الموثوقية (أشباه الموصلات)

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

موثوقية جهاز أشباه الموصلات هي قدرة الجهاز على أداء وظيفته المقصودة خلال فترة تشغيل الجهاز في الميدان.

هناك اعتبارات متعددة يجب أخذها في الحسبان عند تطوير أجهزة أشباه الموصلات الموثوقة:

  1. تُعدّ أشباه الموصلات حساسة للغاية للشوائب والجسيمات. لذا، يتطلب تصنيع هذه الأجهزة إدارة العديد من العمليات مع التحكم الدقيق في مستوى الشوائب والجسيمات. وتعتمد جودة المنتج النهائي على العلاقة المعقدة بين كل مادة متفاعلة في أشباه الموصلات، بما في ذلك التمعدن ، ومادة الرقاقة ( قائمة بمواد أشباه الموصلات )، والتغليف.
  2. يجب فهم مشاكل العمليات الدقيقة والأغشية الرقيقة فهماً كاملاً، لا سيما فيما يتعلق بتطبيقاتها في التمعدن وربط الأسلاك . ومن الضروري أيضاً تحليل الظواهر السطحية من منظور الأغشية الرقيقة.
  3. نظراً للتطورات التكنولوجية المتسارعة، يتم تطوير العديد من الأجهزة الجديدة باستخدام مواد وعمليات جديدة، ويُصبح الوقت المتاح للتصميم محدوداً بسبب القيود الهندسية غير المتكررة ، بالإضافة إلى عامل الوقت اللازم لطرح المنتج في السوق . ونتيجةً لذلك، لا يُمكن الاعتماد على موثوقية الأجهزة الحالية كأساس لتصميمات جديدة.
  4. لتحقيق وفورات الحجم ، تُصنّع منتجات أشباه الموصلات بكميات كبيرة. علاوة على ذلك، يُعدّ إصلاح منتجات أشباه الموصلات الجاهزة غير عملي. لذا، أصبح دمج عناصر الموثوقية في مرحلة التصميم وتقليل التباين في مرحلة الإنتاج أمرًا ضروريًا.
  5. قد تعتمد موثوقية أجهزة أشباه الموصلات على ظروف التجميع والاستخدام والبيئة والتبريد. تشمل عوامل الإجهاد التي تؤثر على موثوقية الجهاز الغازات والغبار والتلوث والجهد وكثافة التيار ودرجة الحرارة والرطوبة والإجهاد الميكانيكي والاهتزاز والصدمات والإشعاع والضغط وشدة المجالات المغناطيسية والكهربائية .

تشمل عوامل التصميم التي تؤثر على موثوقية أشباه الموصلات ما يلي: انخفاض الجهد والطاقة والتيار ؛ عدم الاستقرار ؛ هوامش التوقيت المنطقي ( محاكاة المنطق )؛ تحليل التوقيت ؛ انخفاض درجة الحرارة ؛ والتحكم في العملية .

أساليب التحسين

Reliability of semiconductors is kept high through several methods. Cleanrooms control impurities, process control controls processing, and burn-in (short term operation at extremes) and probe and test reduce escapes. Probe (wafer prober) tests the semiconductor die, prior to packaging, via micro-probes connected to test equipment. Final test tests the packaged device, often pre-, and post burn-in for a set of parameters that assure operation. Process and design weaknesses are identified by applying a set of stress tests in the qualification phase of the semiconductors before their market introduction e. g. according to the AEC Q100 and Q101 stress qualifications.[1] Parts Average Testing is a statistical method for recognizing and quarantining semiconductor die that have a higher probability of reliability failures. This technique identifies characteristics that are within specification but outside of a normal distribution for that population as at-risk outliers not suitable for high reliability applications. Tester-based Parts Average Testing varieties include Parametric Parts Average Testing (P-PAT) and Geographical Parts Average Testing (G-PAT), among others. Inline Parts Average Testing (I-PAT) uses data from production process control inspection and metrology to perform the outlier recognition function.[2][3]

Bond strength measurement is performed in two basic types: pull testing and shear testing. Both can be done destructively, which is more common, or non destructively. Non destructive tests are normally used when extreme reliability is required such as in military or aerospace applications.[4]

Failure mechanisms

Failure mechanisms of electronic semiconductor devices fall in the following categories

  1. Material-interaction-induced mechanisms.
  2. Stress-induced mechanisms.
  3. Mechanically induced failure mechanisms.
  4. Environmentally induced failure mechanisms.

Material-interaction-induced mechanisms

  1. Field-effect transistor gate-metal sinking
  2. Ohmic contact degradation
  3. Channel degradation
  4. Surface-state effects
  5. Package molding contamination—impurities in packaging compounds cause electrical failure

Stress-induced failure mechanisms

  1. Electromigration– electrically induced movement of the materials in the chip
  2. Burnout – localized overstress
  3. Charge trapping
  4. الإجهاد الكهربائي – التفريغ الكهروستاتيكي ، المجالات الكهرومغناطيسية العالية ( HIRF )، فرط الجهد الناتج عن التثبيت ، التيار الزائد

آليات الفشل الناجمة عن العوامل الميكانيكية

  1. كسر القالب – بسبب عدم تطابق معاملات التمدد الحراري
  2. الفراغات الناتجة عن تثبيت الرقاقة - عيب تصنيعي - يمكن فحصها باستخدام المجهر الصوتي الماسح.
  3. فشل وصلات اللحام بسبب إجهاد الزحف أو تشققات المركبات المعدنية البينية.
  4. انفصال مادة التشكيل/الحشوة بسبب التغيرات الحرارية

آليات الفشل الناجمة عن العوامل البيئية

  1. تأثيرات الرطوبة – امتصاص الرطوبة بواسطة العبوة والدائرة
  2. تأثيرات الهيدروجين – انهيار أجزاء من الدائرة الكهربائية بفعل الهيدروجين (المعادن)
  3. تأثيرات أخرى لدرجة الحرارة - تسارع الشيخوخة، وزيادة الهجرة الكهربائية مع ارتفاع درجة الحرارة، وزيادة الاحتراق

التنبؤ بالفشل

بحسب آلية العطل، يمكن استخدام تقنيات فيزياء الأعطال للتنبؤ بعطل أشباه الموصلات، مثل قانون كوفين-مانسون وقانون باريس . [ 5 ] ومع ذلك، غالبًا ما تُكمّل التقنيات القائمة على البيانات هذه الأساليب لمراعاة عدم اليقين الناجم عن آليات العطل المتزامنة، على سبيل المثال. [ 6 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ وثائق هيئة الطاقة الذرية
  2. ↑ "AEC Q001" (PDF) .
  3. ↑ "دي دبليو برايس وآر جيه راثرت (شركة كي إل إيه-تينكور). "أفضل الطرق المعروفة للتحكم في عيوب الموثوقية الكامنة في مصانع أشباه الموصلات من 90 نانومتر إلى 14 نانومتر". ورشة العمل السنوية التاسعة عشرة لموثوقية إلكترونيات السيارات. نوفي، ميشيغان. أبريل 2017" .
  4. ↑ سايكس، بوب (يونيو 2010). "لماذا يتم اختبار الروابط؟" . مجلة SMT والتغليف العالمية. مؤرشف من الأصل في 3 يوليو 2018. تم الاطلاع عليه في 20 يونيو 2014 .
  5. ↑ غرابلي، مهدي؛ بوعروج، منيرة؛ شاموان، لودوفيك؛ ألديا، إيمانويل (2024). النمذجة الهجينة للتنبؤ بالعمر المتبقي المفيد في تشخيص وحدات الطاقة . المؤتمر الدولي الخامس والعشرون لعام 2024 حول المحاكاة والتجارب الحرارية الميكانيكية والفيزيائية المتعددة في الإلكترونيات الدقيقة والأنظمة الدقيقة (EuroSimE). كاتانيا، إيطاليا: IEEE. doi : 10.1109/EuroSimE60745.2024.10491493 .
  6. ↑ غرابلي، مهدي؛ بوعروج، منيرة؛ شاموان، لودوفيك؛ ألديا، إيمانويل (2025). "سلاسل ماركوف المستندة إلى الفيزياء للتنبؤ بالعمر المتبقي المفيد لوصلات الأسلاك في وحدات إلكترونيات الطاقة" . موثوقية الإلكترونيات الدقيقة . 167 115644: 1-12 . Bibcode : 2025MiRe..16715644G . doi : 10.1016/j.microrel.2025.115644 .

فهرس

  • جوليو دي جياكومو (1 ديسمبر 1996)، موثوقية العبوات الإلكترونية وأجهزة أشباه الموصلات ، ماكجرو هيل
  • أ. كريستو وب. أ. أونغر (31 ديسمبر 1989)، موثوقية أجهزة أشباه الموصلات ، سلسلة علوم الناتو E
  • التنبؤ بموثوقية المعدات الإلكترونية وفقًا للمعيار MIL-HDBK-217F
  • دليل MIL-HDBK-251: الموثوقية/التصميم للتطبيقات الحرارية
  • MIL-HDBK-H 108 إجراءات وجداول أخذ العينات لاختبار العمر والموثوقية (استنادًا إلى التوزيع الأسي)
  • دليل تصميم الموثوقية الإلكترونية MIL-HDBK-338
  • MIL-HDBK-344 فحص الإجهاد البيئي للمعدات الإلكترونية
  • خطط وإجراءات أخذ عينات معدل الفشل وفقًا للمعيار العسكري MIL-STD-690C
  • تعريف المصطلحات المتعلقة بالموثوقية وقابلية الصيانة وفقًا للمعيار العسكري MIL-STD-721C
  • نمذجة وتوقع الموثوقية وفقًا لمعيار MIL-STD-756B
  • MIL-HDBK-781 أساليب وخطط وبيئات اختبار الموثوقية للتطوير الهندسي والتأهيل والإنتاج
  • متطلبات برنامج الموثوقية MIL-STD-1543B لأنظمة الفضاء والصواريخ
  • إجراءات MIL-STD-1629A لإجراء تحليل أنماط الفشل وتأثيراتها وحساسيتها
  • برنامج التحكم في التفريغ الكهروستاتيكي MIL-STD-1686B لحماية الأجزاء والتجميعات والمعدات الكهربائية والإلكترونية (باستثناء الأجهزة المتفجرة التي يتم تشغيلها كهربائياً)
  • تصنيف الأعطال لاختبار الموثوقية وفقًا للمعيار العسكري MIL-STD-2074
  • عملية فحص الإجهاد البيئي للمعدات الإلكترونية وفقًا للمعيار العسكري MIL-STD-2164
  • دليل موثوقية أشباه الموصلات (ملف PDF) . شركة رينيساس للتكنولوجيا. 31 أغسطس 2006. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) في 1 ديسمبر 2006.
  • كايالي، س. "أنماط وآليات الفشل الأساسية" (ملف PDF) .
  • "معايير الموثوقية والكتيبات" . مؤرشف من الأصل في 8 نوفمبر 2005.
  • أكبري، محسن؛ توكلي بينا، محمد؛ بهمن، أمير سجاد؛ اسكندري، بهمن؛ بور اسماعيل، إدريس؛ بلابيرج ، فريد (2021). "نموذج حراري ممتد متعدد الطبقات لوحدات IGBT متعددة الرقائق مع مراعاة الشيخوخة الحرارية" . الوصول إلى IEEE . 9 : 84217– 84230. بيب كود : 2021IEEEA...984217A . دوى : 10.1109/ACCESS.2021.3083063 . S2CID 235455172 . 
  • أكبري، م.؛ بهمن، أ.س.؛ ريغوسا، ب.د.؛ إيانوزو، ف.؛ بينا، م.ت. (سبتمبر 2018). "النمذجة الحرارية لوحدات الطاقة الموصولة بالأسلاك مع مراعاة التفاعلات غير المنتظمة بين درجة الحرارة والتيار الكهربائي" . موثوقية الإلكترونيات الدقيقة . 88-90 : 1135-1140 . Bibcode : 2018MiRe...88.1135A . doi : 10.1016/j.microrel.2018.07.150 . S2CID 53529098 .