприборостроении" (Ульяновск, 1986); Всесоюзной НТК "Пути развития электронных средств и задачи высшей школы в подготовке специалистов соответствующей квалификации" (Ульяновск, і 991); Международной НТК "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Саратов, 1996); Всероссийской НТК "Современные проблемы проектирования и эксплуатации радиотехнических систем" (Ульяновск, 1998); Международной НТК "Методы и средства преобразования и обработки аналоговой информации" (Ульяновск, 1999); Ежегодной школе-семинаре "Актуальные проблемы физической и функциональной электроники" (Ульяновск, 1999... 2002); VIII-ой и IX-ой Международных НТК "Оптические, радиоволновые и тепловые методы и средства контроля качества материалов, промышленных изделий и окружающей среды" (Ульяновск, 2000, 2004); V-ой Всесоюзной НТК "Методы и средства измерений физических величин" (Нижний Новгород, 2000); Международной НТК "Континуальные логико-алгебраические исчисления и нейроматематика в науке, технике и экономике" (Ульяновск, 2001, 2005); 2-ой Международной НТК "Измерение, контроль, информатизация"(Барнаул, 2001), Всероссийской НТК "Современные проблемы радиоэлектроники" (Красноярск, 2001); 3-ей Всероссийской НТК "Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем" (Ульяновск, 2001); Всероссийской НТК "Приборы и приборные системы" (Тула, 2001); Международной НПК «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения»-]>1ТЕКМАТ1С-2004 (Москва, 2004 ). На защиту выносятся:
-
Теоретическая модель, аналитические выражения и результаты расчетов неизотермического токораспределения в базовых приборных структурах с совместным учетом влияния распределенных сопротивлений токоведущей металлизации, пассивных и активных областей приборных структур в приближении локальной тепловой обратной связи (самосогласованного теплоэлектрического режима), а также рекомендации по повышению однородности и устойчивости токораспределения в мощных биполярных транзисторах путем изменения геометрии и оптимизации параметров структуры и конструкции приборов.
-
Обобщенная дискретная теплоэлектрическая модель, результаты расчета распределения тока и температуры, переходных теплофизических характе-
ристик и условий тепловой неустойчивости в структурах ППГ7 и ИС с неодно-родностями и дефектами различной физической природы.
3. Технические принципы, конкретные способы и структурные схемы уст
ройств для автоматизированного косвенного измерения теплофизических ха
рактеристик ППП и ИС и параметров тепловой неустойчивости бипотарны?
транзисторов, основанные на комбинированном применении различных видор
модуляции греющей мощности: гармонической, линейной, амплитудно-, час
тотно- и широтно-импульсной, включая метод температурных волн диагно
стики качества цифровых ИС, а также способ и структурную схему устройст
ва автоматизированного контроля температурной границы области безопрсной
работы мощных биполярных транзисторов
4. Теоретическое обоснование и конкретные варианты новых, более быс-
тородействующих по сравнению с известными, способов и устройств измере
ния теплофизических параметров и характеристик полупроводниковых изде
лий методом сравнения.
-
Результаты экспериментальных исследований зависимостей теплового импеданса биполярных транзисторов, стабилитронов и цифровых интегральных микросхем от частоты и параметров режима измерения
-
Результаты экспериментального исследования и анализа влияния температуры и проникающих излучений на тепловую неустойчивость токорас пределения в мощных ВЧ и СВЧ биполярных транзисторах
-
Расчетные формулы для оценки погрешностей и искажений сигналов в электронных устройствах с симметричным включением активных элементов, обусловленных технологическим разбросом тепловых параметров ППП
-
Статистические закономерности и особенности выборочных распределений ППП и ИС различных классов по величине тепловых параметров, результаты выборочных ускоренных испытаний и разработанные на этой основе методики оценки качества ППП и ИС и отбраковки дефектных и потенциально ненадежных приборов по крутизне зависимости теплового сопротивления переход-корпус от греющей мощности.
-
Комплекс внедренных на промышленных предприятиях средств измерения теплофизических параметров ППП и ИС и методик контроля их качества
Публикации. По теме диссертации опубликовано 98 научных работ, включая 1 монографию, 49 научных статей, 17 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах, 1 учебно-методическое издание, 5 отчетов о НИР, 25 авторских свидетельств и патентов на изобретения
Личный вклад автора. Основные научные результаты получены автором лично. В большинстве научных работ и изобретениях, выполненных в соавторстве, автор определял постановку задачи и разрабатывал теоретические модели для описания исследуемых явлений. Идеи ряда исследований и изобретений принадлежат профессору Н.Н. Горюнову. Реализация прикладных разработок и экспериментов осуществлялась с участием А.А. Широкова, О.А. Дулова, сотрудников и студентов кафедры «Радиотехника» УлГТУ. Работы по внедрению результатов исследований проводились под руководством и при личном участии автора.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, включающего 302 наименования, 13 приложений. Общий объем диссертации составляет 328 страниц и содержит 14 таблиц и 147 рисунков.
