Einflussgrößen und Vorgehensweise zur Überprüfung der Zuverlässigkeit Zielvorgabe: Null ppm

Moderne innovative elektronische Bauelemente führen mehr und mehr zur Entwicklung komplexer elektronischer Steuergeräte für unterschiedlichste Applikationen. Neue Funktionen werden realisiert und im Sinne von „Time to Market“ in immer kürzeren Zyklen auf den Markt gebracht. Da die bisherigen Qualitätsmechanismen nicht mehr ausreichen, um die erforderliche Produkt-Qualität zu garantieren, ist ein ganzheitlicher Ansatz bei der Betrachtung der Qualifikationsprozesse nötig.

Einflussgrößen und Vorgehensweise zur Überprüfung der Zuverlässigkeit

Moderne innovative elektronische Bauelemente führen mehr und mehr zur Entwicklung komplexer elektronischer Steuergeräte für unterschiedlichste Applikationen. Neue Funktionen werden realisiert und im Sinne von „Time to Market“ in immer kürzeren Zyklen auf den Markt gebracht. Da die bisherigen Qualitätsmechanismen nicht mehr ausreichen, um die erforderliche Produkt-Qualität zu garantieren, ist ein ganzheitlicher Ansatz bei der Betrachtung der Qualifikationsprozesse nötig.

Die Verfügbarkeit mikroelektronischer Bauelemente wird mittlerweile für 15 Jahre gefordert. Dies alleine ist eine Herausforderung für jeden Halbleiter-Hersteller. Gleichfalls steigt die Anzahl der Komponenten in Fahrzeugen permanent an. Produktänderungen sind konsequenterweise die Folge. Spezielle Validierungen sind erforderlich, um den geforderten Nachweis der Funktion über definierte Zeiträume und Einsatzgebiete zu erbringen.

Gegenwärtige Validierungsprogramme stützen sich auf die Aussage, dass bei einer mit Null Fehlern geprüften Anzahl von Probanden die gesamte Population fehlerfrei ist. Doch dem ist nicht so. Ermöglicht wird der Schlupf durch eine geforderte Zuverlässigkeit von 95 % und einer statistischen Sicherheit von 90 %. Dies zeigen die nicht unüblichen Feldausfälle, die wiederum auf Unzulänglichkeiten bei den vorangegangenen Qualifikationsprüfungen hindeuten.

Bei Betrachtung der Zuverlässigkeitsfunktion werden stabile Prozesse vorausgesetzt. Es ist jedoch hinreichend bekannt, dass aufgrund von Prozessänderungen und Nutzung von Ratiopotentialen die Stabilität nicht immer gegeben ist. Der erste Teil der Lebensdauerkurve (Bild 1), der Bereich der Frühausfälle, verschiebt sich somit in den Bereich der konstanten Fehlerrate. Aufgrund physikalischer und technologischer Effekte ist es nicht möglich, alle Defekte zu vermeiden. Es ist jedoch die Aufgabe der Zuverlässigkeitsingenieure und -technologen, den mittleren Teil der Lebensdauerkurve so niedrig wie möglich zu gestalten.

Alle elektronischen Komponenten, die in einem Fahrzeug verbaut sind, werden zwangsläufig als Seriensystem betrachtet. Echte redundante Funktionen sind üblicherweise nicht der Fall. Fehlerraten sind schlichtweg zu addieren. Als Folge tritt eine gewisse Abhängigkeit der Zuverlässigkeit der Systeme von vielen tausenden Bauelementen auf. Auftretende Fehler können das gesamte System zum Stillstand bringen. Eine Robustheit hinsichtlich Interaktionen bei auftretenden Fehlern ist nicht gewährleistet.

Es ist daher erforderlich, eine neue Vorgehensweise hinsichtlich der Produkt-Validierung bezüglich Funktionssicherheit zu forcieren. „End of Life“-Tests müssen hinsichtlich Parameter-Beobachtung und Funktion so durchgeführt werden, dass die Grenzen der Funktion in der Applikation nicht erreicht werden können. Dieses dabei nachgewiesene „Guardbanding“ stellt sicher, dass das System für die spezifische Applikation über genügend Robustheit verfügt. Applikationsspezifische kritische Parameter sind als Zuverlässigkeitsindikatoren zu definieren.

Definition „Robustness Validation“

Der Begriff „Robustness Validation“ kann wie folgt gedeutet werden: Validierung der Robustheit durch applikationsspezifisches und definiertes „Guardband Testing“. Diese Tests sind darüber hinaus auf die speziellen Unzulänglichkeiten der zu testenden Komponenten abzustimmen, um den Nachweis einer fehlerfreien Interaktion mit anderen Komponenten zu erbringen.

Zu Beginn der Entwicklung von integrierten Halbleiterschaltungen war die Komplexität eher niedrig und die damit ausführbaren Funktionen limitiert. Die Anforderungen aus dem Umfeld der Anwendung waren moderat. Lebensdauerprüfungen als Nachweiserbringung konnten wirtschaftlich an großen Stückzahlen durchgeführt werden und genügten somit den Anforderungen an die Produkt-Qualität. „Moore’s Law“ prognostizierte den kontinuierlichen Anstieg der IC-Integrationsdichte, die sich heute im Mittel alle drei Jahre vervierfacht, was man gerade im Bereich der Halbleiter-Speicher sehr gut beobachten kann. Natürlich sind mit dieser Strukturverkleinerung neue Herausforderungen verbunden. Während der Chip-Herstellung, der Analyse, der Bewertung von Ausfällen sowie zur Optimierung von Prozessen werden Charakterisierungs- und Analyseverfahren benötigt, die Strukturen und Materialparameter mit geringsten Auflösungen darstellen können.

Testen von integrierten Schaltungen

In dem Maße, wie die Strukturen kleiner werden, reduzieren sich auch die Zuverlässigkeitsreserven der verwendeten Technologien. Bedingt durch unterschiedliche Einflussfaktoren während der Missionsdauer wie zum Beispiel Temperaturerhöhung, Leistung, Stromdichte, mechanische Belastung kommt es zu Veränderungen der Material-Parameter und somit der Funktionseigenschaften. Zuverlässigkeitsanalysen müssen am IC selbst oder an produktrelevanten Test-Strukturen durchgeführt werden. Bei Durchführung beschleunigter Tests ist es erforderlich zu wissen, dass dabei auftretende Fehlermechanismen die gleichen physikalischen Ursachen haben wie jene Fehler, die unter Betriebsbedingungen auftreten können.

Bei den heutigen Strukturen sind das Verständnis der physikalischen Ursachen sowie Fehler- und Ausfallanalyse die Schlüsselparameter. Es ist daher nicht sinnvoll, formalistische Qualifikationsprozeduren noch stärker zu schärfen. Auch wenn die Ergebnisse der Stichprobenprüfung mit Null Fehlern ein hervorragendes Ergebnis darstellen, so ist doch ein gewisser Anteil fehlerhafter Teile an der Gesamtmenge – im ppm-Bereich – zu erwarten. Viel spannender ist es daher zu wissen, wie groß ist der Sicherheitsabstand, also das Guardbanding, zwischen der Anforderung der Applikation und den ausgefallenen Einheiten ist bzw. jenen, die den Test gerade noch bestanden haben.