Основные виды испытаний в микроэлектронике

В данной статье в общем виде перечислены основные виды и типы испытаний микроэлектронных изделий, их классификация и значение для обеспечения надежности и долговечности компонентов, а также современные методы и технологии, применяемые в этой области. Такое исследование имеет повышенную практическую значимость и способствует развитию научной базы в сфере микроэлектроники.

Ввиду разнообразия компонентов и четкого разделения производственного процесса на типовые этапы, классификация испытаний также достаточно обширна.

По назначению и стадиям производства

Отбраковочные испытания 

Проводятся с целью выявления и отбраковки дефектных образцов электронной компонентной базы (ЭКБ) в процессе производства. К ним относятся:

• Визуальный контроль кристаллов при увеличении в 200 крат — выявляет внешние дефекты, царапины, загрязнения, нарушения корпуса.
• Контроль прочности крепления кристалла на сдвиг — проверяет надежность механического крепления кристалла к подложке.
• Неразрушающие испытания сварных соединений на отрыв — выявляют дефекты сварки проводников внутри компонентов.
• Термообработка ЭКБ до и после герметизации (24-48 часов при повышенных температурах) — выявляет термостабильность и устойчивость конструкции.
• Испытание на воздействие изменения температуры среды (от -60 до +150°С, 10 циклов) — проверяет устойчивость к термоциклированию.
• Испытание на воздействие линейного ускорения — оценивает прочность конструкции при значительных механических нагрузках.
• Измерение электрических параметров до и после термоциклирования и теплового удара — проверяет изменение рабочих характеристик при стрессовых условиях.
• Электротермотренировка — длительное воздействие повышенной температуры и электрического напряжения для выявления потенциально ненадежных изделий.

Отбраковочные испытания регламентированы:

• ГОСТ 28623-90 – Приборы полупроводниковые. Часть 10. Общие технические условия на дискретные приборы и интегральные микросхемы.
• ГОСТ Р 57394-2017 – Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы ускоренных испытаний на безотказность.

Квалификационные

Определяют готовность производства к серийному выпуску продукции. Они включают проверку всех параметров при различных условиях:

• Проверка внешнего вида всей контрольной партии ЭКБ — выявление видимых дефектов корпуса и маркировки.
• Проверка статических электрических параметров при нормальной, пониженной и повышенной рабочей температуре — подтверждение стабильности основных характеристик.
• Проверка динамических параметров при различных температурах — тестирование быстродействия и временных характеристик.
• Проверка качества маркировки — контроль правильности и удобочитаемости обозначений на корпусах.
• Испытания на воздействие очищающих растворителей — проверка устойчивости к химическому воздействию при очистке.
• Внутренний визуальный контроль — исследование внутренних элементов ЭКБ на отсутствие дефектов.
• Контроль прочности сварных соединений и крепления кристалла на сдвиг — проверка надежности механических соединений.
• Кратковременные испытания на безотказность (1000 и 3000 часов) — тестирование надежности работы под нагрузкой в течение длительного времени.
• Испытания на воздействие изменения температуры среды, линейного ускорения и влажности — проверка устойчивости к внешним механическим и климатическим воздействиям.
• Определение предельных электрических режимов и температур — выявление границ безопасной эксплуатации.
• Испытания при комбинированном воздействии электрической нагрузки и температуры — моделирование реальных рабочих условий эксплуатации.
• Испытание на длительное хранение при повышенной температуре — проверка долговременной стабильности.

Регламентированы:

• ГОСТ 25359-82 – Изделия электронной техники. Общие требования по надежности и методы испытаний.
• ГОСТ 25360-82 – Изделия электронной техники. Правила приемки.

Приемо-сдаточные

Представляют собой завершающий этап контроля, проводимый перед передачей продукции заказчику, с целью подтвердить соответствие ЭКБ техническим требованиям и спецификациям. Производятся в соответствии с уже упомянутым ГОСТ 25360-82 и ГОСТ Р 53711-2009.

Основные виды испытаний:

• Проверка внешнего вида изделий на наличие визуальных дефектов и соответствие стандартам.
• Проверка статических электрических параметров при нормальных, пониженных и повышенных температурах — определение стабильности основных характеристик.
• Проверка динамических параметров в тех же температурных режимах — оценка быстродействия и корректности переключения.
• Функциональный контроль — тестирование работоспособности всех функций ЭКБ.
• Переключающие испытания — проверка переходных и временных характеристик при различных режимах.
• Контроль габаритных, установочных и присоединительных размеров — подтверждение точности изготовления.
• Испытание на воздействие теплового удара — проверка устойчивости к резким перепадам температуры.
• Испытание на воздействие одиночных механических ударов — оценка механической прочности.
• Определение предельных значений повышенной температуры среды без воздействия электрической нагрузки.
• Определение предельных электрических режимов и пределов комбинированного влияния температуры и электрической нагрузки.

По виду воздействующих факторов

Климатические испытания

Предназначены для проверки устойчивости изделий к воздействию различных климатических факторов и имитации условий эксплуатации в различных природных средах:

• Испытания на воздействие повышенных и пониженных температур — моделируют экстремальные тепловые условия для определения устойчивости компонентов к жаре и холоду.
• Испытания на термоциклирование — многократное воздействие сменяющихся температур (например, от -60 до +150 °С), чтобы выявить дефекты, возникающие при резких перепадах температуры.
• Испытания на повышенную влажность — проверяют стойкость к конденсации влаги и воздействию влажного воздуха, что важно для предотвращения коррозии и деградации материалов.
• Испытания на устойчивость к солнечной радиации — имитируют воздействие ультрафиолетового излучения для оценки влияния на материал и компоненты.
• Испытания на воздействие пыли, песка и загрязнений — моделируют условия работы в запыленной среде для оценки герметичности и защиты.
• Испытания на воздействие биологических факторов — например, плесени или микроорганизмов, которые могут повлиять на долговечность изделия.
• Испытания на воздействие соляного тумана — предназначены для проверки коррозионной стойкости в агрессивных морских условиях.
• Испытания на воздействие атмосферного давления — проверяют работу и сохранность электронно-компонентной базы при различных давлениях, что актуально для авиации и космоса.

Регламентируют данные испытания:

• ГОСТ 28224-89 (МЭК 68-2-38-77) – Основные методы испытаний на воздействие внешних факторов. Часть 2. Испытания. Испытание Z/AD: Составное циклическое испытание на воздействие температуры и влажности.
• ГОСТ Р 51368-2011 – Методы испытаний на стойкость к климатическим внешним воздействующим факторам машин, приборов и других технических изделий. Испытания на воздействие влажности.
• ГОСТ Р МЭК 60068-2-1-2009 – Испытания на воздействие внешних факторов. Часть 2-1. Испытания. Испытание А: Холод.
• ГОСТ Р МЭК 60068-2-2-2009 – Испытания на воздействие внешних факторов. Часть 2-2. Испытания. Испытание В: Сухое тепло
• ГОСТ Р МЭК 60068-2-30-2009 – Испытания на воздействие внешних факторов. Часть 2-30. Испытания. Испытание Db: Влажное тепло, циклическое (12 ч + 12-часовой цикл).
• ГОСТ РВ 20.57.306-98 – Комплексная система контроля качества. Аппараты, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы испытаний на воздействие климатических факторов.
• И другие стандарты.

Механические

Направлены на проверку устойчивости и надежности изделий при воздействии различных механических нагрузок и факторов. Основные виды механических испытаний:

• Испытания на вибропрочность — проверяют способность ЭКБ выдерживать длительные вибрационные нагрузки без снижения работоспособности.
• На виброустойчивость — оценивают сопротивление изделия к воздействию вибраций различной частоты и амплитуды в условия эксплуатации или транспортировки.
• На одиночные удары — проверяют устойчивость к резким механическим воздействиям, например падениям или ударам при эксплуатации.
• На ударную вязкость — измеряют энергию, которую материал способен поглотить при ударе без разрушения.
• На растяжение — определяют предел прочности и пластичность материала при воздействии силы растяжения.
• На сжатие — оценивают стойкость материала к компрессионным нагрузкам.
• На изгиб — проверяют прочностные характеристики при изгибающих нагрузках.
• На кручение — измеряют сопротивляемость материала деформациям при скручивании.
• На усталость — моделируют долговременное воздействие циклических нагрузок для оценки срока службы.
• На твердость — определяют сопротивляемость поверхности материала вдавливанию твердым телом.
• На падение и опрокидывание — проверяют сохранность и работоспособность после имитации падений и переворотов.
• Воздействие линейного ускорения — испытания на способность выдерживать значительные перегрузки при резких движениях и ударах, проводятся с помощью центрифуг для оценки прочности конструкции и сохранения функциональности.
• Акустический шум — проверка устойчивости к интенсивным звуковым и вибрационным воздействиям, выявляющая резонансы и возможные повреждения при эксплуатации в шумных условиях.

Электрические

Проверяют функциональные характеристики:

• Проверка статических электрических параметров при нормальных, пониженных и повышенных температурах — определяет стабильность основных характеристик ЭКБ в различных условиях.
• Проверка динамических параметров — оценивает быстродействие и правильность переключения при разных температурах.
• Функциональный контроль — тестирование корректной работы всех функций.
• Переключающие испытания — проверка переходных характеристик и временных параметров в различных климатических условиях.
• Испытания на воздействие теплового удара — проверяют устойчивость к резким изменениям температуры.
• Определение предельных значений повышенной температуры среды (без нагрузки) — устанавливают максимально допустимые условия работы.
• Определение предельных электрических режимов — выявляют границы безопасной эксплуатации.
• Испытания при комбинированном воздействии температуры и электрической нагрузки — моделируют реальные условия эксплуатации.
• Испытания на длительную безотказную работу — оценивают надежность и долговечность ЭКБ.
• Контроль качества изоляции и электрических цепей — проверяет отсутствие утечек и дефектов изоляции.

Радиационные

Оценивают стойкость к ионизирующему излучению:

• Испытания на устойчивость к суммарной поглощенной дозе радиации (TID) — определяют изменения параметров ЭКБ после воздействия ионизирующего излучения, приводящего к накопительным повреждениям.
• Испытания на одиночные эффекты (SEE) — выявляют сбои, вызванные попаданием отдельных ионизирующих частиц, которые могут вызывать кратковременные или стойкие нарушения работы.
• Испытания на структурные повреждения (DDD) — оценивают влияние нейтронного облучения и высокоэнергетических частиц, вызывающих дефекты решетки кристаллов полупроводников.
• Испытания на устойчивость к радиационному воздействию с разной мощностью дозы — моделируют эксплуатационные условия с различной интенсивностью облучения.
• Контроль работоспособности компонентов в процессе облучения — позволяют фиксировать изменения параметров и функциональные нарушения прямо во время испытаний.
• Моделирование и прогностические испытания — алгоритмы и методы оценки степени и последствий радиационной деградации.
• Испытания на радиационную стойкость по стандарту MIL-STD-883 и другим нормативам — регламентируют типы тестов, методы и пороговые значения радиационных воздействий для военных и космических применений.

Эти испытания крайне важны для обеспечения надежности и долговечности микроэлектроники, работающей в условиях повышенного радиационного фона, например, в космосе, атомной энергетике и военной технике.

Специализированные виды испытаний

Тестирование полупроводниковых пластин

• Параметрические тестовые структуры для исследования физических параметров — проводят измерения вольт-амперных и вольт-фарадных характеристик компонентов пластины, оценивая качество и однородность материалов и структур.
• Функциональные тестовые структуры для контроля работоспособности — проверяют функциональность интегральных схем и их элементов, таких как транзисторы и логические компоненты, на этапе производства.
• Зондовое тестирование с использованием автоматизированных установок — производится автоматическим оборудованием с подвижными зондами, которое последовательно проверяет электрические характеристики и функциональность отдельных кристаллов на неразрезанной пластине.

Испытания на надежность

• Ускоренные испытания старения — имитируют длительный срок эксплуатации за короткое время, выявляя потенциальные дефекты и деградацию.
• Испытания на долговременную стабильность параметров — проверяют изменения электрических и физических характеристик ЭКБ при длительном воздействии эксплуатационных условий.
• Математические методы прогнозирования надежности — используют статистический анализ и модели для оценки срока службы и вероятности отказа изделий.

Конструктивные испытания

• Контроль герметичности корпусов — проверяют отсутствие проникновения воздуха и влаги внутрь корпуса, что важно для сохранения работы компонента.
• Испытания прочности крепления кристалла — оценивают надежность механического соединения кристалла с подложкой. (ГОСТ 20.57.406-81, ОСТ В 11 073.013, ГОСТ РВ 5962-004.1-2012).
• Контроль качества сварных соединений — выявляют дефекты пайки и сварки внутри изделия.
• Испытания выводов на механические воздействия — проверяют прочность и стойкость выводов при деформациях, растяжениях и изгибах.

По характеру воздействия

Неразрушающие испытания

Позволяют контролировать изделия без их повреждения:

• Рентгеновский контроль — метод, основанный на прохождении рентгеновских лучей через изделие для выявления внутренних дефектов, трещин, пустот, неисправностей пайки и сварных соединений без повреждения корпуса.
• Акустическая микроскопия — использование ультразвуковых волн для получения изображений внутренней структуры ЭКБ, выявления пустот, расслоений, трещин и отслаивания в материалах и соединениях.
• Визуальный контроль — осмотр поверхности и корпусов с помощью увеличительных приборов для обнаружения видимых дефектов, деформаций, загрязнений и несовпадений маркировки.
• Электрические измерения — проверка параметров компонентов без их разрушения с целью выявления функциональных сбоев, изменений характеристик и дефектов в электрических цепях.

Разрушающие испытания 

Проводятся на выборке для детального анализа:

• Разрушающий физический анализ (РФА) — комплекс методик, включающих механическое вскрытие, химический и микроскопический анализ для детального исследования структуры, материалов и дефектов.
• Испытания на предельные режимы — доведение изделия до критических физических или электрических параметров с целью выявления механизма и пределов отказов.
• Анализ структуры кристаллов — использование различных методов (электронная микроскопия, рентгеноструктурный анализ и др.) для изучения дефектов кристаллической решетки и оценки качества материалов.

Вместо заключения

Современная обширная система испытаний в микроэлектронике с использованием специального оборудования обеспечивает комплексную оценку качества изделий на всех этапах их жизненного цикла, от разработки до серийного производства, гарантируя соответствие техническим требованиям и высокую надежность в эксплуатации.