CC BY
32
УДК 681.518.54; 681.586.773
СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ СТРУКТУР МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ ДАТЧИКОВ
В. А. Петрин, П. Н. Цибизов
SYSTEMS OF DIAGNOSTICS OF ELEMENTS AND STRUCTURES OF MICROELECTRONIC SENSORS
V. A. Petrin, P. N. Tsibizov
Аннотация. Контроль и диагностика датчиков физических величин являются обязательными процедурами в технологической цепочке изготовления и конечных приемосдаточных испытаний. Операции контроля и диагностики позволяют выявить дефектные элементы и узлы, что способствует повышению надежности самих датчиков.
Ключевые слова: контроль, диагностика, факторы, надежность, измерение, характеристики, испытания.
Abstract. Monitoring and diagnostics sensors of physical quantities are required pro-ceduresin the processing chain of manufacturing and final acceptance - acceptance tests. Operation control and diagnostics can detect defective elements and nodes, thereby increasing the reliability of sensors themselves.
Key words: control, diagnosis, factors, reliability, measurement, specifications, tests.
В процессе разработки микроэлектронных датчиков (МЭД) проводятся комплексные исследования их элементов, структур и узлов путем всесторонних их испытаний при различных условиях и величинах внешних воздействующих факторов (ВВФ).
При этом могут быть использованы различные системы диагностики, отличающиеся физическими эффектами, регистрируемыми при диагностических воздействиях (рис. 1) [1].
Системы диагностики элементов и структур МЭД
Рис. 1. Классификация методов диагностики структур и элементов МЭД
В процессе исследований были использованы комплексные методы и системы диагностики элементов и структур МЭД, при которых испытыва-лись как разработанные МЭД, так и их отдельные узлы и элементы, в частности, измерительные модули, чувствительные элементы (ЧЭ) и настроечные платы [2]. Задачей исследования узлов и элементов являлась проверка основных конструктивных и технологических решений (КТР), созданных в процессе разработки и изготовления экспериментальных МЭД. Так, при исследовании методов и средств термокомпенсации погрешностей для МЭД были разработаны математическая модель термокомпенсатора и его принципиальная схема. После этого были проведены макетирование термокомпенсатора и испытание его совместно с ПЧЭ, а по их результатам осуществлялся подбор оптимального соотношения плеч резисторного делителя регулирующего транзистора, обеспечивающего минимизацию погрешности чувствительности датчика.
По полученным данным рассчитывали топологию компенсационной платы. При исследовании ЧЭ были определены номиналы и разброс пьезоре-зисторов, их температурный коэффициент сопротивления (ТКС) и тензочув-ствительность, по которым корректировались топология, фотошаблоны, уровни легирования и режимы проведения основных технологических операций по формированию интегральных и пленочных элементов ЧЭ и плат [3].
Результаты исследований ПЧЭ, измерительных модулей и микроэлектронных датчиков
В ходе проведения экспериментальных работ для отдельных пьезорези-сторов ЧЭ были исследованы зависимости вида
Ъ = /¡(Л; (1)
Ъ = /2(Рх ст). (2)
По указанным зависимостям определены ТКС и температурные коэффициенты чувствительности (ТКЧ) тензорезисторов. Были исследованы также такие комплексные параметры ЧЭ, как изолирующие свойства, светочувствительность, чувствительность к давлению и температуре, вольтамперные, нагрузочные и иные характеристики:
I = /з(и); (3)
1ут = /4(Ф); (4)
ивых м = У5(РК); (5)
ивых 0 = /б(Лс) при Рк = 0; (6)
ивых = /т(Лс) при Рк = Рн, (7)
где I - прямой ток в мостовой схеме ЧЭ при подаче напряжения и; 1ут - обратный ток (ток утечки) при освещении кристалла световым потоком Ф; ивых0, ивыхм и ивых - напряжение разбаланса и выходные напряжения мостовой схемы при нулевом давлении (Рк = 0), при текущем Рк и при номинальном давлении (Рн); ¿°К - температура нагрева.
После обработки и анализа экспериментальных данных был определен ряд показателей качества ЧЭ, по которым в дальнейшем проводились кон-
троль и отбраковка ЧЭ при изготовлении макетных и опытных образцов датчиков.
При исследованиях ЧЭ была подтверждена высокая диагностическая информативность вольтамперных характеристик (ВАХ) - характеристика (5) для ЧЭ, имеющих пьезорезисторы и коммутационные шины, изолированные ^-«-переходами. По виду ВАХ и по числовым значениям токов утечки, обратного напряжения и прочих параметров можно судить о наличии и характере дефектов, прогнозируя, таким образом, потенциальные надежность и стабильность ПЧЭ. Полученные в ходе исследований данные подтверждают выводы о характере дефектов, приведенные в [4]. На основе рекомендаций отраслевых стандартов, проведенных расчетов, опыта разработки МЭД и большого числа экспериментальных данных был определен ряд частных оценочных информационно-энергетических параметров качества, которые были внесены в конструкторско-технологическую документацию на датчики.
Так, для ЧЭ МЭД с пьезорезисторами, включенными в мостовую схему, такими параметрами качества являются следующие (в скобках дано их граничное значение):
1) начальный разбаланс моста (U0 < 1 мВ);
2) разброс номиналов пьезорезисторов (5R/R < 2.. .3 %);
3) номинальный выходной сигнал (ин > 100 мВ);
4) температурный коэффициент начального сигнала (а < 0,02 %/°С);
5) температурный коэффициент чувствительности (ß < 0,05 %/°С);
6) ток утечки (1у < 0,2 мкА при иобр = 10 В; 1у < 0,5 мкА (при иобр = 30 В);
7) обратное напряжение (иобр > 30 В).
Кроме того, при контроле и диагностике ЧЭ анализируются виды прямой и обратной ветвей ВАХ на наличие аномалий, вызванных дефектами структуры.
Исследование светочувствительности (4) проводилось при расположении источника излучения как с планарной, так и с непланарной сторон кристалла ПЧЭ. В качестве информативного параметра был принят ток утечки. При этом в первом случае световой поток (Ф) не нормировался и источником излучения была лампа подсветки микроскопа, а во втором случае он нормировался и исследования проводились на специальной испытательной установке. Исследовались как отдельные ПЧЭ, так и готовые датчики.
Было обнаружено, что по изменению тока утечки (1у) при освещении планарной стороны ЧЭ, на которой расположена пьезорезистивная мостовая схема, можно судить о годности и стабильности элементов последней, в частности, если 1ут возрастает в 6-8 раз и стабилизируется, то кристалл, как правило, годный.
Таким образом, по фотоотклику можно производить первичную разбраковку кристаллов ЧЭ еще на пластине до разделения, что позволяет значительно уменьшить трудоемкость контроля.
При исследовании температурных, нагрузочных и иных характеристик как ПЧЭ, так и отдельных его элементов были использованы оригинальные испытательные устройства и методики, позволяющие нагревать и охлаждать кристаллы, термоциклировать, подавать на них контролируемое давление или разрежение [5].
Диагностическая информация при исследовании ЧЭ на таком устройстве снимается с контактных площадок кристалла с помощью зондов установки «Зонд А-4», на которую монтируется испытательное устройство. Данное устройство благодаря широким функциональным возможностям позволяет проводить комплексные испытания как отдельных ЧЭ, так и кристаллов в составе пластин и выявлять на этапе функционального контроля потенциально ненадежные, имеющие микротрещины, дефекты металлизации, /»-«-переходов и т.д.
Измерительные модули (ИМ) датчиков подвергались комплексным испытаниям по воздействию давления и температуры (7). ИМ закреплялись в групповом приспособлении, через трубопровод на них подавалось нагрузочное давление от источника сжатого воздуха, после чего они помещались в камеру тепла и холода. Значения выходных сигналов ИМ регистрировались измерительными приборами и периодически выводились на дисплей персонального компьютера. Те ИМ, которые соответствовали техническим требованиям, изложенным в конструкторской и технологической документации, после проведения контроля допускались на дальнейшую сборку МЭД. Забракованные измерительные модули в зависимости от дефекта или дорабатывались с помощью дополнительной термотоковой технологической тренировки, или уничтожались с выпуском соответствующего акта.
Список литературы
1. Михайлов, П. Г. Контроль и диагностика чувствительных элементов датчиков / П. Г Михайлов, А. П. Михайлов // Контроль. Диагностика. - 2003. - № 10. -С. 28-31.
2. Цибизов, П. Н. Методы и средства функциональной диагностики сенсорных элементов и структур микроэлектронных датчиков / П. Н. Цибизов, П. Г. Михайлов, А. П. Михайлов // Датчики и системы. - 2005. - № 10. - С. 9-11.
3. Михайлов, П. Г. Изготовление неразъемных узлов микроэлектронных датчиков / П. Г. Михайлов, С. Ю. Байдаров, Е. А. Мокров // Контроль. Диагностика. - 2011. -№ 6.
4. Чернышев, А. А. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем / А. А. Чернышев. - М. : Радио и связь, 1998.
5. А.с. 1569634. РФ. Устройство для настройки / П. Г. Михайлов, С. А. Козин, К. А. Афанасьев. - Заявл. 25.06.09, Бюл. № 4.
Петрин Владимир Алексеевич аспирант,
кафедра приборостроения, Пензенский государственный университет E-mail: [email protected]
Цибизов Павел Николаевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра приборостроения, Пензенский государственный университет, руководитель группы научно-образовательной деятельности, ФГУП ФНПЦ ПО «Старт» E-mail: [email protected]
Petrin Vladimir Alekseevich graduate student,
sub-department of instrumentation, Penza State University
Tsibizov Pavel Nikolaevich candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of instrumentation, Penza State University; head of research and education activities, Federal State Unitary Enterprise Federal Research and Production Center Production Complex Start named after M.V. Protsenko
УДК 681.518.54; 681.586.773 Петрин, В. А.
Системы диагностики структур микроэлектронных датчиков / В. А. Петрин, П. Н. Цибизов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. -2013. - № 4 (8). - С. 179-183.
