بشكل عام، من الصعب تجنب قدر بسيط من الفشل في تطوير وإنتاج واستخدام أجهزة أشباه الموصلات. مع التحسين المستمر لمتطلبات جودة المنتج، أصبح تحليل الفشل أكثر وأكثر أهمية. من خلال تحليل شرائح فشل محددة، يمكن أن يساعد مصممي الدوائر في العثور على عيوب تصميم الجهاز، أو عدم تطابق معلمات العملية، أو التصميم غير المعقول للدوائر الطرفية أو سوء التشغيل الناجم عن المشكلة. تتجلى ضرورة تحليل فشل أجهزة أشباه الموصلات بشكل رئيسي في الجوانب التالية:
(1) يعد تحليل الفشل وسيلة ضرورية لتحديد آلية فشل شريحة الجهاز؛
(2) يوفر تحليل الفشل الأساس والمعلومات اللازمة لتشخيص الأخطاء بشكل فعال؛
(3) يوفر تحليل الفشل معلومات التغذية الراجعة اللازمة لمهندسي التصميم لتحسين أو إصلاح تصميم الرقاقة بشكل مستمر وجعله أكثر معقولية وفقًا لمواصفات التصميم؛
(4) يمكن أن يوفر تحليل الفشل المكمل الضروري لاختبار الإنتاج ويوفر أساس المعلومات الضروري لتحسين عملية اختبار التحقق.
بالنسبة لتحليل فشل الثنائيات شبه الموصلة أو الصوتيات أو الدوائر المتكاملة، يجب اختبار المعلمات الكهربائية أولاً، وبعد فحص المظهر تحت المجهر الضوئي، يجب إزالة العبوة. مع الحفاظ على سلامة وظيفة الشريحة، يجب الحفاظ على الخيوط الداخلية والخارجية ونقاط الترابط وسطح الشريحة قدر الإمكان، وذلك للتحضير للخطوة التالية من التحليل.
استخدام المجهر الإلكتروني الماسح وطيف الطاقة لإجراء هذا التحليل: بما في ذلك مراقبة الشكل المجهري والبحث عن نقطة الفشل ومراقبة نقطة الخلل وموقعها والقياس الدقيق للحجم الهندسي المجهري للجهاز والتوزيع المحتمل للسطح الخشن والحكم المنطقي للبوابة الرقمية الدائرة (مع طريقة صورة تباين الجهد) ؛ استخدم مطياف الطاقة أو مطياف الطاقة لإجراء هذا التحليل: تحليل تركيبة العناصر المجهرية، أو بنية المادة، أو تحليل الملوثات.
01. العيوب السطحية وحروق الأجهزة شبه الموصلة
تعد العيوب السطحية واحتراق أجهزة أشباه الموصلات من أوضاع الفشل الشائعة، كما هو موضح في الشكل 1، وهو عيب الطبقة النقية للدائرة المتكاملة.
ويبين الشكل 2 العيب السطحي للطبقة المعدنية للدائرة المتكاملة.
يوضح الشكل 3 قناة الانهيار بين الشريطين المعدنيين للدائرة المتكاملة.
ويبين الشكل 4 انهيار الشريط المعدني وتشوه الانحراف على جسر الهواء في جهاز الميكروويف.
ويبين الشكل 5 احتراق الشبكة لأنبوب الميكروويف.
يوضح الشكل 6 الأضرار الميكانيكية التي لحقت بالسلك المعدني الكهربائي المدمج.
يوضح الشكل 7 فتحة شريحة الصمام الثنائي ميسا وعيبها.
يوضح الشكل 8 انهيار الصمام الثنائي الواقي عند مدخل الدائرة المتكاملة.
يوضح الشكل 9 أن سطح شريحة الدائرة المتكاملة قد تعرض للتلف بسبب التأثير الميكانيكي.
ويبين الشكل 10 الاحتراق الجزئي لشريحة الدائرة المتكاملة.
ويبين الشكل 11 أن شريحة الصمام الثنائي قد تحطمت واحترقت بشدة، وتحولت نقاط الانهيار إلى حالة الانصهار.
ويبين الشكل 12 رقاقة أنبوب طاقة الميكروويف من نيتريد الغاليوم المحترقة، وتمثل النقطة المحترقة حالة الاخرق المنصهرة.
02. الانهيار الكهروستاتيكي
أجهزة أشباه الموصلات بدءًا من التصنيع والتعبئة والنقل وحتى إدخالها على لوحة الدائرة الكهربائية، واللحام، وتجميع الماكينات وغيرها من العمليات، معرضة لخطر الكهرباء الساكنة. وفي هذه العملية، تتضرر وسائل النقل بسبب كثرة الحركة وسهولة التعرض للكهرباء الساكنة التي يولدها العالم الخارجي. لذلك، ينبغي إيلاء اهتمام خاص للحماية الكهروستاتيكية أثناء النقل والنقل لتقليل الخسائر.
في أجهزة أشباه الموصلات ذات أنبوب MOS أحادي القطب ودائرة MOS المتكاملة تكون حساسة بشكل خاص للكهرباء الساكنة، وخاصة أنبوب MOS، نظرًا لأن مقاومة المدخلات الخاصة بها عالية جدًا، وسعة قطب كهربائي مصدر البوابة صغيرة جدًا، لذلك من السهل جدًا أن تكون تتأثر بالمجال الكهرومغناطيسي الخارجي أو الحث الكهروستاتيكي والشحن، وبسبب توليد الكهرباء الساكنة، يصعب تفريغ الشحنة في الوقت المناسب، لذلك، من السهل أن يتسبب تراكم الكهرباء الساكنة في الانهيار الفوري للجهاز. شكل الانهيار الكهروستاتيكي هو في الأساس انهيار كهربائي مبتكر، أي أن طبقة الأكسيد الرقيقة للشبكة تتفكك، وتشكل ثقبًا صغيرًا، مما يؤدي إلى تقصير الفجوة بين الشبكة والمصدر أو بين الشبكة والصرف.
وبالمقارنة مع أنبوب MOS، فإن قدرة الانهيار المقاومة للكهرباء الساكنة للدائرة المتكاملة MOS أفضل قليلاً نسبيًا، لأن طرف الإدخال للدائرة المتكاملة MOS مجهز بصمام ثنائي واقي. بمجرد وجود جهد كهروستاتيكي كبير أو جهد زيادة في معظم الثنائيات الواقية يمكن تحويله إلى الأرض، ولكن إذا كان الجهد مرتفعًا جدًا أو كان تيار التضخيم اللحظي كبيرًا جدًا، في بعض الأحيان سوف تتعطل الثنائيات الواقية بنفسها، كما هو موضح في الشكل 8.
الصور العديدة الموضحة في الشكل 13 هي تضاريس الانهيار الكهروستاتيكي لدائرة MOS المتكاملة. نقطة الانهيار صغيرة وعميقة، وتقدم حالة الاخرق المنصهرة.
يوضح الشكل 14 مظهر الانهيار الكهروستاتيكي للرأس المغناطيسي للقرص الصلب للكمبيوتر.
وقت النشر: 08 يوليو 2023
