چرا آی‌سی‌هایی که به‌طور کامل تست شده‌اند، در عرض چند هفته در محل مشتری از کار می‌افتند؟

چرا آی‌سی‌هایی که به‌طور کامل تست شده‌اند، در عرض چند هفته در محل مشتری از کار می‌افتند؟

خرابی نرم‌افزاری که هیچ‌کس آن را بررسی نکرده است

زیر این، تماس تلفنی است که هر سازندهٔ دستگاه‌های الکترونیکی از آن می‌ترسد. یک مصرف‌کننده گزارش می‌دهد که برد شما — بردی که آزمون‌ها را پشت سر گذاشته‌اند — بررسی مفید  با درصد صد در صد، بردی که با گواهی پاک و بدون نقص تحویل داده شده‌اند — گزارش بررسی  در کفِ خط تولید شما دچار خرابی می‌شوند. در روز اول. در روز چهلُم. خرابی‌ها در واحدهای مختلف، با شماره‌های سریال متفاوت، و بدون کد تولید مشخصی پراکنده‌اند. واکنش اولیهٔ شما این است که کاربرد مشتری را مقصر بدانید. واکنش دوم شما این است که تأمین‌کنندهٔ آی‌سی را سرزنش کنید. هر دو طرف شش هفته و ۴۰٬۰۰۰ دلار صرف تحلیل خرابی می‌کنند تا بفهمند واقعاً چه اتفاقی افتاده است.

ت آی‌سی‌ای که دچار خرابی شده، در روز ترک خط تولید شما از نظر الکتریکی سالم و متعادل بوده است. بعداً تخریب شده است. جایی بین سوکت آزمون شما و دستگاه‌های مشتری، نقصی در سیلیکون از پیش کاشته شده است — نامشخص، زیر حد تشخیص همهٔ آزمون‌هایی که انجام داده‌اید، و در حال شمارش معکوس.

این واقعیتِ خرابی نرم . این مقاله دربارهٔ نحوهٔ رخ دادن آن، دلیل ناتوانی آزمون‌های شما در تشخیص آن و تفاوت تولیدکنندگانی است که سالانه تعدادی از این موارد را عرضه می‌کنند با آن‌هایی که هیچ‌یک را عرضه نمی‌کنند.

خرابی نرم: خرابی‌ای که تا زمانی که واقعاً رخ دهد، خرابی محسوب نمی‌شود

خرابی نرم  نامی برای تخریب جزئی و مدرن یک ساختار نیمه‌هادی است. این پدیده در منطقهٔ خاکستری بین «کاملاً کاربردی» و «کاملاً از کار افتاده» قرار دارد. خرابی سخت آسان است: لایهٔ اکسید به‌صورت ناگهانی سوراخ می‌شود، دستگاه متوقف می‌شود و آزمون شما بلافاصله آن را شناسایی می‌کند. اما خرابی نرم متفاوت است. لایهٔ محافظ — معمولاً اکسید گیت — ناحیه‌ای ضعیف ایجاد می‌کند. جریان به‌صورت کمی از این لایه نشت می‌کند. دستگاه همچنان کار می‌کند، اغلب برای هفته‌ها یا ماه‌ها. سپس، تحت فشار تجمعی عملیات عادی، نقطهٔ ضعیف از کار می‌افتد. نشت به یک اتصال کوتاه تبدیل می‌شود. آی‌سی از کار می‌افتد. و این اتفاق در محل مشتری رخ می‌دهد، نه در محل خود شما.

متغیر آزاردهنده این است که خرابی نرم معمولاً پیش‌ازاین وجود دارد — در زمان تولید یا در حین راه‌اندازی، توسط رویدادی که آسیب فوری‌ای ایجاد نکرده، ایجاد شده است. اصطلاح بازار مشکل وجود دارد و رایج‌ترین منبع آن تخلیه الکترواستاتیک است.

داستان تخلیه الکترواستاتیک: آسیبی که آزمون‌ها نمی‌توانند تشخیص دهند

در اینجا واقعیت ناراحت‌کننده دربارهٔ ESD  در مونتاژ PCB آمده است: رویدادهایی که آسیب‌های پنهان را ایجاد می‌کنند معمولاً بسیار کوچک‌اند تا دیده شوند و همچنین بسیار سریع‌اند تا ثبت شوند. یک متخصص بدون استفاده از نوار مچی به سمت یک برد می‌رود. یک سینی از آی‌سی‌ها روی یک میز کار غیرایمن لیز می‌خورد. یک نازل جابه‌جایی و قراردادن بار تریبوالکتریک ایجاد می‌کند. هر یک از این موارد می‌تواند تخلیه‌ای ایجاد کند که بدون از بین بردن کامل دستگاه، عملکرد آن را تا حدی تضعیف کند.

فیزیک این آسیب به‌خوبی درک شده است. در یک ماسفت، اکسید خروجی  فقط چند نانومتر ضخامت دارد— حدود ۱۰ تا ۲۰ لایه اتمی دی‌اکسید سیلیکون. یک رویداد ESD می‌تواند در این اکسید سوراخی بسیار ریز ایجاد کند: یک نقص موضعی، باری محبوس‌شده، یا رشته‌ای کوچک از ماده آسیب‌دیده. دستگاه همچنان سوئیچ می‌کند. معیارهای صفحه داده همچنان برآورده می‌شوند. اما پایداری اکسید به خطر افتاده است و تحت ولتاژ عادی کاری، این اکسید به‌تدریج فرسوده می‌شود— ابتدا به‌آرامی، سپس ناگهانی.

پژوهش دربارهٔ CDM (نسخه ابزار باردار)  نشان داده است که آسیب‌های پنهان در اکسید گیت در بخش قابل‌توجهی از دستگاه‌هایی که از رویداد اولیه سربلند بیرون آمده‌اند، وجود دارد. این آسیب در آزمون عملکردی مشخص نمی‌شود، زیرا آزمون عملکردی تنها «آیا دستگاه کار می‌کند؟» را بررسی می‌کند، نه «حاشیه ایمنی باقی‌مانده برای دستگاه چقدر است؟»

این اصلی‌ترین ضعف روش آزمون است. آزمون عملکردی یک دروازه‌بان است، نه یک بررسی جامع. این آزمون وضعیت‌های منطقی، نتایج و پارامترهای اولیه را در برابر آستانهٔ قبول یا رد تأیید می‌کند. دستگاهی که اکسید ورودی آن تا ۳۰ درصد تخریب شده باشد، همهٔ این بررسی‌ها را می‌گذراند. این دستگاه تنها زمانی از کار می‌افتد که میزان تخریب از حد مجاز فراتر رود — یعنی در وب‌سایت مشتری، در حین کارکرد مداوم، و احتمالاً در محیطی با دمایی کمی بالاتر یا ولتاژ تغذیه‌ای کمی بیشتر از نمونهٔ آزمایشی شما.  

چرا این مسئله در هر لایهٔ کیفیت بالا به‌تدریج بدتر می‌شود

این منحنی وان‌آبی — منحنی قابلیت اطمینان که هر مهندس کیفیت برتر آن را می‌شناسد — شکل مسئله را نشان می‌دهد. خرابی‌ها در دو ناحیهٔ متمرکز می‌شوند: مرگ‌ومیر نوزادی  در هفته‌های اول زندگی و سایه‌روی در پایان عمر. مرکز منحنی، عمر مفید است که در آن نرخ خرابی‌ها ثابت و پایین است. راز تلخ صنعت این است که چقدر تلاش برای فشرده‌سازی بخش «مرگ نوزادی» قبل از عرضه محصولات صرف می‌شود — و چقدر کم تلاشی برای شناسایی نقص‌های پنهانی انجام می‌شود که تنها در محیط مصرف‌کننده آشکار می‌گردند.

ابزار استاندارد برای ثبت خرابی‌های ابتدایی عمر، آزمون پیش‌گرم‌سازی است — یعنی کار کردن دستگاه‌ها در دمای بالاتر و ولتاژ بالاتر به مدت چند ساعت یا روز برای تسریع خرابی دستگاه‌های ضعیف. این آزمون پرهزینه، کند و باعث کاهش بازده تولید می‌شود. انجام آن در حوزه‌های خودروسازی، هوافضا و گواهینامه‌های نظامی رایج است. اما در دستگاه‌های الکترونیکی مصرفی تقریباً هرگز انجام نمی‌شود، چرا که هزینه آن برای هر دستگاه بسیار بالا است و بازار حاضر به پرداخت آن نیست. بنابراین، مشکلاتی که این آزمون می‌توانست آشکار کند، بدون تشخیص عرضه می‌شوند.

همچنین یک زنجیره تأمین  اندازه‌گیری‌ای که این وضعیت را حتی بدتر می‌کند. وقتی آی‌سی‌ها از طریق واسطه‌ها، موجودی اضافی یا نمایندگان ثانویه تأمین می‌شوند — که در عصر پس از کمبود به‌تدریج رایج‌تر شده‌اند — پیشینهٔ مدیریتی آن‌ها نامشخص است. دسته‌ای از قطعات که به‌صورت نادرست ذخیره شده‌اند، در معرض رویدادهای الکترواستاتیک قرار گرفته‌اند یا در حین حمل‌ونقل در معرض شرایط دمایی شدید قرار گرفته‌اند، جمعیتی از خرابی‌های زودهنگام و پنهان ایجاد می‌کنند. شما بازرسی ورودی  چند دوجین دستگاه را نمونه‌برداری می‌کند و آن‌ها را آزمایش می‌کند. این نمونه‌برداری از نظر آماری بی‌حساس است: نرخ عیب پنهان ۰٫۱ درصد — برای شناسایی آن باید هزاران دستگاه را آزمایش کنید که این امر هدف از نمونه‌برداری را باطل می‌کند.

هزینهٔ واقعی خرابی‌های میدانی

ناهماهنگی هزینه‌ها در اینجا بسیار شدید است و ارزش دارد که اعداد را به‌طور دقیق ذکر کنیم. یک قطعه‌ی الکترونیکی که در طول آزمون سوختن اولیه یا آزمون نهایی شما خراب می‌شود، تنها هزینه‌ی خود دستگاه و چند دقیقه زمان پردازش را برای شما تحمیل می‌کند — حدود دو دلار. اما اگر همین قطعه در محل مشتری از کار بیفتد، شما باید هزینه‌ی بازگشت تعمیر (RMA)، حمل‌ونقل، ارزیابی عیب، سیستم جایگزین، تحویل فوری و ساعت‌های مهندسی را بپردازید — و این‌ها پیش از احتساب آسیب واردشده به رابطه‌ی شما با مشتری است. برآوردهای صنعتی نشان می‌دهند که هزینه‌ی خرابی در محل، بسته به نوع محصول و بازار، ده تا صد برابر هزینه‌ی شناسایی همین مشکل در محیط داخلی است.

و سپس اثر تکثیری وجود دارد. یک خرابی دوره‌ای در یک برد با ۴۰ قطعه‌ی ادغام‌شده (IC)، واکنشی شبیه به بازخوانی ایجاد می‌کند. مشتری کل محموله را قرنطینه می‌کند — نه فقط سیستم‌هایی که از کار افتاده‌اند. اعتبار شما تحت تأثیر قرار می‌گیرد و تمام جمعیت، نه صرفاً ۰٫۲ درصدی که واقعاً دارای عیب پنهان بوده‌اند.

آنچه واقعاً مؤثر است

هیچ راه‌حل جادویی واحدی وجود ندارد — خرابی نرم یک مشکل زنجیره تأمین، فرآیند و آزمون در یکی است. با این حال، تولیدکنندگانی که کمترین شکست‌های میدانی را ارسال می‌کنند، به‌طور منظم چند نکته را انجام می‌دهند:

محیط مونتاژ را دقیقاً همان‌گونه که اهمیت دارد کنترل کنید. امنیت ESD  فقط یک پوستر روی دیوار نیست؛ بلکه یک سیستم است. نوارهای مچی همراه با آزمون‌کننده‌های اتصال، سطوح کار پراکننده، یونیزاتورها روی خط انتخاب و قرار دادن، ظروف هادی برای ذخیره‌سازی و — بسیار مهم — اندازه‌گیری اینکه آیا سیستم به‌درستی عمل می‌کند یا خیر. اکثر کارخانه‌ها این ابزارها را دارند. آن‌هایی که نرخ شکست میدانی پایینی دارند، بررسی می‌کنند که آیا کارکنان واقعاً از آن‌ها استفاده می‌کنند یا خیر. یک رویداد ESD غیرقابل‌مشاهده است؛ تنها راه اطمینان از اینکه رخ نمی‌دهد، تأیید روزانه وجود کنترل‌هاست.

معیارهای آزمون، نه صرفاً عملکرد. یک آزمون عملکردی  این ابزار همچنین نشت موجود، جریان استراحت موجود و محدودیت‌های ورودی/خروجی را اندازه‌گیری می‌کند و دستگاه‌هایی را شناسایی می‌کند که «در حال کار هستند اما حداقل عملکرد را دارند». دستگاهی با نشت بالاتر، دستگاهی است که تحت فشار قرار گرفته است — و دقیقاً این جمعیت است که باید پیش از ارسال آن به بازار ارزیابی شود. هزینه افزودن بررسی‌های پارامتریک به یک برنامه آزمون موجود ناچیز است؛ اطلاعاتی که این بررسی‌ها ارائه می‌دهند، دقیقاً همان اطلاعاتی است که مشکلات پنهان آشکار می‌سازند.

تاریخچه مدیریت زنجیره تأمین خود را بشناسید برای قطعات حیاتی، از تأمین‌کنندگان مورد تأیید با سند ذخیره‌سازی و مدیریت قابل بازرسی خریداری کنید. اگر مجبور به استفاده از واسطه هستید، قطعات را مشکوک در نظر بگیرید: عمق بازرسی ورودی را افزایش دهید، روی نمونه‌ای یک آزمون کوتاه سوزاندن (برن-این) انجام دهید و نخستین لوط‌های تولیدی را از نظر نرخ شکست اولیه بالاتر زیر نظر بگیرید. هزینه اضافی قطعات مورد تأیید کمتر از هزینه یک بازپس‌گیری واحد است.

ارزیابی شکست را در هنگام وقوع آن انجام دهید.  وقتی یک قطعه در تست شکست می‌خورد، واکنش معمول جایگزینی آن قطعه و ادامه فرآیند است. این را تحمل کنید. آی‌سی را باز کنید، تراشه را بررسی کنید و — اگر بودجه اجازه دهد — آزمون‌های او‌بی‌آی‌آر‌چی یا اِم‌می  را انجام دهید تا محل آسیب‌ها را دقیقاً مشخص کنید. نشت اکسید ورودی الگوی خاصی دارد. رویداد اُئوس نیز الگوی متفاوتی دارد. تشخیص اینکه با کدام یک سروکار دارید، به شما می‌گوید آیا مشکل در خط مونتاژ شما، کارخانه تولید وافر تأمین‌کننده‌تان یا کاربرد مشتری شماست. اشتباه در تشخیص به این معناست که محموله‌های بعدی نیز با همان عیب ارسال خواهند شد.

حاشیه‌ای که نمی‌توانید ارزیابی کنید

این آزمایش فکری است که تمام مشکل را در بر می‌گیرد: دو دستگاه مشابه را روی میز آزمایش خود تصور کنید. هر دو دستگاه تمام آزمون‌های برنامهٔ شما را با موفقیت پشت سر گذاشته‌اند. یکی از این دو دستگاه از مرحلهٔ ویفر تا خروجی شما به‌طور کامل مدیریت شده است. دستگاه دیگر دو هفته پیش تحت تأثیر یک تخلیهٔ ۵۰۰ ولتی قرار گرفته و دارای نقصی در لایهٔ اکسید گیت به اندازهٔ چند اتم است. ابزارهای آزمایش شما این دو را دقیقاً یکسان تشخیص می‌دهند، زیرا از نظر ساختاری یکسان هستند—تا زمانی که یکی از آنها حاشیهٔ ایمنی خود را از دست بدهد.

خرابی نرم یک شکست در آزمون‌های شما نیست. این شکستی است در فرضیه‌ای که صرفاً آزمون‌ها می‌توانند قابلیت اطمینان را تضمین کنند. دستگاه‌هایی که در محل مصرف‌کننده از کار می‌افتند، دستگاه‌هایی نیستند که آزمون‌های شما برای شناسایی آن‌ها طراحی شده‌اند. این دستگاه‌ها دارای مقدار کمی آسیب، مقداری استرس و زمان کوتاهی هستند. آسیب را کنترل کنید، استرس را پایش کنید و زنجیره تأمین خود را بشناسید— این کل بازی‌نامه است. هر چیز دیگری تنها اتکا به شانس است، و شانس روشی دارد که در بدترین لحظه ممکن ناپدید شود.