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COLLEGAMENTI RAPIDI
Di seguito una telefonata che ogni produttore di dispositivi elettronici teme. Un consumatore riferisce che le vostre schede — quelle che hanno superato l’esame utile al 100%, quelle consegnate con un certificato di conformità pulito relazione di ispezione e una certificazione di uniformità — stanno fallendo sul pavimento di produzione. Già dal primo giorno. Il giorno 40. I guasti sono sparsi su varie unità, con numeri di serie diversi, senza un codice lotto comune evidente. La vostra prima reazione è attribuire la colpa all’applicazione del cliente. La seconda è incolpare il fornitore dell’IC. Entrambi investirete sei settimane e 40.000 dollari in analisi dei guasti per scoprire cosa sia realmente accaduto.
T l’IC che ha fallito era elettricamente sano e bilanciato il giorno in cui ha lasciato la vostra linea. Si è degradato successivamente. Qualche parte tra il vostro socket di test e il dispositivo del cliente, un difetto era già stato introdotto nel silicio — invisibile, al di sotto della soglia di qualsiasi esame da voi effettuato, e in attesa di manifestarsi.
Questa è la realtà della rottura soft questo articolo tratta di come ciò avviene, perché i vostri test non riescono a rilevarlo e di cosa distingue i produttori che ne spediscono alcuni ogni anno da quelli che non ne spediscono alcuno.
Guasto soft è il termine utilizzato per indicare un degrado parziale e progressivo di un sistema a semiconduttore. Si colloca in una zona grigia tra "pienamente funzionante" e "completamente difettoso". Un guasto hard è semplice da identificare: l'ossido di isolamento si rompe, il dispositivo cessa di funzionare e il vostro test lo rileva immediatamente. Il guasto soft è diverso. Lo strato di isolamento — solitamente l' gate oxide — presenta un’area indebolita. Attraverso di esso si verifica una piccola dispersione di corrente. Il dispositivo continua a funzionare, spesso per settimane o mesi. Successivamente, sotto la tensione accumulata durante il normale funzionamento, il punto debole cede. La dispersione si trasforma in un cortocircuito. Il circuito integrato smette di funzionare. E lo fa sul sito del cliente, mai nel vostro.
La variabile fastidiosa è che il malfunzionamento soft è solitamente preesistente — introdotto durante la produzione o causato da un evento che non ha provocato danni immediati. Il termine di mercato esiste un problema , e la causa più comune è la scarica elettrostatica.
Ecco il fatto inquietante riguardo a Esd in Assemblaggio di PCB : gli eventi che provocano danni nascosti sono tipicamente troppo piccoli per essere visti e troppo rapidi per essere catturati. Uno specialista prende una scheda senza braccialetto antistatico. Un vassoio di circuiti integrati scivola su un banco di lavoro non protetto. Una punta pick-and-place genera una carica triboelettrica. Ciascuno di questi eventi può produrre una scarica capace di degradare parzialmente un dispositivo senza distruggerlo.
La fisica del danno è ben compresa. In un MOSFET, l'ossido di evacuazione ha uno spessore di soli pochi nanometri, circa 10-20 strati atomici di biossido di silicio. Un evento ESD può creare una piccola debolezza proprio in quell'ossido: un difetto localizzato, una carica intrappolata, un sottile filamento di materiale danneggiato. Il dispositivo continua comunque a commutare. I criteri del datasheet sono ancora soddisfatti. Tuttavia, la stabilità dell'ossido è stata compromessa e, sotto la tensione operativa normale, continuerà a degradarsi — inizialmente lentamente, poi improvvisamente.
Ricerca su CDM (Charged Device Model) le scariche hanno rivelato danni nascosti all'ossido di gate in una percentuale sorprendentemente elevata di dispositivi che avevano superato l'evento iniziale. Questi danni non emergono nei test funzionali, poiché tali test verificano semplicemente "il dispositivo funziona" e non "quanta margine residuo ha effettivamente il dispositivo."
Questo è il principale difetto del metodo di test. Un test funzionale è un controllore d’accesso, non un controllo approfondito. Convalida stati logici, risultati e parametri di base rispetto a una soglia di superamento/insuccesso. Un dispositivo con un ossido d’ingresso degradato del 30% supera comunque tutti questi controlli. Cessa di funzionare esattamente quando il degrado supera il limite — sul sito web del cliente, durante il funzionamento continuo, possibilmente in un ambiente con temperatura o tensione di alimentazione leggermente superiori rispetto al banco di prova.
Il contorno a vasca da bagno — la curva di affidabilità nota a ogni ingegnere di alta qualità — rivela la natura del problema. I guasti si concentrano in due aree: mortalità infantile nelle prime settimane di vita e l’usura alla fine della vita. La parte centrale della curva rappresenta la vita utile, in cui i tassi di guasto sono costanti e bassi. Il segreto sporco del settore è quanta energia viene spesa per ridurre al minimo la fase di guasti infantili prima della spedizione dei prodotti — e quanto poco si investe invece nell’individuazione dei difetti nascosti che non si manifestano fino all’utilizzo da parte del consumatore.
Il dispositivo standard per rilevare i guasti nella fase iniziale è burn-in — far funzionare i dispositivi a temperature e tensioni elevate per ore o giorni, accelerando così il guasto dei componenti difettosi. Il burn-in è costoso, lento e riduce il rendimento produttivo. È una pratica comune nelle certificazioni automobilistiche, aerospaziali e militari. Raramente viene applicato nei dispositivi elettronici di consumo, poiché il costo per unità è troppo elevato e il mercato non è disposto a sopportarlo. Di conseguenza, i problemi non rilevati che il burn-in avrebbe individuato vengono semplicemente spediti.
C’è anche un catena di approvvigionamento misura che rende la situazione ancora peggiore. Quando i circuiti integrati (IC) vengono acquistati da broker, da stock eccedente o da rappresentanti secondari — pratica sempre più comune nell’era successiva alla carenza — il contesto gestionale risulta sconosciuto. Un lotto di componenti conservato in modo scorretto, esposto a eventi elettrostatici o soggetto a escursioni termiche estreme durante il trasporto comporta una popolazione nascosta di guasti precoci. Il vostro esame in ingresso preleva alcuni decine di dispositivi e li sottopone a test. Il campionamento è statisticamente insensibile a un tasso di difetti nascosti dello 0,1%: per rilevarlo sarebbe necessario testarne migliaia, vanificando così lo scopo stesso del campionamento.
L'asimmetria dei costi qui è drastica, e vale la pena essere specifici sui numeri. Un dispositivo che si guasta durante il vostro test iniziale o finale vi costa il dispositivo stesso e qualche minuto di manipolazione: diciamo 2 dollari. Un dispositivo che smette di funzionare presso il cliente vi costa invece la procedura RMA, il trasporto, la valutazione del guasto, il sistema sostitutivo, la consegna accelerata e le ore di ingegneria — e questo prima ancora di calcolare i danni alla relazione commerciale. Stime del settore indicano che il costo di un guasto sul campo è da 10 a 100 volte superiore rispetto al costo dello stesso problema rilevato internamente, a seconda del prodotto e del mercato.
E poi c'è l'effetto moltiplicatore. Un singolo guasto ricorrente su una scheda con 40 circuiti integrati (IC) scatena un atteggiamento di richiamo. Il cliente isola l’intero lotto — non soltanto i sistemi effettivamente difettosi. La vostra affidabilità ne risente sull’intera popolazione, non soltanto sullo 0,2% che in realtà presentava il difetto non rilevato.
Non esiste una soluzione universale: i malfunzionamenti soft sono un problema che coinvolge catena di approvvigionamento, procedure e test, tutti insieme. Tuttavia, i produttori che registrano il minor numero di guasti in campo adottano regolarmente alcuni accorgimenti:
Controllare l’ambiente di assemblaggio come se fosse fondamentale. La sicurezza ESD non è un semplice poster appeso al muro; è un sistema. Braccialetti antistatici con tester di connessione, superfici di lavoro dissipative, ionizzatori sulla linea di pick-and-place, vassoi conduttivi per lo stoccaggio e – in modo cruciale – la verifica continua del corretto funzionamento del sistema. La maggior parte delle fabbriche possiede tali dispositivi. Quelle con tassi di guasto in campo particolarmente bassi verificano invece se le persone li utilizzino effettivamente. Un evento ESD è impercettibile; l’unico modo per accertarsi che non si verifichi è controllare quotidianamente che i dispositivi di protezione siano effettivamente attivi e operativi.
Criteri di verifica, non solo funzionalità. Una verifica funzionale che misura inoltre la presenza di perdite, la presenza di alimentazione a riposo e i limiti ingresso/uscita, rilevando dispositivi che sono "operativi ma minimamente funzionanti". Un dispositivo con perdita elevata è un dispositivo sottoposto a stress — e il gruppo soggetto a stress è esattamente quello che si desidera valutare prima della spedizione. Il costo di aggiunta di controlli parametrici a un programma di test esistente è modesto; i dati forniti sono proprio quelli che i problemi nascosti rivelano.
Conoscere la storia gestionale della propria catena di approvvigionamento per dispositivi critici, acquistare da fornitori accreditati con documentazione verificabile riguardo allo stoccaggio e alla manipolazione. Se è necessario ricorrere a un intermediario, trattare i componenti come sospetti: intensificare la profondità delle verifiche in entrata, eseguire un breve burn-in su un campione e monitorare attentamente i primi lotti di produzione per individuare tassi di guasto precoci superiori alla norma. Il sovrapprezzo dei componenti certificati è inferiore al costo di un richiamo su un singolo sito.
Eseguire la valutazione dei guasti non appena questi si verificano. Quando un campo non supera i test, la reazione tipica è sostituire il componente e proseguire. Resistete invece alla tentazione. Decapsulate l’IC, ispezionate il die e – se il budget lo consente – eseguite Un’analisi OBIRCH o EMMI per localizzare i danni. Una perdita nell’ossido di ingresso presenta una firma caratteristica. Un evento EOS ne ha una diversa. Sapere quale dei due casi si sta analizzando permette di stabilire se il problema risiede nella vostra linea di assemblaggio, nel fabbricante di wafer del vostro fornitore o nell’applicazione del cliente. Un’interpretazione errata comporta che le successive serie di prodotti vengano spedite con lo stesso difetto.
Ecco l’esperimento mentale che illustra perfettamente il problema: immagina due dispositivi simili sul tuo banco di prova. Entrambi superano tutti i test del tuo programma. Uno è stato gestito alla perfezione, dal wafer fino all’uscita. L’altro è stato colpito da una scarica di 500 volt due settimane fa e presenta un difetto nell’ossido di gate delle dimensioni di qualche atomo. I tuoi strumenti di test li rilevano come lo stesso identico dispositivo, perché effettivamente lo sono — fino a quando uno dei due non esaurisce il margine.
Un malfunzionamento lieve non è un fallimento dei vostri test. È un fallimento della presunzione che i test da soli possano garantire l'affidabilità. I dispositivi che si guastano presso il consumatore non sono quelli che i vostri esami erano stati progettati per rilevare. Sono quelli con un lieve danno, una certa quantità di stress e un breve lasso di tempo. Controllate il danno, monitorate lo stress e identificate la vostra catena di approvvigionamento: questo è l'intero manuale operativo. Tutto il resto è semplicemente affidarsi alla fortuna, e la fortuna ha la tendenza a venir meno nel momento peggiore possibile.
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