Почему идеально протестированные ИС выходят из строя в течение нескольких недель на объекте заказчика?

Почему идеально протестированные ИС выходят из строя в течение нескольких недель на объекте заказчика?

Мягкий сбой, который никто не обнаружил

Ниже приведён телефонный разговор, которого боится каждый производитель электронных устройств. Потребитель сообщает, что ваши платы — те самые, которые прошли полезное испытание  на 100 %, те, что были поставлены с чистым отчет об инспекции  и сертификатом однородности, — выходят из строя на производственном полу. Уже в первый день. На 40-й день. Сбои рассеяны по различным единицам, разным серийным номерам, без обычного общего кода партии. Ваша первая реакция — обвинить применение клиентом. Ваша вторая реакция — обвинить поставщика ИС. Оба варианта потребуют шесть недель и 40 000 долларов США на анализ отказов, чтобы выяснить, что действительно произошло.

T иС, которая вышла из строя, была электрически исправной и сбалансированной в тот день, когда покинула вашу линию. Позднее она деградировала. Где-то между вашим испытательным разъёмом и устройством клиента дефект уже был заложен в кремнии — незаметно, ниже порога любого проведённого вами испытания и «тикающий».

Вот реальность мягкого пробоя этот материал посвящён тому, как это происходит, почему ваши испытания не способны зафиксировать подобный дефект и чем отличаются производители, выпускающие несколько таких случаев в год, от тех, кто не выпускает ни одного.

Мягкий сбой: отказ, который ещё не является отказом — пока не стал им

Мягкий сбой  — это термин, обозначающий частичную, современную деградацию полупроводниковой структуры. Он находится в «серой зоне» между состояниями «полностью работоспособен» и «катастрофически неисправен». Тяжёлый сбой очевиден: пробой оксида прорывает изолирующий слой, устройство перестаёт функционировать, и ваше тестирование мгновенно фиксирует неисправность. Мягкий сбой иной. Защитный слой — обычно gate oxide — формирует ослабленную область. Через неё возникают незначительные токи утечки. Устройство продолжает работать, зачастую неделями или месяцами. Затем, под совокупным воздействием обычных рабочих нагрузок, слабое место разрушается окончательно. Утечка переходит в короткое замыкание. ИС выходит из строя. И происходит это на территории потребителя — никогда не на вашей.

Досадной переменной является то, что мягкий сбой обычно существует заранее — он возникает во время производства или вызывается событием, которое не приводит к немедленным повреждениям. Рыночный термин существует проблема , и наиболее распространённым источником является электростатический разряд.

История ЭСР: повреждение, которое тесты не могут обнаружить

Вот тревожный факт о ЭСД  в Сборка ПКБ : события, вызывающие скрытые повреждения, как правило, слишком малы для визуального наблюдения и протекают слишком быстро, чтобы их можно было зафиксировать. Специалист берёт плату без браслета-антистатика. Лоток ИС скользит по незащищённому рабочему столу. Сопло установочного автомата создаёт трибоэлектрический заряд. Любое из этих действий может вызвать разряд, частично деградирующий устройство, не уничтожая его полностью.

Физика такого повреждения хорошо изучена. В МОП-транзисторе вытеснение оксида  имеет толщину всего несколько нанометров — примерно 10–20 атомных слоёв диоксида кремния. Случай ЭСР может пробить в этом оксиде микроскопический дефект: локальный дефект, захваченный заряд или небольшой филамент повреждённого материала. Устройство по-прежнему переключается. Параметры, указанные в техническом описании, по-прежнему выполняются. Однако стабильность оксида уже нарушена, и под обычным рабочим напряжением он будет продолжать деградировать — сначала медленно, а затем внезапно.

Исследования в области CDM (версия с заряженным инструментом)  разряды выявили скрытое повреждение затворного оксида у заметной доли устройств, которые выдержали первоначальное событие. Повреждение не обнаруживается при функциональном тестировании, поскольку функциональный контроль проверяет «работает ли устройство», а не «какой запас прочности ещё остался у устройства».

Это главный недостаток метода испытаний. Функциональное тестирование — это пропускной контроль, а не диагностика. Оно проверяет логические состояния, результаты и базовые параметры по пороговому критерию «прошёл/не прошёл». Устройство с окислом на входе, деградировавшим на 30 %, успешно проходит все такие проверки. Оно выходит из строя лишь тогда, когда разрушение пересекает предельное значение — на сайте клиента, в условиях непрерывной эксплуатации, возможно, при несколько более высокой температуре или напряжении питания по сравнению с вашим испытательным стендом.  

Почему это ускользает на каждом уровне высокого качества

Рынок форма ванны — кривая надёжности, знакомая каждому инженеру по качеству, — указывает на характер проблемы. Сбои концентрируются в двух областях: детская смертность  в первые недели жизни и износ в конце срока службы. Центр кривой — это период полезного использования, когда частота отказов остаётся стабильной и низкой. «Тёмный секрет» отрасли — насколько значительные усилия затрачиваются на сжатие зоны детских сбоев до отправки продукции заказчикам — и насколько мало внимания уделяется выявлению скрытых дефектов, проявляющихся только в условиях эксплуатации конечного пользователя.

Стандартное средство выявления отказов на раннем этапе — это прогрев — эксплуатация устройств при повышенных температуре и напряжении в течение часов или дней для ускорения выхода из строя слабых компонентов. Прогонка (burn-in) дорогостояща, медленна и снижает выход годных изделий. Она является общепринятой практикой при сертификации в автомобильной, авиационно-космической и военной отраслях. В потребительской электронике её практически никогда не применяют, поскольку стоимость на единицу изделия слишком высока, а рынок не готов за неё платить. Поэтому невыявленные проблемы, которые прогонка могла бы обнаружить, просто поступают в продажу.

Также существует логистическая цепочка  измерение, которое усугубляет ситуацию. Когда ИС закупаются у брокеров, из излишков складских запасов или у вторичных представителей — что становится всё более обычной практикой в постдефицитную эпоху — информация о происхождении и условиях хранения остаётся неизвестной. Партия компонентов, неправильно хранившаяся, подвергавшаяся воздействию электростатических разрядов или экстремальных температур при транспортировке, содержит скрытую группу изделий с повышенным риском преждевременного отказа. Ваша входящая проверка  охватывает несколько десятков устройств и подвергает их испытаниям. Такой отбор статистически нечувствителен к скрытому уровню дефектов в 0,1 % — для его выявления потребовалось бы протестировать тысячи единиц, что противоречит самой цели выборочного контроля.

Реальные затраты, вызванные отказами в эксплуатации

Асимметрия расходов здесь крайне выражена, и стоит привести конкретные цифры. Сбой устройства в ходе собственного тестирования на стабильность или финального теста обойдётся вам в стоимость самого устройства и несколько минут времени на его обработку — примем это за 2 доллара. А сбой устройства на территории заказчика повлечёт за собой расходы на возврат товара (RMA), транспортировку, диагностику неисправности, замену системы, срочную доставку и инженерные часы — и это ещё до учёта ущерба, нанесённого доверию к вашей компании. По оценкам отрасли, стоимость сбоя в полевых условиях в 10–100 раз превышает стоимость устранения той же самой проблемы на внутреннем этапе, в зависимости от изделия и рынка.

Кроме того, действует эффект множителя. Единичный периодический сбой на плате с 40 ИС вызывает реакцию, аналогичную отзыву продукции. Заказчик изолирует всю партию — а не только те устройства, которые действительно вышли из строя. Урон вашей репутации затрагивает весь объём поставок, а не лишь 0,2 % изделий, в которых фактически присутствовал скрытый дефект.

Что действительно работает

Нет единого универсального решения — мягкие сбои являются одновременно проблемой цепочки поставок, процедур и тестирования. Тем не менее производители с наименьшим количеством отказов в эксплуатации регулярно выполняют несколько ключевых действий:

Контролируйте условия сборки так, будто это действительно важно. Защита от электростатического разряда (ESD)  — это не просто плакат на стене; это полноценная система. Браслеты-заземлители с тестерами подключения, рассеивающие рабочие поверхности, ионизаторы на линии пик-энд-плейс, проводящие лотки для хранения и — что особенно важно — регулярная проверка работоспособности всей системы. Большинство заводов оснащены соответствующими устройствами. А те, где показатель отказов в эксплуатации минимален, дополнительно проверяют, используют ли сотрудники эти средства на практике. Событие ESD незаметно; единственный способ убедиться, что оно не происходит, — ежедневно подтверждать наличие и функционирование всех контрольных мер.

Критерии испытаний, а не только функциональность. Функциональное испытание  также измеряет наличие утечки, наличие тока покоя и пределы входных/выходных сигналов, выявляя устройства, которые «работают, но едва-едва». Устройство с повышенной утечкой — это устройство, подвергшееся перегрузке; именно такую группу изделий вы хотите протестировать до отправки. Стоимость добавления параметрических проверок в существующую программу тестирования невелика; при этом получаемая информация как раз и раскрывает скрытые дефекты.

Изучите историю обращения вашей цепочки поставок для критически важных устройств закупайте компоненты только у аккредитованных поставщиков, имеющих поддающиеся аудиту документы по хранению и обращению. Если вы вынуждены использовать брокера, рассматривайте компоненты как подозрительные: усиливайте глубину входного контроля, проводите кратковременный пробный прогон на выборке и внимательно отслеживайте первые производственные партии на предмет повышенного уровня ранних отказов. Премия за сертифицированные компоненты обойдётся дешевле, чем один отзыв продукции.

Проводите анализ отказов сразу же при их возникновении.  Когда компонент выходит из строя, типичная реакция — заменить его и продолжить работу. Не поддавайтесь этому импульсу. Декапсируйте ИС, осмотрите кристалл и — если бюджет позволяет — проведите OBIRCH или EMMI  диагностику для локализации повреждений. Утечка в входном оксиде имеет характерную сигнатуру. Событие EOS имеет иную сигнатуру. Знание того, с какой именно сигнатурой вы имеете дело, позволяет определить, находится ли проблема на вашей сборочной линии, на фабрике пластин поставщика или в приложении вашего клиента. Ошибочное предположение означает, что следующая партия будет отправлена с той же ошибкой.

Запас надёжности, который невозможно оценить

Вот мысленный эксперимент, который наглядно демонстрирует всю проблему: представьте два одинаковых устройства на вашем испытательном стенде. Оба успешно проходят все тесты в вашей программе. Одно из них было безупречно произведено — от кремниевой пластины до выхода на ваш рынок. Другое подверглось разряду напряжением 500 В две недели назад и имеет дефект оксида затвора размером в несколько атомов. Ваши испытательные приборы распознают их как идентичные устройства, поскольку они действительно одинаковы — до тех пор, пока одно из них не исчерпает запас по надёжности.

Мягкий сбой — это не неудача вашего тестирования. Это провал предположения, будто одного тестирования достаточно для обеспечения надёжности. Устройства, выходящие из строя у потребителя, — это не те, которые ваше тестирование призвано выявить. Это те, у которых есть небольшой объём повреждений, определённый уровень напряжения и ограниченный запас времени. Контролируйте повреждения, отслеживайте напряжение и анализируйте цепочку поставок — вот весь план действий. Всё остальное — просто ставка на удачу, а удача имеет привычку исчезать в самый неподходящий момент.