Haute fiabilité banalisée

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1 Haute fiabilité banalisée F.R. (<10 FITs) très bas dans la plupart des applications 10 FITs =10-8 défaillances/heure MTTF 10,000 années Complexité croissante * Intégration IC * Intégration PCB * Fonctionnalité des systèmes 1 / défaillances par an

2 Fiabilité : le contexte Une exigence absolue : enjeux technologiques, économiques, de société Un challenge Complexité, densité, rapidité augmentent Sévérité des conditions (criticité) de fonctionnement accrue (banalisation et universalité de l électronique) Coûts en diminution Cycles de design et de production plus courts Niveaux de fiabilité exigés très élevés (<10 FIT) Approche traditionnelle en faillite : Déverminage coûteux Tests de fiabilité dissuasifs peu efficaces, signification statistique insuffisante à 10 FIT Base de données (RDF) en déclin

3 Fiabilité : le contexte Intégration Analyse comportementale sous contrainte Modélisation de la fiabilité Modélisation des dégradations Maîtrise de la fabrication (WLR - SPC ou équivalent) Modélisation des mécanismes de défaillances Stratégies de test de fiabilité Techniques d analyse Approche coopérative Intégration de la fiabilité (BIR) / Physique des défaillances (POF)

4 Fiabilité:les facteurs actifs Profil de mission Attribut technologique Contrainte Résistance * Analyse du profil de mission * Détermination du stress maximum en opération * Analyse des surcharges possibles * Robustesse du composant * Dispersion des paramètres critiques * Maîtrise des procédés * Elimination des queues de faible résistance * Identification des attributs limitatifs en fiabilité choix technologiques

5 Durées de vie Influence des dispersions paramétriques sur la fiabilité Ex. : distribution des épaisseurs en électromigration Effet sur les distributions de durée de vie (rep. Weibull) β=50 β=10 β=1 σ = 20 nm 1 σ = 100 nm σ = 50 nm t f = AJ -n exp( kt E ) % failure ,8 0,9 1 1,1 1,2 e (mm) σ = 20 nm (β>80) 10-4 σ = 50 nm (β 40) σ = 100 nm (β 10) t (10 6 h) life time 10

6 Démontrer la fiabilité Niveaux de fiabilité élevés nécessitant des tests de fiabilité tronqués Facteurs d accélération limités par des contraintes physiques Nombre d essais élevés / durée du test augmentation du coût N failures α = 90% α = 60% Π=350 1 failure 1 10 λ (fit)

7 L évolution de la fiabilité packaging/assemblages/microsystèmes Même exigence de fiabilité (10 FITs et moins), Comportements électrique/mécanique/chimique à prendre en compte Interfaces technologiques critiques : assemblages de matériaux très différents;faibles AF «ruptures» de process

8 Les exigences scientifiques et techniques Technologies en développement (VLSI, microassemblages, microsystèmes) * Choix technologiques (robustesse) * Identification/modélisation des mécanismes de défaillances * Structures de test (WLR ou équivalent) * Indicateurs de fiabilité * Techniques d analyse Technologies statistiques (VLSI, microassemblages, microsystèmes) * Démonstration de la fiabilité * Modèles de prévision de durée de vie * Paramétrage lois de dégradation * Tests de fiabilité «raccourcis»/«génériques» (qualification virtuelle)

9 RTP STIC Fiabilité des composants et packaging (n 31) Pilotage : IXL () Bordeaux, LAAS (UPR 8001) Toulouse, IMEP (UMR 5150) Grenoble, IETR (FRE 2273) Rennes + DSA STIC + 3 experts industrie 1er cercle : L2MP (UMR 6137) Marseille, IEF (UMR 8622) Orsay, LIRMM (UMR 5506) Montpellier, IRCOM (UMR 6615) Limoges, LEMD (UMR 5517) Lyon 2ème cercle : (évolutif) LPM (UMR 5511) Lyon, TIMA (USR 77706) Grenoble, LTPCM (UMR 5614) Grenoble, CEM2 (UMR 5507) Montpellier, IEMN (UMR 8520) LEG (UMR 5529) Grenoble + 4 ou 5 experts scientifiques de l industrie

10 Utilisation directe des résultats en Recherche et R&D - Choix technologiques justifiés - Techniques d analyse - Qualification composants - Etude de cas - Modèles de défaillance - Prévision de durée de vie Circulation et disponibilité des données/exécutables Environnement associatif RTP Fiabilité : une approche coopérative * ANADEF (France), VDE.ITG (Verband Deutscher Elektrotechnicker e.v(a) * EDFAS (Electron Device Failure Analysis Society - USA) * EFUG (European FIB User Group) Commercial * CALCE (Université Maryland) Service global orienté F.A. et Fiabilité Site internet RTP Fiabilité Banque de connaissances / résultats Séminaires, workshops Coordination des travaux Mise en réseau de moyens spécifiques

11 La demande Quelques exemples de problèmes à traiter (identifiés par l industrie) L impact ESD sur les défaillances IC Fiabilité couches diélectriques ultra fines Fiabilité interconnexions Susceptibilité aux radiations IC Interaction humidité-boîtiers plastiques Susceptibilité thermomécanique Qualification de composants commerciaux pour applications espace ou militaire Guide de fiabilité tous composants Techniques d analyse sans contact (OBIC, OBIRCH, EMMI, SQUID, )

12 Les contours Côté Systèmes Hors : Sûreté de fonctionnement (grands systèmes), Maintenance, Redondance, Disponibilité, Logiciels, etc Frontière : TSMD (Time Stress Measurements Devices) Volet «Intégration de systèmes actifs» Côté Matériaux * Points critiques des modèles de fiabilité : paramétrage à partir de données physiques représentatives (métallurgie - matériaux organiques ) * L aspect matériaux est intégré dans l approche physique de la fiabilité Aspect pluridisciplinaire riche

13 RTP Fiabilité : organisation 4 groupes de travail thématiques Fiabilité dans l assemblage et l encapsulation (packaging) Effets thermiques - thermomécaniques - interfaces - matériaux - micromécanique (smart cut) - puissance Fiabilité des technologies intégrées avancées (géométrie - fréquence) Oxydes- - isolation composants - interconnexions (CMP) - effets parasites dans composants matériaux composés VI-VI (Si-Ge), III-V Fiabilité des microtechnologies et microsystèmes Architectures spécifiques (ponts, membranes, cavités, parties mobiles, robustesse nouveaux procédés / nouvelles configurations), interfaces mécaniques / chimiques... Méthodologie de prévision des durées de vie Structure WLR ; paramétrage lois de dégradation ; test génériques ; tests tronqués, modélisation des distributions de durée de vie

14 Action Spécifique «Fiabilité microélectronique et microsystèmes» Les différentes équipes participant à l'as Fiabilité en microélectronique : IETR (Rennes - URER) : O. Bonnaud IMEP (Grenoble UMR 5130) : G. Ghibaudo IXL (Bordeaux ) : Y. Danto, N. Labat LAAS (Toulouse UPR 8001) : M. Bafleur Fiabilité des microsystèmes : IEF (Orsay UMR 8622) : A. Bosseboeuf IEMN (Lille UMR 8520) : L. Buchaillot, O. Millet IETR (Rennes- URER) : O. Bonnaud IXL (Bordeaux ) : C. Pellet, I. Dufour LAAS (Toulouse UPR 8001) : P. Pons, G. Blasquez LIRMM (Montpellier UMR 5506) : P. Nouet

15 Action Spécifique «Mécanismes de défaillance et Fiabilité des assemblages» (En cours de proposition finale) Domaines d'intérêt abordés : Mécanismes de défaillance des technologies d'interconnexion (BGA, Flip-Chip, CSP, MCM, Modules 3D, ) Matériaux d'encapsulation des composants électroniques Mécanismes de dégradation des diélectriques Fiabilité des composants passifs discrets et enterrés Mécanismes de dégradation de matériaux de report : joints brasés, underfills, interposeurs, alliages sans plomb, adhésifs conducteurs, Techniques d'analyse non destructive : microscopie acoustique, rayons X, techniques IR, monitoring HF, Simulations thermiques ou thermomécaniques Fiabilité du couplage optique et criticité thermomécanique en fonction des contraintes environnementales Nouvelles approches de fiabilité appliquées à la prévision de durée de vie de microassemblages : faible AF, faible λ, faible population, Composants concernés : VLSI, discrets, composants passifs, composants et circuits de puissance, circuits hybrides, MCM, capteurs,

16 Premières Etapes Création d un CDRom avec les publications marquantes de chaque équipe concernant la fiabilité (février 2002) Présentation synthétique des activités de chaque équipe (mars 2002) Identification des besoins communs en fiabilité microélectronique et microsystèmes Définition de diverses actions à mener (mars 2002)

17 Actions en cours Communs : Inventaire des moyens disponibles en matière de caractérisation au sein des différentes équipes. Définition d une base de données de propriétés physico-chimiques des matériaux (silicium, oxydes, métaux, polymères, etc.) en fonction de la méthode de dépôt employée. Microsystèmes : Conception de véhicules de test basiques (poutres, ponts, membranes, etc.) permettant de caractériser un ou des mécanismes de défaillances intervenant. Microélectronique : Mécanismes de dégradation et de défaillance dans les diélectriques. Mécanismes de dégradation dans les composants à base de composés III-V.