Oog voor betrouwbaarheid in een vroeg stadium van de productontwikkeling kan een hoop kwaliteitsproblemen later in het traject voorkomen. Mark Gortemaker van het Enschedese Maser Engineering beschrijft welke tests elektronicafabrikanten allemaal kunnen (laten) uitvoeren om de betrouwbaarheid van hun producten te garanderen.
Kwaliteitsproblemen tijdens productie en in het veld kunnen leiden tot hoge kosten en zelfs tot imagoschade – zie het recente fiasco met de Galaxy Note 7 van Samsung. Het is van belang om in een vroeg stadium van de ontwikkeling oog te hebben voor de betrouwbaarheid van een product. Dit kost meer effort maar is nog altijd goedkoper dan een redesign tijdens productie of een terugroepactie.
De betrouwbaarheid van elektronica begint bij het productieproces van de individuele halfgeleidercomponenten in de waferfab. De veelgebruikte norm JESD47 ‘Stress-test-driven qualification of integrated circuits’ van de internationale standaardisatieorganisatie Joint Electron Device Engineering Council (Jedec) beschrijft een basisset van acceptatietests om nieuwe chips en product- of proceswijzigingen te kwalificeren voor consumenten- en industriële toepassingen. Specifiek voor automotive is er de AEC-Q100-norm ‘Failure mechanism based stress qualification for integrated circuits’ en voor defensie, lucht- en ruimtevaart is er Mil-STD-883 ‘Test method standard microcircuits’.
De levensduur van een mosfet hangt bijvoorbeeld af van de materiaalkeuze, de dikte en de gewenste eigenschappen. De fab test het product op een breed scala aan fenomenen. Electromigration is materiaalverplaatsing door elektrische stroom, waardoor gaten ontstaan in de aluminium of koperen sporen. Time-dependent dielectric breakdown is het doorslaan van het gateoxide door een langdurig lage veldsterkte, veroorzaakt door de vorming van een geleidend pad naar het substraat. Gate oxide integrity is een soortgelijke doorslag, maar dan door een kortstondige hoge veldsterkte. Bij negative bias temperature instability stijgt de drempelspanning van de mosfet, waarmee de drainstroom en de geleidbaarheid omlaag gaan.
Warmer dan in de oven
De componenten uit de fabriek kunnen elektronicabedrijven aan vervolgtests laten onderwerpen bij partijen als Maser Engineering. Een van de levensduuronderzoeken die wij uitvoeren op nieuwe halfgeleiders is de high temperature operating life-test. Hierbij stressen we de chips op een verhoogde temperatuur van 125 tot 150 graden Celsius. Door ze actief aan te sturen, dissiperen ze vermogen en worden ze nog warmer dan in de oven. Zo kunnen we in zes weken een levensduur testen van tien jaar.
De eerste 168 uur is de burn-in of inbrandperiode, overeenkomend met de periode dat een device net in gebruik is. De periode tussen 168 en 1000 uur noemen we useful life, de normale gebruiksduur. Daarna komt de wear-out en neemt het uitvalspercentage toe. Van een nieuw automotive-ic moet bijvoorbeeld 100 procent de burn-in doorstaan.
Voor automobielfabrikanten testen we de componenten eerst elektrisch volgens de datasheetparameters. Dan gaan ze voor 24 uur de oven in, waarna we ze nog een keer elektrisch testen. Hierbij kunnen we gebruikmaken van een opstelling waarin plek is voor achttienhonderd productjes, die we een voor een laden, stressen en ontladen.
Verder verifiëren we of de componenten bestand zijn tegen elektrostatische ontlading. Dat doen we door esd-pulsen te simuleren afkomstig van mensen (human body model) en van machines (charged device model). Bij latch-up-tests onderwerpen we de devices aan stromen en spanningen om te proberen ze in een onstabiele modus te krijgen.
Corrosie onder spanning
Een andere serie tests beproeft vooral de interactie tussen het device en zijn omhulling. In een tweekamersysteem met een warme en koude zone voeren we een temperatuurwissel uit. Hierbij verplaatst een lift producten vijfhonderd keer op en neer tussen -65 en 150 graden Celsius.
Met temperature cycling testen we de mechanische constructie van de omhulling. Bij de uitvallers zien we vaak afgeschoven bonddraden of scheurtjes in de glazen beschermlaag van een ic. Deze test is belangrijk bij systemen die opereren in wisselende omgevingscondities, bijvoorbeeld in de buitenlucht.
De gevoeligheid voor chemische corrosie onder spanning gaan we na middels onderzoeken zoals de highly accelerated stress test en de temperature humidity bias. Hierbij bieden we een spanning aan, waarna het potentiaalverschil een chemische reactie op gang kan brengen die tot uitval kan leiden. Veelvoorkomende defecten zijn losse bonddraden of sluitingen doordat corrosie een geleidend pad heeft gevormd.
Een laatste ‘omhullingstest’ is high temperature storage. In dit onderzoek stellen we de devices statisch op de proef, gedurende 1000 uur op 150 graden Celsius. Hiermee testen we versneld de groei van intermetallische verbindingen zoals een bonddraad van goud of koper op een aluminium pad.
Gesoldeerde geheel
Als alle onderzoeksresultaten goed zijn, geven we het ic vrij en kunnen we het gaan testen in een systeem, gesoldeerd op een pcb. De betrouwbaarheid van dergelijke soldeerverbindingen controleren we aan de hand van Jedec-norm JEP150 ‘Stress-test-driven qualification of and failure mechanisms associated with assembled solid state surface-mount components’. Door de verschillende uitzettingscoëfficiënten van materialen ontstaat mechanische stress die kan leiden tot scheurtjes in het soldeer en open verbindingen, met systeemuitval als gevolg.
Daarnaast voeren we een aantal board-level betrouwbaarheidsonderzoeken uit. Bij de drop-test laten we de geassembleerde printplaten duizend keer vallen om het gebruik, bijvoorbeeld van een smartphone, te simuleren. Bij de buigtest buigen we de pcba’s 250 duizend keer.
Met board-level temperature cycling testen we weer de mechanische levensduur, maar nu van het gesoldeerde geheel. Gebruikmakend van 45 speciale gedaisychainde producten met een ohmse weerstand doorlopen we in duizend cycli van elk een uur het temperatuurbereik van -45 tot 125 graden Celsius, terwijl een datalogger continu de weerstand meet. Een verhoging van de weerstand kunnen we zo nauwkeurig bepalen.
De uitval van een device op een pcb hangt vooral af van de grootte van de component, de afmetingen van de afstandshouders (stand-offs) van de printplaat, de dikte van de soldeerpasta en de gebruikte verpakkingsmaterialen. Kleinere stand-offs en een dunnere pasta hebben een negatief effect op de mechanische levensduur.
Minder streng
Belangrijk is ook om bij systemen al in de prototypefase te kijken naar het toepassingsgebied; automotiveproducten vereisen een andere aanpak dan consumentenelektronica, die over het algemeen niet te maken heeft met extreme temperaturen en hoge luchtvochtigheid.
Als eerste beproeving onderwerpen we een prototype aan een highly accelerated life test (halt), waarbij we samen met een engineer van de klant het systeem tot buiten zijn specificaties pushen om zwakke plekken bloot te leggen. Tijdens de uitgebreide elektrische analyse ondergaat het product een temperatuurstresstest, een zeer snelle temperatuurwissel, random trillingen in drie richtingen en een combinatie van de laatste twee. Dit levert de operationele en destructieve limieten op en verbeterpunten om het systeem robuuster te maken. Deze kan de fabrikant meenemen in het uiteindelijke product. De automotive- en luchtvaartindustrie stellen een halt-test verplicht bij de ontwikkeling.
Vervolgens kunnen we nog een heel scala aan additionele onderzoeken doen, zowel op systeemniveau als op het complete eindproduct. Deze zijn vaak toegespitst op de toepassing. Voorbeelden zijn operationele tests op hoge en lage temperatuur gedurende 48 tot 168 uur, wissels tussen minimale en maximale temperatuur gedurende tien tot vijftig cycli van een tot vier uur elk, tests waarbij temperatuur en luchtvochtigheid een dag-en-nachtritme volgen gedurende 240 uur (cyclic damp heat), tests op constante luchtvochtigheid (steady state damp heat), stof- en waterdichtheidstests volgens de IP-normering, gas- en salt mist-corrosietests, uv-tests en schok- en vibratietests.
Al deze onderzoeken moeten we uitvoeren volgens vastgestelde richtlijnen, willen ze kunnen dienen als goede referentie. Voor elektronische systemen gebruiken we veelal de IEC- en/of Mil-STD-810-specificaties, maar ook klantspecifieke normen met eigen eisen aan temperatuur en testduur. De systeemtests zijn typisch minder streng zijn dan de componenttests omdat systemen ook componenten kunnen bevatten die niet tegen extreme condities kunnen. Het aantal te testen units ligt tussen de drie en tien.
Dieper kijken
Elke uitvaller geeft een heleboel informatie die kan helpen om de kwaliteit te verbeteren. Het is echter niet altijd even makkelijk om de ware oorzaak van uitval te vinden. Geregeld moeten we daarvoor de printplaat en zelfs een chip in.
Op systeemniveau beginnen we veelal met een inspectie van de productdocumenten conform de IPC-A-600/610-standaard. Hiermee krijgen we waardevolle informatie over de kwaliteit van het pcb-design, de vulling van de via’s, de laagdiktes, de uniformiteit, de toleranties, de assemblage, de soldeerkwaliteit en vervuilingen. Deze analyse kan al veel zeggen over wat we tijdens productie kunnen verwachten. Initiële zwakheden kunnen we vervolgens aantonen door het product optisch en met röntgen te inspecteren en door een dwarsdoorsnede te maken met optische en elektronenmicroscopie.
Chipanalyse doen we in eerste instantie non-destructief. We gebruiken optische microscopen en röntgeninspectie om te kijken naar holtes in de soldering en kapotte bonddraden. Middels scanning acoustic microscopy speuren we naar delaminatie in een ic, wat kan duiden op open verbindingen. Met lock-in thermography maken we warmtebeelden.
Als de non-destructieve analyse geen uitsluitsel geeft, dan maken we de chip open met laserablatie en chemisch etsen. Vervolgens kunnen we dieper kijken naar beschadigingen. Eerst optisch, maar meestal komen we uit bij ingewikkeldere technieken zoals fotonemissie, optical beam induced resistance change en/of wederom lock-in thermography. Bij verwachte esd-schade kunnen we vervolgens besluiten om alle lagen van het circuit te verwijderen. In geval van een metallisatiefout kunnen we bijvoorbeeld een doorsnijding maken met een gefocusseerde ionenbundel.
