Контроль содержания паров воды внутри корпусов интегральных микросхем

Развитие интегральных схем (ИС) связано с увеличением степени интеграции, то есть числа элементов на кристалле и функциональной сложности, что обеспечивается как уменьшением размеров элементов, в том числе ширины тонкопленочных проводников и зазоров между ними, так и увеличением площади кристалла. При этом площадь, занимаемая межсоединениями, увеличилась с 20% для ИС первой и второй степени интеграции и до 80 % для сверхбольших интегральных схем (СБИС).

С увеличением степени интеграции повышается их чувствительность к процессам, происходящим на поверхности кристалла, большинство которых связано с содержанием влаги внутри корпусов ИС. Учитывая последние отечественные требования к ИС по надежности [1] (сохраняемость не менее 25 лет и наработка до отказа не менее 150 тыс. часов), особенно важно изучать механизмы отказов, анализ причин и источников попадания влаги в корпуса, на основе чего правильно оценивать мероприятия по снижению ее количества для повышения надежности ИС. Это становится возможным при точной оценке содержания паров воды внутри корпуса ИС.

Обобщая данные об отказах ИС, вызванных наличием паров воды в подкорпусном объеме, можно заключить, что для большинства ИС имеется критический уровень влажности, при котором начинается деградация электрических параметров, а затем и коррозия металлов [2].

В 1986 году в электронной промышленности был утвержден отраслевой стандарт [3], в котором сформулированы технические требования в части допустимого уровня влажности в подкорпусном объеме ИС при температуре 100 °С не более 0,5 объемного процента.

В 1987 году при пересмотре общих и специальных технических условий (ОТУ и СОТУ) на ИС [4, 5] было включено требование по содержанию влаги внутри корпуса не более 0,5 объемного процента при 100 °С или 0,05 объемного процента при 25 °С. При этом не допускается применение осушителей внутри корпуса.

По новой редакции общих технических условий [1], объединяющих требования и правила приемки для ИС разного уровня качества, то есть единого документа вместо ранее действующих ОТУ и СОТУ [4, 5], требование по содержанию влаги внутри корпуса дано при температуре 25 °С не более 0,05 объемного процента.

В военном стандарте США [6] норма по содержанию паров воды в корпусе при 100 °С установлена равной 5000 и 6000 рргп (эквивалентно 0,5 и 0,6 объемного процента) соответственно для монолитных

ИС и гибридных интегральных схем (ГИС). Это примерно эквивалентно уровню влажности в корпусе ИС, равному 500 рргп при температуре 25 °С [2].

Для защиты от воздействий окружающей атмосферы и, в частности, от проникновения влаги к кристаллу ИС монтируются в герметичные корпуса.

Практически невозможно обеспечить абсолютную герметичность корпуса. Требования отечественных и зарубежных стандартов показателя герметичности по скорости утечки или натекания газа в корпусах не должна быть более: 5-10^-8 атм-см³/с (5-10^-3 Па-см³/с; 5-10^-5 л-мкм рт.ст/с) — для ИС с внутренним объемом до 1 см³; 5-10^-7 атм-см³/с (5-10^-2 Па-см³/с; 5-10^-4 л-мкм рт.ст/с) — для ИС с внутренним объемом от 1 см³ до 10 см³.

Скорость утечки измеряется в атм-см³/с или в единицах СИ, исходя из соотношения 1 атм-см³/с = = 10⁵ Па-см³/с=0,1 Па-м³/с. Известно, что 1 атм 10⁵ Па и 1 мм.рт.ст. 133 Па, а 1 мкм.рт.ст. 0,133 Па.

Если течь составляет 1 л-мкм рт.ст./с, то в объеме, равном одному литру, откачанном до высокого вакуума, давление в течение 1 с возрастет на 1 мкм.рт.ст.

Детальное изучение источников влаги в подкор-пусном объеме ИС позволяет разделить их на две группы: внутренние и внешние. К первым относится выделение влаги из материалов, непосредственно контактирующих с атмосферой объема корпуса ИС, таких как клей и стеклоприпой, а также выделение влаги, химически и физически сорбированной в порах и микронеровностях стеклокерамики, керамики и металлических покрытиях внутри ИС. Внешним источником является влага, натекающая через сквозные трещины или поры, а также диффундирующая через объем полимерного материала (корпуса пластмассовые и герметизируемые клеем).

Начальный уровень влажности в корпусе ИС зависит от влажности и температуры той среды, в которой происходила герметизация (табл. 1) [2].

Казалось бы, герметизация ИС в атмосфере с содержанием паров воды не более 50 ррг решает все вопросы. Однако, как было обнаружено экспериментально, такое требование необходимо, но недостаточно для обеспечения низкого уровня влажности в корпусе. Оказалось, что, если детали корпусов с кристаллами ИС перед герметизацией тщательно не просушивались, уровень влаги в корпусах может в десятки и сотни раз превышать эту величину. Так, в корпусе, загерметизированном в атмосфере сухого бокса с уровнем влаги 5 ррг, но без предварительной просушки сборки и крышки, содержание паров воды при 100 °С составляло порядка 15000 ррг [2].

Проникновение паров воды, как и любого другого газа, через каналы течи внутрь корпуса ИС обычно выражают через скорость нате-кания Q при единичном перепаде давления (общего или парциального). На величину Q влияет геометрия каналов течи, давление внутри и снаружи корпуса, характер взаимодействия паров воды с поверхностью каналов течи. Понятие стандартного натекания в соответствии с военным стандартом США MIL-STD-883 определяется как количество сухого воздуха в кубических сантиметрах, протекающего при температуре 25 °С через одиночную течь или несколько течей в 1 с, когда верхнее давление равно 10 Па, а нижнее — не более 133,3 Па.

Диапазон измеряемых экспериментально значений натекания у корпусов делится на большие (или грубые) течи (не менее 10^-6 Па-м3/с) и малые (или тонкие) — от 10^-7 Па-м3/с до 10^-9 Па-м³/с и менее [7]. В отечественной практике по интенсивности натекания течи принято делить на малые, средние и большие. Размеры течей, соответствующих принятому делению, представлены в таблице 2.

К настоящему времени в мировой практике разработаны соответствующие средства и методы контроля и с их помощью проведены исследования влажности в корпусах ИС, позволившие установить нормы влажности и ввести методику испытаний в национальные стандарты. По принципу контроля и средствам измерения все методы можно классифицировать в соответствии с рис. 1.

К разрушающим методам относятся масс-спектрометрический и метод лазерной ИК-спектроскопии. К неразрушающим методам контроля влажности среды в подкорпусном объеме ИС относятся все методы, использующие специально изготовленные датчики влажности различного типа или элементы металлизации кристалла или корпуса ИС.

Соблюдение требований по содержанию влаги внутри корпусов ИС должно периодически в производстве проверятся. Методы, которыми необходимо контролировать содержание паров внутри корпусов ИС в отечественной практике, изложены в отраслевом стандарте [9].

Цель контроля (испытания) заключается в том, чтобы измерить содержание паров воды в газовой среде внутри ИС в металлическом или керамическом корпусах. Испытание может быть разрушающим (методы 1 и 2) и неразрушающим (метод 3).

Методом 1 измеряется содержание паров воды в газовой среде изделия масс-спектрометром, который должен обладать способностью воспроизводимо обнаруживать определенное содержание паров воды в корпусе с соотношением «сигнал — шум» 20:1, то есть при предельном содержании паров воды 5000 ррг в корпусе объемом 0,01 см³ масс-спектрометр должен чувствовать минимальный предел содержания влаги 250 ррг.

Метод 2 измеряет содержание паров воды в подкорпуском объеме ИС путем накопления влаги, собранной осушенным газом-носителем при температуре 50 °С.

Методом 3 определяется содержание паров воды в газовой среде подкорпусного объема ИС при температуре корпуса 100 ± 5 °С путем измерения реакции калиброванного влаго-чувствительного прибора (датчика), датчика который герметизируется в корпус ИС и имеет контакты на внешней стороне корпуса.

Подходящими типами датчиков по отечественному документу [9] являются: параллельные или расходящиеся металлические полоски на оксидированной поверхности кремниевого кристалла, а также пористые структуры анодированного алюминия с электродами, имеющими золоченое покрытие.

Главным недостатком методов 1 и 2, кроме того, что они разрушающие, являются их дороговизна и большой разброс полученных значений в зависимости от места их проведения, что видно из следующего эксперимента.

Выборка из 15 ИС типа 1564ЛН1 в корпусах 401.14-5, взятая произвольно из одной партии, изготовленной в августе 2000 г., была разделена на три группы по 5 штук в каждой. Измерения масс-спектрометрическим методом, проведенные заводом изготовителем, РНИИ «Эле-ктронстандарт» и ЦНИИ заказчика по определению содержания паров воды в подкорпус-ном объеме приведены в таблице 3.

Хотя по данным измерений различных испытаний содержание паров воды в подкорпус-ном объеме у всех 15 испытываемых ИС типа 1564ЛН1 не превышает норму, равную 0,5 объемного процента при температуре 100 °С (или 5000 ррт), то есть соответствует требованиям общих технических условий, разброс полученных значений подтверждает тезис о сложности измерений и неадекватности получаемых значений масс-спектрометрическим способом различными лабораториями [10].

Поэтому в настоящее время большое внимание делается альтернативным методам контроля, одним из которых является применение специальных элементов, встроенных в корпус ИС.

В качестве такого элемента рекомендуются датчики поверхностно-конденсационного типа (датчики точки росы) и сорбционные, называемые микроэлектронными датчиками влажности (МЭДВ).

МЭДВ встраивается в корпус ИС вместо или одновременно (если корпус большой) с кристаллом схемы. Такие датчики, как правило, должны по размерам соответствовать кристаллам ИС, допускать монтаж в корпус обычными для технологии сборки ИС способами, сохранять работоспособность после различных воздействий в процессе герметизации корпусов и последующих испытаний, включая электротермотренировку в течение 168 или 240 ч, термоциклирование в диапазоне температур -60…+ 150 °С, длительное хранение (500 или 1000 ч) при температуре +150 °С. Датчики должны обладать стабильными метрологическими характеристиками, малым гистерезисом изотермы влаги.

Совокупность выше указанных требований в полном объеме удовлетворяют датчики поверхностно-конденсационного типа или датчики точки росы.

Среди многочисленных конструкций таких датчиков авторами был выбран датчик емкостного типа из-за простоты конструкции и универсальности: этот тип датчика совместим практически с любым технологическим процессом производства ИС и при этом обладает неплохими метрологическими характеристиками [2].

Сконструированный авторами датчик этого типа представляет собой кристалл кремния размером 1×1 мм с размещенным на нем конденсатором, составленным из двух гребенок металлизации с зазором в 10 мкм [11]. Кроме того, на кристалле размещен сдвоенный термодатчик, позволяющий контролировать температуру в процессе измерений. Момент наступления точки росы соответствует излому на зависимости емкости датчика от температуры, который связан с изменением диэлектрической проницаемости воздушного промежутка вследствие конденсации влаги.

Использование сдвоенного термодатчика диодно-резистивного типа позволяет повысить точность измерения температуры.

Конструкция датчика позволяет размещать последний в любом типе корпуса ИС. На рис. 2 показана посадка кристалла датчика размером 3×2 мм в корпус типа 401.14.4. Для этого типа корпуса вырезается кристалл, содержащий шесть отдельных датчиков. Параллельное соединение конденсаторов на кристалле вертикально расположенных датчиков позволяет повысить точность измерений влаги в подкорпусном объеме. Исходя из размеров корпуса запараллелены три пары конденсаторов, что также позволяет повысить точность измерений. Дублирование термодатчиков на одном датчике в корпусе позволяет поднять выход годных практически до 100 %.

Таким образом, в данной работе рассмотрена конструкция емкостного датчика точки росы, предназначенного для контроля влажности внутри корпуса ИС. Особая топология датчика допускает его монтаж в любой тип корпуса ИС обычными методами. Кроме того, предусмотрен контроль температуры кристалла ИС в процессе измерений сдвоенным термодатчиком резистивно-ди-одного типа.

Альтернативным является также метод определения точки росы газа подкорпусного объема ИС по поведению параметров схемы.

Использование элементов ИС в качестве датчиков влажности основано на установлении точки росы по резкому скачку высокочувствительного измеряемого параметра. Исходя из определенной экспериментом точки росы подсчитывается давление атмосферы в корпусе и по номограмме определяется содержание паров воды.

Для проведения испытаний были отобраны три ИС типа 1564ИП7. Каждую схему помещали в камеру тепла и холода, температуру которой устанавливали на 10 °С выше температуры окружающей среды. Температуру в камере понижали до -65 °С, а затем повышали до комнатной. Скорость изменения температуры поддерживали на уровне 10 °С в минуту. В процессе охлаждения и последующего нагревания проводили постоянное измерение влагочувствительного параметра. В качестве информативного параметра был выбран входной ток низкого уровня I1L. Результаты эксперимента представлены в таблице 4.

Далее рассчитали давление Рр в корпусе ИС при температуре точки росы по закону Гей-Люссака: где Р_р — давление в корпусе при температуре точки росы; Р_г, Т_г — давление в корпусе ИС и температура среды при ее герметизации в градусах Кельвина; Т_р-температура точки росы.

Температуру точки росы определяют по резкому скачку измеряемого параметра. ИС № 1. При температуре точки росы -20 °С (253 К), давлении в корпусе ИС 101 325 Па, температуре среды при ее герметизации 22 °С (295 К) имеем Р_р=0,89105 Па. ИС № 2. При температуре точки росы -20 °С (253 К), давлении в корпусе ИС 101 325 Па, температуре среды при ее герметизации 22 °С (295 К) имеем Р_р=0,89105 Па.

ИС № 3. При температуре точки росы -25 °С (248 К) давлении в корпусе ИС 101 325 Па, температуре среды при ее герметизации 22 °С (295 К) имеем Р_р=0,85105 Па.

По номограмме (рис. 3) перевели градусы точки росы Т_р для найденного значения давления Р_р в концентрацию влаги, выразили ррг.

В итоге содержание влаги внутри корпуса ИС 1564ИП7 № 1 и №2 равно 1800 ррт (0,018 объемного процента), ИС № 3 равно 800 ррт (0,008 объемного процента). Методика, изложенная в данной работе, применима для определения точки росы газа в под-корпусном объеме ИС. Изложенный метод является неразрушающим и дешевым.

Литература

1. ОСТ В 11 0998-99. Микросхемы интегральные. Общие технические условия.
2. Чернышев А. А., Крутовязцев С. А., Бутурлин А. И. Контроль влажности в корпусах интегральных микросхем // Зарубежная электронная техника. 1987. №2.
3. ОСТ 11 20. 9903-86. Микросхемы интегральные. Система и методы операционного контроля в процессе производства. Технические требования к технологическому процессу при аттестации производства.
4. ОСТ В 11 0398-87. Микросхемы интегральные. Общие технические условия.
5. ОСТ В 11 073.012-87. Микросхемы интегральные. Специальные общие технические условия.
6. MIL — STD -883 B. Методы испытаний микроэлектронных устройств и порядок их проведения. 1997.
7. Горлов М. И. Контроль качества изделий полупроводниковой электроники. Воронеж. 1998.
8. Бутурлин А. И., Крутовязцев С. А., Рыбкин О. Н., Чернышев А. А., Шабалова Н. И. Методы определения содержания воды в корпусах интегральных микросхем. Электронная техника. 1982. Сер. 3. Выпуск 5-6.
9. ОСТ 11 073.013-83. Микросхемы интегральные. Методы испытаний. Часть 2. Испытания на воздействие климатических факторов и сред заполнения.
10. Горлов М. И., Ануфриев Л. П., Николаева Е. В. Методы контроля содержания паров воды внутри корпусов интегральных схем. Твердотельная электроника и микроэлектроника. Воронеж: ВГТУ. 2001.
11. Горлов М. И. Андреев А. В., Ануфриев Л. П., Николаева Е. В. Микроэлектронный датчик влажности поверхностно-конденсационного типа. Патент РФ 2224246. Опубл. 20.02.2004. Бюл. № 5.