Geringste Leckströme und parasitäre Kapazitäten

<p>Die PolySurg- Bauelemente von Cooper Electronic Technologies entsprechen als Überspannungsschutz-Elemente der IEC 61000-4-2 und zeichnen sich durch hohe Lebensdauer, geringste Leckströme und extrem niedrige parasitäre Kapazitäten aus.

Bisher war eine statistische Abschätzung der Lebensdauer von Halbleiterbau-elementen nur mit der Einhaltung konstanter und genau definierter Betriebsbedingungen möglich. Mit einer neuen Technologie kann die noch zur Verfügung stehende Lebensdauer eines Halbleiterbausteins abhängig von seiner konkreten Vorgeschichte auch während des laufenden Betriebs prognostiziert werden.

Die PolySurg- Bauelemente von Cooper Electronic Technologies entsprechen als Überspannungsschutz-Elemente der IEC 61000-4-2 und zeichnen sich durch hohe Lebensdauer, geringste Leckströme und extrem niedrige parasitäre Kapazitäten aus.

Durch ihre niedrige Eigenkapazität von 0,15 pF eignen sich die Bauteile für Anwendungen bis 6 GHz; hinzu kommt ein Leckstrom von nur 0,1 nA.

Erhältlich sind die RoHS-konformen Bauelemente in oberflächenmontierbaren Gehäusebauformen der Größe 0402 und 0603. Zudem sind sie bidirektional einsetzbar und ersetzen damit zwei unipolare Elemente.

Typische Anwendungen sind analoge Audio-/Video-Ports, Prüfgeräte, Mobiltelefone und schnelle Digital-Schnittstellen wie DVI, HDMI, Gigabit-Ethernet, USB 2.0 und IEEE 1394b.


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Die hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit von integrierten Schaltkreisen stellen eine Herausforderung für das Design und die Qualifikation der Bauelemente dar. Mit der neuartigen „Sentinel Silicon“-Technologie ist erstmals die zuverlässige Messung der Lebensdauer eines Halbleiterbausteins während des Betriebs möglich. Spezielle patentierte Schaltkreise erfassen die Einflüsse der Umweltparameter Temperatur, elektrische Einstrahlung und Aufladung (ESD – electrostatic discharge) sowie der radioaktiven Strahlung auf die Lebensdauer der elementaren Schaltungsstrukturen. Erstmals können die tatsächlichen Umwelteinflüsse, die ein bestimmter Halbleiterbaustein während seines Betriebes sieht, berücksichtigt werden.

Die Entwicklung der Zuverlässigkeit von elektronischen Bauelementen über das Alter lässt sich in drei Abschnitte einteilen (Bild 1): frühe Ausfälle, nutzbare Lebensdauer und Ende der Lebensdauer. Frühausfälle werden durch im Fertigungsprozess angelegte Defekte oder Schwachstellen verursacht, die zunächst keine Funktionsbeeinträchtigung bewirken und erst später im Feld unter Einfluss der Betriebsbedingungen zum Ausfall führen. Solche latenten Defekte können durch die üblichen Produktionstests nicht erfasst werden. Durch einen gezielten Stress während eines „Burn In“-Verfahrens wird eine beschleunigte Alterung und damit der Ausfall von Teilen mit latenten Fehlern erreicht; betroffene Bauelemente können aussortiert werden. Durch strikte Einhaltung von Entwurfsrichtlinien, die in Zusammenhang mit eng tolerierten Prozessbedingungen für die Fertigung und definierten Umweltbedingungen während der Betriebsdauer festgelegt werden, kann die Zuverlässigkeit während der Betriebszeit auf nahezu verschwindend kleine Ausfallraten gebracht werden.

Zum Ende der Lebensdauer hin steigt die Fehlerrate wieder deutlich an. Im Gegensatz zu den Frühausfällen liegen die Ursachen der Spätausfälle nicht in angelegten Defekten oder Schwachstellen, sondern in der Degradation der verwendeten Materialien und ihrer im Design festgelegten Struktur. Ausmaß und Geschwindigkeit dieser Degradation hängen stark von den Umwelteinflüssen während der Betriebsdauer ab. Läuft ein Bauelement während des Betriebes bei höherer Betriebstemperatur als ein anderes Bauelement gleicher Bauart, wird die Lebensdauer verkürzt. Neben der Temperatur haben Feuchtigkeit, elektrische Aufladungen und Einstrahlung sowie die Absorption von Strahlung Einfluss auf die Lebensdauer.

Gängige Praxis ist es, die Lebensdauer eines Bauelementes so ausreichend zu bemessen, dass während des Einsatzzeitraums der Bereich der Spätausfälle nicht erreicht wird. Dazu müssen Festlegungen über die typischen Betriebsbedingungen getroffen werden. Aus der Auswertung der Lebensdauer für Bauelemente, die verschärften Umweltbedingungen ausgesetzt wurden, können Beschleunigungsfaktoren für die Parameter der Umgebungsbedingungen ermittelt werden. Aus den Beschleunigungsfaktoren lässt sich dann die Lebensdauer bei den tatsächlichen Betriebsbedingungen extrapolieren.

Allerdings beschreiben diese Modellrechnungen nur die statistischen Korrelationen zwischen Produktparametern, Umweltbedingungen und Alterung für größere Stichproben. Diese Modelle versagen, wenn für einzelne Bauelemente Korrelationen zwischen den tatsächlichen Produktparametern und dem während des Betriebs erfahrenen Betriebsbedingungen hergestellt werden sollen. Die „Sentinel Silicon“-Technologie erlaubt eine individuelle Aussage für jedes einzelne Bauelement zu jedem gewünschten Zeitpunkt während der Lebensdauer.

Folgende Anwendungen werden hier näher erläutert:

  • Warnung vor dem Ende der Lebensdauer („Wear Out“),
  • Prozess- und Lebensdauer-Monitoring für kontinuierliche Qualitätskontrolle,
  • Monitoring von kritischen Schädigungen durch ESD.

Die „Sentinel Silicon“-Technologie verwendet spezielle, im Chip integrierte Prognose-Zellen, um eine Vorhersage über die noch zur Verfügung stehende individuelle Lebensdauer eines Halbleiterbauelements zu erhalten. Diese Prognose-Zellen degradieren schneller als die restliche Schaltung und lassen sich damit zur Prognose der Alterung verwenden (Bild 2). Die Zeitdifferenz zwischen dem Ausfall der Prognose-Zelle und dem Einsetzen des „Wear Out“ wird als Prognose-Distanz bezeichnet. Diese kann in einem weiten Zeitbereich durch geeignete Wahl der Entwurfsparameter der Prognose-Zelle eingestellt werden. Mehrere Zellen mit unterschiedlichen Prognose-Distanzen können eingesetzt werden, um eine genauere zeitliche Auflösung der noch zur Verfügung stehenden Lebensdauer zu erreichen. Zur Kalibrierung der Prognose-Zellen werden Daten über den Ablauf der Alterungsprozesse für die verwendete Prozesstechnologie verwendet. Die Prognose-Zellen müssen jeweils auf den verwendeten Herstellungsprozess abgestimmt werden.

Wird die Prognose-Distanz in den Bereich der mindestens zu garantierenden Lebensdauer für ein Bauelement verschoben, dann ist dies ein wirksamer Monitor zur laufenden Kontrolle und Absicherung einer Mindestlebensdauer für jedes einzelne hergestellte Bauelement (s. Bild 3). Im Gegensatz zu den bisher hierfür eingesetzten Monitoren auf Halbleiterscheiben in der Produktion sind die „Sentinel Silicon“-Monitore in das Bauelement integriert und können zu jedem späteren Zeitpunkt ausgelesen werden, auch wenn eine direkte Kopplung mit der Halbleiterproduktion nicht mehr oder nur noch mit Aufwand herstellbar ist. Das hier vorgestellte Konzept des Monitorings kann insbesondere auch von den Herstellern in der Verwertungskette nach dem Halbleiterhersteller wirksam genutzt werden, z.B. von Systemherstellern, Herstellern ohne eigene Halbleiterproduktion (fabless) oder EMS (Electronic Manufacturing Services). Der Verlauf der Ausfallrate von Prognose-Zellen in Bauelementen, die einwandfrei hergestellt wurden und keine Beeinträchtigungen erfahren haben, ist in Bild 3 dargestellt. Diese Prognose-Zelle war zu allen Zeitpunkten in den Arbeitsschritten der Produktion einwandfrei und wird erst während des regulären Betriebs mit einem Vorlauf von 10 Jahren, wie in diesem Beispiel gewählt, ansprechen.

Wurde das Bauelement am Rande der Prozess-Toleranzen hergestellt, durch elektrische Interferenz beschädigt oder anderweitig belastet, ist die Lebensdauer reduziert. Bild 4 zeigt diesen Fall: Die Prognose-Zellen werden bereits während der Produktionsprozesse ausfallen. Der Status der Prognose-Zellen kann vor Auslieferung der fertiggestellten Bauelemente bzw. Module an den Endkunden im Endtest ausgewertet werden. Daraufhin können die gefährdeten Bauteile aussortiert werden. Gegenüber dem Endkunden kann eine garantierte Lebensdauer, bezogen auf das einzelne Modul, nachgewiesen werden.

In der Fertigung von elektronischen Komponenten und Baugruppen haben sich rigide Richtlinien zur Handhabung der empfindlichen Bauelemente durchgesetzt. Schon im Entwurfsprozess werden kritische Stellen durch interne Schutzbeschaltungen innerhalb der Halbleiter und durch geeignete externe Beschaltungen gesichert. Geräte, die in kritischen Anwendungen im Automobil oder in Industrieanlagen eingesetzt werden sollen, müssen in umfangreichen Qualifikationen auf ihre ESD- und EMV-Eigenschaften hin untersucht werden. Dennoch sind nach einer Untersuchung des Jet Propulsion Lab [1] mehr als 30 % der Ausfälle von elektronischen Geräten auf ESD- und EMV-Einflüsse zurückzuführen.

Die Folgeschäden durch diese Ausfälle sind erheblich. Es gibt umfangreiche Untersuchungen, die von weltweit ca. 40 Mrd. Dollar Schäden ausgehen, die durch ESD verursacht wurden. Mit immer kleiner werdenden Prozess-Geometrien in der Halbleiterfertigung werden auch die Ladungsmengen immer geringer, die genügen, um die feinen Halbleiterstrukturen zu schädigen. Die empfindlichste Stelle aller Halbleiter ist dabei das Gate-Oxid. Bereits geringe Ladungsmengen genügen in den dünnen Strukturen, um Feldstärken zu erreichen, die zur dauerhaften Schädigung des Oxids durch eingefangene Ladungsträger führen. Diese Schäden müssen nicht unmittelbar zum Ausfall führen. Die betroffenen Bausteine weisen aber eine deutlich geringere Lebensdauer auf als ungeschädigte Bausteine aus derselben Produktion und können zu einem späteren Zeitpunkt spontan ausfallen.

Um das Problem der Empfindlichkeit von Halbleiterstrukturen für EMV und ESD besser fassen zu können, wurden Modelle für die möglichen Einflüsse abgeleitet; hierzu gehören das „Human Body Model“ und das „Machine Model“ der IEC 60749. Die so festgelegten Testbedingungen werden zur Qualifikation der Produkte verwendet. Dadurch werden allerdings nur Extrembedingungen für die Qualifikation von Bauelementen festgelegt. Welchen tatsächlichen Einflüssen ein individuelles Bauelement während des Betriebs unterworfen sein wird, ist damit nicht bestimmt. Eine kontinuierliche Erfassung und Integration aller Umwelteinflüsse auf die Lebensdauer eines einzelnen Bauelementes war bisher nicht möglich. Eine speziell erweiterte „Sentinel Silicon“-Zelle erlaubt das Monitoring von ESD-Einflüssen auf das Halbleiterbauelement (Bild 5).

Dieser Monitor wird direkt mit den Anschlüssen verbunden, deren ESD-Belastung erfasst werden soll. Über eine Schaltung mit hohem Eingangswiderstand zur Steuerung des Energietransfers werden alle auf den funktionalen Teil des Chips wirkenden ESD-Einflüsse „abgehört“. Die erfasste Ladungsmenge wird verstärkt auf den Testkondensator Ctest gegeben. Das Oxid dieses Testkondensators wird gezielt stärker belastet als der restliche Chip. Über eine Auswerte-Elektronik (Fehler-Anzeige, failure indicator) wird der Zustand des Testkondensators bewertet, dieser steht für die Auswertung in einem BiST (Built-in Self Test) oder für andere Diagnosefunktionen auf dem Chip zur Verfügung. Die gesamte Zelle ist in einem 0,25-µm-CMOS-Prozess nur 150 µm2 groß.

Die Funktion der Zellen ist unabhängig von der Stromversorgung des Bauelements und von der Polarität des ESD-Ereignisses. Bild 6 zeigt den Spannungsverlauf am Testkondensator Ctest. Diese Spannung belastet den Testkondensator und führt zu einer gezielten Alterung des Gate-Oxids. Die Spannung am Testkondensator ist proportional zur Stärke der ESD-Ereignisse. Im vorliegenden Beispiel (Bild 6) ist die Versorgungsspannung des Bauelements abgeschaltet, dennoch funktioniert die Schaltung, und der Testkondensator wird gezielt belastet.

Da sich die „Sentinel Silicon“-Zellen in unmittelbarer Nachbarschaft zur funktionalen Schaltung des Bauelements befinden, wurden sie mit den gleichen Prozess-Parametern hergestellt und haben während des Betriebs dieselben Umgebungsbedingungen hinsichtlich Temperaturen und Handhabung. Einflüsse aus Variationen der Prozess-Parameter und der Umgebungsbedingungen auf die individuelle Lebensdauer des Bauelements werden daher bei der Bewertung in vollem Umfang korrekt mit berücksichtigt. Bauelemente, die durch eine ungünstige Prozess-Führung ein intrinsisch schwächeres Oxid besitzen, werden bereits bei geringeren Belastungen ausfallen. Entsprechend ist auch die „Sentinel Silicon“-ESD-Monitoring-Zelle empfindlicher! Der Zustand der „Sentinel Silicon“-Zelle beeinflusst nicht die Funktion des restlichen Bauelements. Der Zustand der ESD-Monitoring-Zelle kann jederzeit über JTAG-Schnittstellen oder über ein serielles Interface ausgelesen werden.