Способ разбраковки полупроводниковых приборов и микросхем

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 171454 01 К 31/26 51) ТЕ рование откаиборов - М.; Изо щему ко вых пр микросх отбрако тами. изобретения явлни контроля,б включает в себеза низкочастотньктеристик шумовыборки, установ, измерение хар Целью ние време Спосо частоты ср рение хара чающей в отбрэковкется умен я определение 1 Х ШУМОВ, ИЗМЕ- элементов обуление порога актеристик шуГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ(56) Пряников В.С. Прогнозизов полупроводниковых прЭнергия, 1978.Домарацкий А.Н. Иванов Л.Н. ЮрловЮ,И. Многоцелевой статистический анализслучайных сигналов. - Новосибирск: Наука,1975,Авторское свидетельство СССР1 ч. 878032, кл. 0 01 В 31/26, 1982.(54) СПОСОБ РАЗБРАКОВКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ И МИКРОСХЕМ(57) Изобретение относится к неразрушающему контролю качества полупроводниковых приборов (ПП) и интегральныхмикросхем (ИМС) и можетФыть использовано для отбраковки ПП и ИМС со скрытымидефектами. Цель изобретения - уменьшение времени контроля - достигается за счетиспользования характеристик шумовогосигнала, обладающих повышенной различимостью. Способ предусматривает измерение характеристик шумового сигналаэлементов обучающей выборки в полосе чаретение относится к неразрушаюнтролю качества полупроводникоиборов (ПП) и интегральных м (ИМС) и может применятьея для ки ПП и ИМС со скрытыми дефекстот, ограниченной сверху частотой среза.При этом измеряют времена пребывания сигнала каждого элемента выборки в каждом из а интервалов, на которые разбивают пол н ый диапазон мгновенных значений шумового сигнала. Затем находят 1-й интервал, характеризующийся максимальным значением показателя дивергенции; определяемый по формуле, приведенной в описании изобретения. Проводят отбраковку элементов контролируемой партии, у которых значение времени и пребывания шумового сигнала в 1-м интервале больше величиныП:,И 11+Р 12 И 1 .ОИ2 + 011при р 12 ,и 11 или меньше этой величины Я ПРИ,И 11 12 ГДЕ Я 1, Й 1 и,И 12, Я 2оценки математических ожиданий и средне- квадратических отклонений времен пребывания шумового сигнала в 1-м интервале соответственно надежных и потенциально- дефектных элементов обучающей выборки, Устройство для реализации способа содер- - й жит датчик 1 с контролируемым элементом, 4 усилитель 2, фильтр 3, развертывающий усилитель 4, блок 5 квантования, блок 6 управления, выходной усилитель 7, схему 8 .совпадения, блок 9 задания времени анализа, генератор 10 импульсов, счетчик 11, ин- ф дикатор 12 и пороговое устройство 13. 4 ил.мов элементов контролируемой партии и отбраковку элементов со значениями шумовых характеристик, превышающими пороготбраковки.Поставленная цель достигается тем, чтохарактеристики низкочастотных шумов измеряют в полосе частот с верхней граничной частотой, равной частоте среза,разбивают полный диапазон мгновенныхзначений шумового сигнала на в равныхинтервалов, измеряют времена пребыванияшумового сигнала каждого элемента выборки в пределах каждого 1-го интервала, находят 1-й интервал, характеризующийсямаксимальным значением показателяр вычисляемого по формулеФ 1 г - И)+где,и 1, Я 1 и,и 12, 012 - оценки математиче. ских ожиданий и среднеквадратических отклонений измеренных времен пребыванияшумового сигнала соответственно надежных и потенциально-дефектных элементов в1-м интервале, и проводят отбраковку элементов контролируемой партии, у которыхизмеренное значение времени пребыванияшумового сигнала в 1-м интервале большеР 1 г - РИ,величины П =,и+ Й 1 приЯг +Ж,и 12 ) р 1 или меньше этой же величины.прир 11 ,и 12 ПЕриОд иэмЕрЕния врЕмЕни прЕбывания шумового сигнала в пределах одногоинтервала одинаков для элементов обучающей выборки и контролируемой партии.На фиг,1 изображена типовая зависимость спектральной плотности 1 собственных шумов ПП и ИМС, при этом асср - частотасреза низкочастотных шумов, а 1 - верхняяграничная частота измерительного фильтранижних частот; на фиг,2 - пример функцииплотности распределения Р (Ош) мгновенных значений Ош двух случайных сигналов;на фиг.3 - структурная схема устройства,реализующего способ; на фиг.4 - временные диаграммы, поясняющие получение характеристик шумов.Способ основывается на следующихфизических принципах. Измерение шумовпроводят в широкой полосе частот с верхней граничной частотой 1 в. Так как погрешность а определения характеристик шумаопределяется по формуле1а =- -то увеличение полосы пропускания измерител ьного фил ьтра ЬЕ -1 в позволяет сократить время контроля Т при сохраненииточности измерений и повышает обьектив ность контроля, так .как исследуется весь спектр низкочастотных шумов, взаимосвязанных со скрытыми дефектами. Однако при увеличении верхней граничной частоты фильтра уменьшается отношение действующих значений шума потенциально-дефектных и надежных элементов, величина которого определяет вероятность правильной классификации,1,0 Действительно, закон изменения спектральной плотности собственных шумов ПП и ИМС описывается гиперболой 1 ш = 1/1,заменяемой для практических расчетов двумя прямыми линиями (см, фиг.1). Прямая Б - В характеризует уровень шума, взаимосвязанного с наличием дефектов в элементе, прямая А - В - Г - уровень тепловых и дробовых шумов, не зависящих от степени дефектности и присутствующих и в бездеЭффективность выбранных признаков может быть проиллюстрирована спомощью величины дивергенции, которая является мерой различимости двух сигналов и пропорциональна вероятности правильного их распознавания. При распознавании сигналов по одному признаку, подчиняющемуся закону распределения, а именно таким законом аппроксимируются при расчетах шумы элементов, дивергенция определяется по формуле1 а 1+1 Я 1 г 3 1 ф 1 - 2)2 Я я 45 50 55(2) 20 фектных элементах. Таким образом, площадь многоугольника 0 - Б - В - Г - Д пропорциональна действующему значению шума (3 потенциально-дефектных элементов, площадь прямоугольника 0 - А - Г - Д 25- действующему значению шума о 1 надежных. Чем выше значение 1 в, тем меньше отношение 0/о 1 и больше ошибка классификации.30 В предлагаемом способе ошибка классификации частично ограничивается тем, что верхнюю граничную частоту измерительного фильтра 1 устанавливают равной частоте среза 1 ср, но главным образом ком пенсируется за счет использования.характеристик, обладающих большей различимостью, чем действующие значения (дисперсии) шумов. Такими характеристиками являются признаки, каждый из кото рых пропорционален времени пребыванияшумового сигнала в определенном интервале мгновенных значений.где,и, о- оценка математического ожидания и Дисперсии признаков М-го класса элементов (1 = 1,2),При распознавании сигналов с равными средними и разными дисперсиями дивергенция равна112(3)2 ога при распознавании сигналов с разными,10средними и одинаковыми дисперсиями1-г)12П р и м е р, Требуется различить двакласса случайных сигналов, средние.Значения которых равны нуля. Мгновенные значения Ош одного из них распределены по нормальному закону, второго - по трапецеидальному (см. фиг.2), Средние квадратиче ские отклонения обоих сигналов совпадают, т.е. о 1 =И. Распознавание сигналов по действующему значению, т.е. по дисперсйи, .приведет к заключению, что сигналы относятся к одному классу, так как о 1 = ог. Ди- .25 вергенция,определяемая в этом случае по формуле (3), равна нулю. При распознавании сигналов по предлагаемым признакам вероятность ошибки значительно меньше,.так как почти все признаки имеют разные 30 средние значения ,и Наиболее целесбобразно в данном примере для распознавания сигналов использовать признак под номером 6 с максимальной разностью средних значений, Величина дивергенции сигналов 35 по этому признаку, определяемая по формуле (4), составляет 39,2.По графикам, приведенным в ряде источников, можно установить, что при дивергенции, равной нулю, вероятность ошибки 40 распознавания равна 0,5, а при 12= 39,2 она составит 0,15. Таким образом, использование предлагаемого признака для рассмотренного примера снижает вероятность ошибки классификации на 0,35. 45Поскольку реальные распределения шу-,мов надежных и потенциально-дефектных элементов различаются в меньшей степени, чем распределение сигналов в рассмотренном примере, то практически вероятность 50 ошибки классификации может снизиться на величину 0,1 - 0,2, что и подтверждается экспериментом.Способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема кото рого приведена на фиг.3. Устройство содержит датчик 1 с контролируемым элементом, предварительный усилитель 2, фильтр 3 нижних частот, развертывающий усилитель 4, блок 5 квантования, состоящий из щ однотипных линеек, каждая из которых настроена на определенный интервал напряжения, блок 6 управления, выходной усилитель. 7, схему 8 совпадения, блок 9 задания времени анализа, генератор 10 импульсов, счетчик 11, индикатор 12 и пороговое устройство 13,Устройство работает следующим образом.Шумовой сигнал снимается с контролируемого элемента с помощью датчика 1, роль которого выполняет печатная плата с резисторами, используемая для задания требуемого режима работы элемента, и подается на вход предварительного усилителя 2. Предварительный усилитель 2 служит для усиления сигнала и согласования выхода контролируемого элемента с входом фильтра 3 нижних частот, предназначенного для выделения требуемой полосы частот, Развертывающий усилитель 4 обеспечивает подачу на блок 5 квантования симметричного относительно нуля напряжения Ош (см.фиг. 4 а), Блок 5 осуществляет квантование напряжения и выделение сигнала в требуемом интервале. Для этого с блока буправления подается сигнал, включающий соответствующую линейку в блоке 5 квантования. Строб Ос, соответствующий по длительности времени пребывания шумового сигнала в пределах выбранного интервала (см, фиг, 4 б), с выхода блока 5 через выходной усилитель 7 поступает на вход схемы 8 совпадения, При одновременном присутствии на входах схемы 8 совпадения строба с выхода усилителя 7 и импульса напряжения Оп задающего время измерения шумового сигнала Т (см, фиг. 4 в) и поступающего с блока 9 задания времени анализа, счетные импульсы Осч с генератора 10 импульсов (см.фиг, 4 г) поступают на счетчик 11 пакетами (см. фиг, 4 д). Число импульсов, пропорциональное времени пребывания сигнала в заданном интервале мгновенных значений, фиксируется на индикаторе 12,В процессе обучения наборы этих чисел, соответствующие разным интервалам квантования для каждого элемента обучающей выборки, служат для определения величин р с целью выявления наиболее информативного признака и порога классификации П. По результатам обучения выбирается .наиболее информативный, интервал квантования и в пороговом устройстве 13 записывается порог классификации П, В дальнейшем выделенный интервал квантования используется для классификации контролируемых элементов.Число информативных признаков (интервалов квантования) а определяет достоверность классификации наряду с величинами времени анализа Т и полосы пропускания ЬЕ. Установить число в можно по одной из извЕстных методик, если задаться требуемой точностью определения признаков а величинами ЛЕА Г=,р) иТ, Например, при ЬЕ= 20 кГц, Т = 10 с и гп = 10 обеспечивается достаточно высокая точность определения признаков; а = 0,880.Экспериментальная проверка эффективности способа была проведена на партиях микросхем серий 140 УД 1 А, 153 УД 1 и 153 УД 2. Предварительно каждая из партий микросхем объемом 200.шт. была подвергнута разбраковке по спектральной плотности мощности шумов, измеряемой на частотах 10, 100, 10 000 Гц. Время измерения М было принято равным 3 мин, что соответствует значению. а50. Критерием отнесения микросхемы к потенциально-дефектным был принят выход значения спектральной плотности мощности за величину среднего квадратического отклонения, характерную для данной партии микросхем, хотя бы на одной из контрольных частот.Из разбракованных таким образом микросхем была составлена обучающая выборка, включающая 10 надежных (класс 1) и 10 потенциально-дефектных ИМС (класс 2), а также экзаменационная выборка объемом 50 ИМС, в которую были отобраны элементы обоих классов из числа наиболее сложных для классификации, т,е. имеющие характеристики, близкие к порогу забраковэния,В процессе обучения предварительно выявлялась микросхема снаибольшим уровнем шума и по нему в развертывающем усилителе 4 устанавливался коэффициент усиления, обеспечивающий наибольший допустимый размах колебаний напряжения на входе блока 5 квантования. После этого с помощью блока б управления включалась первая линейка блока 5 квантования и измерялось время пребывания шумового сигнала в первом интервале квантования, Время измерения Т 10 с. Затем с помощью блока б управления включалась вторая линейка блока 5 квантования и измерялось время пребывания шумового сигнала во втором интервале. Аналогично были замерены все остальные признаки, характерные для этой микросхемы, Перечисленные операции последовательно повторялись для каждой из микросхем обучающей выборки,По результатам измерений были определены среднее арифметическое значение и среднее квадратическое отклонение измеренных времен по каждому интервалу напряжений для обоих классов элементовобучающей выборки по формулам5,иа = -1 ц; (5)п 1 -1тщ - Й)10 й=и - 1где с 1 ц - время пребывания шумового сигнала/-го элемента обучающей выборки=1,п),относящегося к К=му классу (К = 1,2), в 1-м15 интервале напряжений (1=1,п),Полученные значения использовалисьдля:1) выявления наиболее информативногопризнака под номером 1(1 = 1, в), который20 характеризуется наибольшим значениемдивергенции.)гр =шахр = гпах;(7)94,иг),1 Цг +О 112) установление порога классификацииП =,и +иг01 г +Жгде,ии, щ - параметры, определяемые по" формулам(5) и (6) для зафиксированного 1-го30 интервала,Собственно процесс контроля микросхем заключается в измерении временипребывания низкочастотных шумов каж- го)-го контролируемого элемента т 1 О = 1,М,где К - объем контролируемой партии; входе эксперимента й = 50) в пределах выбранного информативного интервала исравнении его с пороговым значением П.Элемент отбраковывался при т 1П в слу 40 чае, когда и 1 г ) и или при 11П, когда и 1Время измерения так же, как и в процессеобучения, составляло 10 с.В результате эксперимента с экзаменационной выборкой были по-разному классифицированы известным и предлагаемымспособами по две микросхемы серий153 УД 1 и 153 УД 2 (4 от партии) и однамикросхема. серии 140 УД 1 А (2 О от партии),Это означает, что при незначительно отличающихся результатах классификациипредлагаемый способ существенно (со 180до 10 с) сокращает время контроля,Формула изобретения Способ разбраковки полупроводникЬ- вых приборов и микросхем, включающий определение частоты среза низкочастотных, шумов, измерение характеристик шумов элементов обучающей выборки, установление порога отбраковки, измерение характеристик шумов элементов контролируемой партии и отбраковку элементов со значени-ями шумовых характеристик, превышающими пороготбраковки, отл и ча ющийся тем, что, с целью уменьшения времени контроля, характеристики низкочастотных шумов измеряют в полосе частот с верхней граничной частотой, равной частоте среза, разбивают полный диапазон мгновенных значений шумового сигнала на в равных интервалов, измеряют время пребывания шумового сигнала каждого элемента обучающей выборки в пределах каждого 1-го интервала, находят 1-й интервал, характеризующийся максимальным,значением показателя р вычисляемого по фор- муле. +з где,ин, а 1 и р 2, ц 2 - соответственно5 оценки математических ожиданий и средних квадратических отклонений измеренных времен пребывания шумового сигналанадежных и потенциально-дефектных элементов в 1-м интервале, и проводят отбра 10 ковку элементов контролируемой партии, укоторых измеренное значение времени пребывания шумОвого сигнала в 1-м интервалебольше величиныРг -Р 1,и - р+ р42 Жпри и 2 ),и 1 или меньше этой же величины12 1714541 Составител ь Г. Е рмолаеТехред М.Моргентал ожо оррект анова Редакто роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 691 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ С 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5