بشكل عام، من الصعب تجنب حدوث أعطال طفيفة في تطوير وإنتاج واستخدام أجهزة أشباه الموصلات. ومع التحسين المستمر لمتطلبات جودة المنتج، تتزايد أهمية تحليل الأعطال. فمن خلال تحليل شرائح أعطال محددة، يمكن أن يساعد ذلك مصممي الدوائر على اكتشاف عيوب تصميم الجهاز، وعدم تطابق معلمات العملية، والتصميم غير المنطقي للدوائر الطرفية، أو سوء التشغيل الناتج عن المشكلة. وتتجلى أهمية تحليل أعطال أجهزة أشباه الموصلات بشكل رئيسي في الجوانب التالية:
(1) تحليل الفشل هو وسيلة ضرورية لتحديد آلية فشل شريحة الجهاز؛
(2) يوفر تحليل الفشل الأساس والمعلومات الضرورية لتشخيص الخطأ بشكل فعال؛
(3) يوفر تحليل الفشل معلومات التغذية الراجعة الضرورية لمهندسي التصميم لتحسين أو إصلاح تصميم الشريحة بشكل مستمر وجعله أكثر منطقية وفقًا لمواصفات التصميم؛
(4) يمكن أن يوفر تحليل الفشل المكملات الضرورية لاختبار الإنتاج وتوفير أساس المعلومات الضرورية لتحسين عملية اختبار التحقق.
لتحليل أعطال ثنائيات أشباه الموصلات، أو الدوائر الصوتية، أو الدوائر المتكاملة، يجب أولاً اختبار المعلمات الكهربائية، وبعد فحص المظهر باستخدام المجهر الضوئي، يجب إزالة الغلاف. مع الحفاظ على سلامة وظيفة الشريحة، يجب الحفاظ على سلامة الأسلاك الداخلية والخارجية، ونقاط الترابط، وسطح الشريحة قدر الإمكان، استعدادًا للخطوة التالية من التحليل.
استخدام المجهر الإلكتروني الماسح وطيف الطاقة للقيام بهذا التحليل: بما في ذلك مراقبة مورفولوجيا المجهر، والبحث عن نقطة الفشل، ومراقبة نقطة العيب وموقعها، والقياس الدقيق لحجم الهندسة المجهرية للجهاز وتوزيع الجهد السطحي والحكم المنطقي لدائرة البوابة الرقمية (مع طريقة صورة التباين الجهد)؛ استخدام مطياف الطاقة أو مطياف للقيام بهذا التحليل لديه: تحليل تكوين العنصر المجهري، أو تحليل بنية المادة أو الملوثات.
01. عيوب السطح وحروق الأجهزة شبه الموصلة
تعتبر عيوب السطح واحتراق الأجهزة شبه الموصلة من أوضاع الفشل الشائعة، كما هو موضح في الشكل 1، وهو عيب الطبقة النقية للدائرة المتكاملة.
الشكل 2 يوضح العيب السطحي للطبقة المعدنية للدائرة المتكاملة.
الشكل 3 يوضح قناة الانهيار بين الشريطين المعدنيين للدائرة المتكاملة.
يوضح الشكل 4 انهيار الشريط المعدني وتشوه الانحراف على جسر الهواء في جهاز الميكروويف.
الشكل 5 يوضح احتراق الشبكة في أنبوب الميكروويف.
يوضح الشكل 6 الضرر الميكانيكي الذي لحق بالأسلاك المعدنية الكهربائية المتكاملة.
الشكل 7 يوضح فتحة شريحة الصمام الثنائي الميسا والعيب.
الشكل 8 يوضح انهيار الصمام الثنائي الواقي عند مدخل الدائرة المتكاملة.
يوضح الشكل 9 أن سطح شريحة الدائرة المتكاملة يتعرض للتلف نتيجة للصدمة الميكانيكية.
يوضح الشكل 10 الاحتراق الجزئي لشريحة الدائرة المتكاملة.
يوضح الشكل 11 أن شريحة الصمام الثنائي قد تحطمت وتعرضت لحروق شديدة، وتحولت نقاط الانهيار إلى حالة ذوبان.
الشكل 12 يوضح رقاقة أنبوب طاقة الميكروويف المصنوعة من نتريد الغاليوم وهي محترقة، ونقطة الاحتراق تقدم حالة من التناثر المنصهر.
02. الانهيار الكهروستاتيكي
تتعرض أجهزة أشباه الموصلات، بدءًا من التصنيع والتغليف والنقل، وصولًا إلى لوحة الدوائر الإلكترونية للتركيب واللحام وتجميع الآلات وغيرها من العمليات، لخطر الكهرباء الساكنة. في هذه العملية، يتضرر النقل نتيجة الحركة المتكررة وسهولة التعرض للكهرباء الساكنة المتولدة من البيئة الخارجية. لذلك، يجب إيلاء اهتمام خاص للحماية من الكهرباء الساكنة أثناء النقل والشحن لتقليل الخسائر.
في أجهزة أشباه الموصلات ذات أنبوب MOS أحادي القطب ودائرة MOS المتكاملة حساسة بشكل خاص للكهرباء الساكنة، وخاصة أنبوب MOS، نظرًا لارتفاع مقاومة مدخلاته، وصغر سعة قطب البوابة والمصدر، لذلك من السهل جدًا أن 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 بارع، أي أن طبقة الأكسيد الرقيقة للشبكة تنهار، وتشكل ثقبًا صغيرًا، مما يقصر الفجوة بين الشبكة والمصدر أو بين الشبكة والصرف.
بالمقارنة مع أنبوب MOS، فإن قدرة دائرة MOS المتكاملة على مقاومة الكهرباء الساكنة أفضل قليلاً، لأن طرف دخل الدائرة مزود بثنائي حماية. بمجرد وجود جهد كهروستاتيكي كبير أو جهد تصاعدي في معظم الثنائيات الواقية، يمكن توصيلها بالأرض، ولكن إذا كان الجهد مرتفعًا جدًا أو كان تيار التضخيم اللحظي كبيرًا جدًا، فقد تتعطل الثنائيات الواقية تلقائيًا، كما هو موضح في الشكل 8.
الصور العديدة الموضحة في الشكل 13 تُمثل تضاريس الانهيار الكهروستاتيكي لدائرة MOS المتكاملة. نقطة الانهيار صغيرة وعميقة، مما يُظهر حالة رشّ منصهر.
يوضح الشكل 14 مظهر الانهيار الكهروستاتيكي لرأس المغناطيسي للقرص الصلب للكمبيوتر.
وقت النشر: ٨ يوليو ٢٠٢٣
