Розвиток інтегральних схем (ІС) пов'язане зі збільшенням ступеня інтеграції, тобто числа елементів на кристалі і функціональної складності, що забезпечується як зменшенням розмірів елементів, в тому числі ширини тонкоплівкових провідників і проміжків між ними, так і збільшенням площі кристала. При цьому площа, яку займає міжз'єднаннями, збільшилася з 20% для ІС першого та другого ступеня інтеграції і до 80% для надвеликих інтегральних схем (НВІС).

Анотація наукової статті з хімічних технологій, автор наукової роботи - Горлов Митрофан, Ємельянов Віктор, Рубцевіч Іван, Строгонов Андрій, Шишкіна Наталія


Область наук:

  • хімічні технології

  • Рік видавництва: 2004


    Журнал

    Компоненти і Технології


    Наукова стаття на тему 'Контроль вмісту парів води всередині корпусів інтегральних мікросхем'

    Текст наукової роботи на тему «Контроль вмісту парів води всередині корпусів інтегральних мікросхем»

    ?Компоненти і технології, № 6'2004

    Контроль вмісту парів води

    всередині корпусів інтегральних мікросхем

    Розвиток інтегральних схем (ІС) пов'язане зі збільшенням ступеня інтеграції, тобто числа елементів на кристалі і функціональної складності, що забезпечується як зменшенням розмірів елементів, в тому числі ширини тонкоплівкових провідників і проміжків між ними, так і збільшенням площі кристала. При цьому площа, яку займає міжз'єднаннями, збільшилася з 20% для ІС першого та другого ступеня інтеграції і до 80% для надвеликих інтегральних схем (НВІС).

    Митрофан Горлов, Віктор Ємельянов, Іван Рубцевіч, Андрій Строгонов, Наталя Шишкіна

    Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Зі збільшенням ступеня інтеграції підвищується їх чутливість до процесів, що відбуваються на поверхні кристала, більшість яких пов'язана з вмістом вологи всередині корпусів ІС. З огляду на останні вітчизняні вимоги до ІС по надійності [1] (збереженість не менше 25 років і напрацювання до відмови не менше 150 тис. Годин), особливо важливо вивчати механізми відмов, аналіз причин і джерел попадання вологи в корпусу, на основі чого правильно оцінювати заходи щодо зниження її кількості для підвищення надійності ІС. Це стає можливим при точній оцінці вмісту парів води всередині корпусу ІС.

    Узагальнюючи дані про відмови ІС, викликаних наявністю парів води в подкорпусном обсязі, можна зробити висновок, що для більшості ІС є критичний рівень вологості, при якому починається деградація електричних параметрів, а потім і корозія металів [2].

    У 1986 році в електронній промисловості був затверджений галузевий стандарт [3], в якому сформульовані технічні вимоги в частині допустимого рівня вологості в подкорпусном обсязі ІС при температурі 100 ° С не більше 0,5 об'ємного відсотка.

    У 1987 році при перегляді загальних і спеціальних технічних умов (ОТУ і стільникові) на ІС [4, 5] було включено вимогу за змістом вологи всередині корпусу не більше 0,5 об'ємного відсотка при 100 ° С або 0,05 об'ємного відсотка при 25 ° С. При цьому не допускається застосування осушувачів всередині корпусу.

    За новою редакцією загальних технічних умов [1], які об'єднують вимоги і правила приймання для ІС різного рівня якості, тобто єдиного документа замість раніше діючих ОТУ і соту [4, 5], вимога за змістом вологи всередині корпусу дано при температурі 25 ° С не більше 0,05 об'ємного відсотка.

    У військовому стандарті США [6] норма за змістом водяної пари в корпусі при 100 ° С встановлена ​​дорівнює 5000 і 6000 ррт (еквівалентно 0,5 і 0,6 об'ємного відсотка) відповідно для монолітних

    ІС і гібридних інтегральних схем (ГІС). Це приблизно еквівалентно рівню вологості в корпусі ІС, рівному 500 ррт при температурі 25 ° С [2].

    Для захисту від впливів навколишнього атмосфери і, зокрема, від проникнення вологи до кристалу ІС монтуються в герметичні корпуса.

    Практично неможливо забезпечити абсолютну герметичність корпусу. Вимоги вітчизняних і зарубіжних стандартів показника герметичності по швидкості витоку або натекания газу в корпусах не повинна бути більше:

    5-10-8 атм-см3 / с (5-10-3 Па-см3 / с; 5-10-5 л-мкм рт.ст / с) - для ІС з внутрішнім об'ємом до 1 см3;

    5-10-7 атм-см3 / с (5-10-2 Па-см3 / с; 5-10-4 л-мкм рт.ст / с) - для ІС з внутрішнім об'ємом від 1 см3 до 10 см3.

    Швидкість витоку вимірюється в атм-см3 / с або в одиницях СІ, виходячи зі співвідношення 1 атм-см3 / с = = 105 Па-см3 / с = 0,1 Па-м3 / с. Відомо, що 1 атм 105 Па і 1 мм.рт.ст. 133 Па, а 1 мкм.рт.ст. 0,133 Па.

    Якщо текти становить 1 л-мкм рт.ст. / с, то в обсязі, рівному одному літру, відкачати до високого вакууму, тиск протягом 1 з зросте на 1 мкм.рт.ст.

    Детальне вивчення джерел вологи в підкорили-пусном обсязі ІС дозволяє розділити їх на дві групи: внутрішні і зовнішні. До перших належить виділення вологи з матеріалів, які безпосередньо контактують з атмосферою обсягу корпусу ІС, таких як клей і стеклопріпой, а також виділення вологи, хімічно і фізично сорбированной в порах і Мікронерівності склокераміки, кераміки і металевих покриттях всередині ІС. Зовнішнім джерелом є волога, натекает через наскрізні тріщини або пори, а також дифундують через обсяг полімерного матеріалу (корпусу пластмасові і герметизується клеєм).

    Початковий рівень вологості в корпусі ІС залежить від вологості і температури того середовища, в якій відбувалася герметизація (табл. 1) [2].

    Здавалося б, герметизація ІС в атмосфері з вмістом пари води не більше 50 ррт вирішує всі питання. Однак, як було виявлено експериментально, така вимога необхідно, але недостатньо для забезпечення низького рівня вологості в корпусі. Виявилося, що, якщо деталі корпусів

    Компоненти і технології, № 6'2004

    Таблиця 1. Вплив умов герметизації на вміст вологи в корпусах ІС

    Параметри середовища герметизації Парціальний тиск парів Число молекул Температура

    Температура, ° С Відносна вологість,% в корпусі при 25 ° С, х102 Па води, х1015 точки роси, ° С

    Температура герметизації 500 ° С

    20 20 30 50 80 50 4,5 7,1 8,0 2,1 3,4 3,8 -5,5 0,2 3

    Температура герметизації 400 ° С

    20 50 5,5 2,6 -2,5

    20 80 8,8 4,2 4,3

    30 50 1,0 4,7 5,2

    Методи вимірювання вологості в корпусах ІС

    руйнують

    неруйнівні

    Мас-спектрометричний

    лазерна

    ІК-спектрометрія

    За допомогою За допомогою

    датчиків металу або

    вологості, корпусу І С

    герметізіруеммих як

    в корпусі ІС засоби контролю

    / --

    Датчики точки Сорбційні

    роси датчики

    Мал. 1. Класифікація методів вимірювання кількості вологи в корпусах ІС [8]

    з кристалами ІС перед герметизацією ретельно НЕ просушують, рівень вологи в корпусах може в десятки і сотні разів перевищувати цю величину. Так, в корпусі, загерметизованому в атмосфері сухого боксу з рівнем вологи 5 ррт, але без попередньої просушки збірки і кришки, вміст парів води при 100 ° С становила близько 15000 ррт [2].

    Проникнення парів води, як і будь-якого іншого газу, через канали течі всередину корпусу ІС зазвичай висловлюють через швидкість натікання Q при одиничному перепаді тиску (загального або парціального). На величину Q впливає геометрія каналів течі, тиск всередині і зовні корпусу, характер взаємодії парів води з поверхнею каналів течі. Поняття стандартного натекания відповідно до військовим стандартом США М1Ь-8ТЕ-883 визначається як кількість сухого повітря в кубічних сантиметрах, що протікає при температурі 25 ° С через одиночну текти або кілька течі в 1 с, коли верхній тиск дорівнює 10 Па, а нижній - не більше 133,3 Па.

    Діапазон вимірюваних експериментально значень натекания у корпусів ділиться на великі (або грубі) течі (не менше 10-6 Па-м3 / с) і малі (або тонкі) - від 10-7 Па-м3 / с до 10-9 Па-м3 / с і менше [7]. У вітчизняній практиці за інтенсивністю натекания течі прийнято ділити на малі, середні та великі. Розміри течі, відповідних прийнятим поділу, представлені в таблиці 2.

    До теперішнього часу в світовій практиці розроблені відповідні засоби і методи контролю та з їх допомогою проведено дослідження вологості в корпусах ІС, що дозволили встановити норми вологості і ввести методику випробувань в національ-

    Таблиця 2. Класифікація інтенсивності натекания течі в подкорпусной обсяг ІС

    Вид течі Розмір течі, Л'мкм рт.ст. / с Діаметр мікроотвори при довжині 1 мм, мкм

    Мала 10-5 ... 10-3 0,1

    Середня 10-3 ... 10-1 1

    Велика 10 "\ .. 10 100

    ні стандарти. За принципом контролю і методи визначення все методи можна класифікувати відповідно до рис. 1.

    До руйнівним методам ставляться мас-спектрометричний і метод лазерної ІК-спектроскопії. До неразрушающим методам контролю вологості середовища в подкорпусном обсязі ІС відносяться всі методи, які використовують спеціально виготовлені датчики вологості різного типу або елементи металізації кристала або корпусу ІС.

    Дотримання вимог щодо змісту вологи всередині корпусів ІС повинно періодично у виробництві перевірятися. Методи, якими необхідно контролювати вміст парів всередині корпусів ІС у вітчизняній практиці, викладені в галузевому стандарті [9].

    Мета контролю (випробування) полягає в тому, щоб виміряти вміст парів води в газовому середовищі всередині ІС в металевому або керамічному корпусах. Випробування може бути руйнівним (методи 1 і 2) і неразрушающим (метод 3).

    Методом 1 вимірюється вміст парів води в газовому середовищі вироби мас-спектрометром, який повинен мати здатність відтворено виявляти певний зміст парів води в корпусі з співвідношенням «сигнал - шум» 20: 1, тобто при граничному змісті водяної пари 5000 ррт в корпусі об'ємом 0 , 01 см3

    мас-спектрометр повинен відчувати мінімальну межу вмісту вологи 250 ррт.

    Метод 2 вимірює вміст парів води в подкорпуском обсязі ІС шляхом накопичення вологи, зібраної висушеним газом-носієм при температурі 50 ° С.

    Методом 3 визначається вміст парів води в газовому середовищі подкорпусного обсягу ІС при температурі корпусу 100 ± 5 ° С шляхом вимірювання реакції каліброваного вологочутливість приладу (датчика), датчика який герметизується в корпус ІС і має контакти на зовнішній стороні корпусу.

    Відповідними типами датчиків по вітчизняному документу [9] є: паралельні або розбіжні металеві смужки на оксидированной поверхні кремнієвого кристала, а також пористі структури анодованого алюмінію з електродами, що мають позолочене покриття.

    Головним недоліком методів 1 і 2, крім того, що вони руйнують, є їх дорожнеча і великий розкид отриманих значень в залежності від місця їх проведення, що видно з наступного експерименту.

    Вибірка з 15 ІС типу 1564ЛН1 в корпусах 401.14-5, взята довільно з однієї партії, виготовленої в серпні 2000 р, була розділена на три групи по 5 штук в кожній. Вимірювання мас-спектрометричним методом, проведені заводом виробником, РНДІ «Еле-ктронстандарт» і ЦНДІ замовника з визначення вмісту парів води в подкорпус-ном обсязі наведені в таблиці 3.

    Хоча за даними вимірів різних випробувань вміст парів води в подкорпус-ном обсязі у всіх 15 випробовуваних ІС типу 1564ЛН1 не перевищує норму, яка дорівнює 0,5 об'ємного відсотка при температурі 100 ° С (або 5000 ррт), тобто відповідає вимогам загальних технічних умов, розкид отриманих значень підтверджує тезу про складність вимірювань і неадекватності одержуваних значень мас-спектрометрії способом різними лабораторіями [10].

    Тому в даний час велика увага робиться альтернативним методам контролю, одним з яких є застосування спеціальних елементів, вбудованих в корпус ІС.

    Як такий елемент рекомендуються датчики поверхнево-конденсаційного типу (датчики точки роси) і сорбційні, звані мікроелектронними датчиками вологості (МЕДВ).

    МЕДВ вбудовується в корпус ІС замість або одночасно (якщо корпус великий) з кристалом схеми. Такі датчики, як пра-

    Таблиця 3. Порівняння результатів контролю

    вологості середовища ВІС типу 1564ЛН1

    № Вміст парів води, об'ємний відсоток, за вимірюваннями

    ня заводу РНДІ ЦНДІ

    виготовлювача «Електронстандарт» замовника

    1 0,27 0,10 0,3542

    2 0,28 0,18 0,4540

    3 0,24 0,19 0,3666

    4 0,26 0,13 0,3447

    5 0,23 0,10 0,3797

    Компоненти і технології, № 6'2004

    вило, повинні за розмірами відповідати кристалів ІС, допускати монтаж в корпус звичайними для технології складання ІС способами, зберігати працездатність після різних впливів в процесі герметизації корпусів і наступних випробувань, включаючи електротермотреніровку протягом 168 або 240 ч, термоціклірованіе в діапазоні температур -60 .. . + 150 ° С, тривале зберігання (500 або 1000 год) при температурі 150 ° С. Датчики повинні володіти стабільними метрологічними характеристиками, малим гістерезисом ізотерми вологи.

    Сукупність вище зазначених вимог в повному обсязі задовольняють датчики поверхнево-конденсаційного типу або датчики точки роси.

    Серед численних конструкцій таких датчиків авторами був обраний датчик ємнісного типу з-за простоти конструкції і універсальності: цей тип датчика сумісний практично з будь-яким технологічним процесом виробництва ІС і при цьому має непогані метрологічними характеристиками [2].

    Сконструйований авторами датчик цього типу являє собою кристал кремнію розміром 1x1 мм з розміщеним на ньому конденсатором, складеним з двох гребінок металізації з зазором в 10 мкм [11]. Крім того, на кристалі розміщений здвоєний термодатчик, що дозволяє контролювати температуру в процесі вимірювань. Момент настання точки роси відповідає зламу на залежності ємності датчика від температури, який пов'язаний зі зміною діелектричної проникності повітряного проміжку внаслідок конденсації вологи.

    Використання здвоєного термодатчика діод-резистивного типу дозволяє підвищити точність вимірювання температури.

    Конструкція датчика дозволяє розміщувати останній в будь-якому типі корпусу ІС. На рис. 2 показана посадка кристала датчика розміром 3x2 мм в корпус типу 401.14.4. Для цього типу корпусу вирізається кристал, що містить шість окремих датчиків. Паралельне з'єднання конденсаторів на кристалі вертикально розташованих датчиків дозволяє підвищити точність вимірювань вологи в подкорпусном обсязі. Виходячи з розмірів корпусу запаралле-

    Таблиця 4. Результати випробувань ІС типу 1564ІП7

    пп п пп пп

    конденсатори

    Мал. 2. Схема посадки датчика точки роси в корпус типу 401.14.4 (розміри вказані в мм)

    № Значення параметра і (н *) при температурі (° С)

    ІС 30 23 10 0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -45 -50 -55 -60 -65

    1 55 52 53 54 54 55 54 75 56 58 58 51 54 58 59 57 59

    59 58 58 61 59 57 57 73 59 56 57 56 54 54 55 58

    2 75 74 76 70 64 62 63 74 59 60 56 58 59 55 55 56 55

    60 57 57 55 54 54 55 70 54 53 53 57 58 55 56 56

    3 59 52 54 54 57 58 59 60 63 96 59 58 58 54 54 55 55

    58 53 57 55 57 60 62 63 79 61 60 58 58 57 56 56

    лени три пари конденсаторів, що також дозволяє підвищити точність вимірювань. Дублювання термодатчиков на одному датчику в корпусі дозволяє підняти вихід придатних практично до 100%.

    Таким чином, в даній роботі розглянута конструкція ємнісного датчика точки роси, призначеного для контролю вологості всередині корпусу ІС. Особлива топологія датчика допускає його монтаж в будь-який тип корпусу ІС звичайними методами. Крім того, передбачений контроль температури кристала ІС в процесі вимірювань здвоєним термодатчиком резистивної-діодного типу.

    Альтернативним є також метод визначення точки роси газу подкорпусного обсягу ІС з поведінки параметрів схеми.

    Використання елементів ІС в якості датчиків вологості засноване на встановленні точки роси по різкого стрибка високочутливого вимірюваного параметра. Виходячи з певної експериментом точки роси підраховується тиск атмосфери в корпусі і по номограмі визначається вміст парів води.

    Для проведення випробувань були відібрані три ІС типу 1564ІП7. Кожну схему поміщали в камеру тепла і холоду, температуру якої встановлювали на 10 ° С вище температури навколишнього середовища. Температуру в камері знижували до -65 ° С, а потім підвищували до кімнатної. Швидкість зміни температури підтримували на рівні 10 ° С в хвилину. У процесі охолодження і подальшого нагрівання проводили постійне вимірювання вологочутливість параметра. Як інформативного параметра був обраний вхідний струм низького рівня 11Ь. Результати експерименту представлені в таблиці 4.

    Далі розрахували тиск Рр в корпусі ІС при температурі точки роси по закону Гей-Люссака:

    Р

    Р

    Т / Т

    * Р 'г

    5-

    - 60

    313 40

    303 -

    N 293 З 20

    N. 283 - Ю Про

    ^ VN.273 |-

    - ш 10

    Ч I

    \ Ф 6

    243 \ N. аз, \\ про 4

    \\ 1 = 1 про

    233

    NN. 2

    a 223

    і

    о. 213

    а

    го про CN »h 0,56

    193 0,40

    - 0,27

    183 -

    0,10

    173 0,07

    Мал. 3. Номограма вмісту вологи всередині корпусу ІС 1564ІП7

    де Рр - тиск в корпусі при температурі точки роси; Рг, Тг - тиск в корпусі І С і температура середовища при її герметизації в градусах Кельвіна; Тр-температура точки роси.

    Температуру точки роси визначають по різкому стрибку вимірюваного параметра.

    ІС № 1. При температурі точки роси -20 ° С (253 К), тиску в корпусі ІС 101 325 Па, температурі середовища при її герметизації 22 ° С (295 К) маємо Рр = 0,89105 Па.

    ІС № 2. При температурі точки роси -20 ° С (253 К), тиску в корпусі ІС 101 325 Па, температурі середовища при її герметизації 22 ° С (295 К) маємо Рр = 0,89105 Па.

    ІС № 3. При температурі точки роси -25 ° С (248 К) тиску в корпусі ІС 101 325 Па, температурі середовища при її герметизації 22 ° С (295 К) маємо Рр = 0,85105 Па.

    За номограмі (рис. 3) перевели градуси точки роси Тр для знайденого значення тиску Рр в концентрацію вологи, висловили ррт.

    В результаті вміст вологи всередині корпусу ІС 1564ІП7 № 1 і №2 дорівнює 1800 ррт (0,018 об'ємного відсотка), ІС № 3 дорівнює 800 ррт (0,008 об'ємного відсотка). Методика, викладена в даній роботі, може бути застосована для визначення точки роси газу в під-корпусному обсязі ІС. Викладений метод є неруйнівним і дешевим. ІІ

    література

    1. ОСТ В 11 0998-99. Мікросхеми інтегральні. Загальні технічні умови.

    2. Чернишов А. А., Крутовязцев С. А., Бутурлін А. І. Контроль вологості в корпусах інтегральних мікросхем // Зарубіжна електронна техніка. 1987. №2.

    3. ОСТ 11 20. 9903-86. Мікросхеми інтегральні. Система і методи операційного контролю в процесі виробництва. Технічні вимоги до технологічного процесу при атестації виробництва.

    4. ОСТ В 11 0398-87. Мікросхеми інтегральні. Загальні технічні умови.

    5. ОСТ В 11 073.012-87. Мікросхеми інтегральні. Спеціальні загальні технічні умови.

    6. MIL - STD -883 B. Методи випробувань мікроелектронних пристроїв і порядок їх проведення. одна тисяча дев'ятсот дев'яносто сім.

    -Q-

    Компоненти і технології, № 6'2004

    7. Горлов М. І. Контроль якості виробів напівпровідникової електроніки. Воронеж. 1998.

    8. Бутурлін А. І., Крутовязцев С. А., Рибкін О. Н., Чернишов А. А., Шабалова Н. І. Методи визначення вмісту води в корпусах інтегральних мікросхем. Електронна техніка. 1982. Сер. 3. Випуск 5-6.

    9. ОСТ 11 073.013-83. Мікросхеми інтегральні. Методи випробувань. Частина 2. Випробування на вплив кліматичних факторів і середовищ заповнення.

    10. Горлов М. І., Ануфрієв Л. П., Миколаєва Є. В. Методи контролю вмісту парів води всередині корпусів інтегральних

    схем. Твердотельная електроніка і мікроелектроніка. Воронеж: ВДТУ. 2001.

    11. Горлов М. І. Андрєєв А. В., Ануфрієв Л. П., Миколаєва Є. В. Мікроелектронний датчик вологості поверхнево-конденсаційного типу. Патент РФ 2224246. Опубл. 20.02.2004. Бюл. № 5.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити