Uszkodzone mikroczipy to zadanie dla specjalistów z Instytutu Freseniusa SGS z Drezna.
Każdy pewnie poznał na własnej skórze, czym są wyładowania elektrostatyczne (ESD = „electrostatic discharge“). Przy dotknięciu jakiegoś przedmiotu czujemy nagle „kopnięcie”. Do wyładowań elektrostatycznych dochodzi wtedy, gdy między dwoma ciałami istnieje duża różnica potencjałów. Podczas takiego wyładowania uwalniana jest mała ilość energii. W przypadku niektórych elementów przełącznikowych w mikroczipach nawet małe ilości energii wystarczą, aby doszło do uszkodzeń. Wprawdzie stosuje się układy zabezpieczeń, ale wykazuje one jedynie ograniczone działanie. Dlatego przed wprowadzeniem elementu na rynek jest on poddawany testom na wytrzymałość na wyładowania elektrostatyczne i sprawdzany pod kątem ewentualnych słabych punktów. Często zdarza się, że szkody w wyniku wyładowań elektrostatycznych powstają dopiero w trakcie eksploatacji u klienta. W takiej sytuacji element jest odsyłany do dostawcy, który stara się wykryć przyczynę uszkodzenia. Obie te usługi realizowane są przez drezdeński oddział Instytutu Freseniusa SGS, który specjalizuje się w mikroelektronice, i jest wiodącym podmiotem oferującym tego rodzaju usługi diagnostyki analitycznej.
Uszkodzenia wskutek wyładowań elektrostatycznych dotyczą detali
Inżynieria mechaniczna wykorzystuje rozwiązania zabezpieczające przed wyładowaniami elektrostatycznymi przede wszystkim na stanowiskach pracy. Zalicza się do nich specjalna odzież, podłoga, blaty stołów czy ramy. Aby wykryć mikrouszkodzenia elektrostatyczne, konieczne jest jednak użycie mikroskopu elektronowego. „Gdybyśmy użyli mikroskopu optycznego, zauważylibyśmy tego rodzaju uszkodzenia tylko wtedy, gdyby były odpowiednich rozmiarów i wyróżniały się widocznymi, nadtopionymi miejscami. Nie jest to jednak regułą, ponieważ oznaki stopienia materiału są w przypadku uszkodzeń elektrostatycznych bardzo małe. W pierwszej kolejności należy usunąć całą warstwę połączeń uszkodzonego elementu w kąpieli chemicznej, czyli poprzez wytrawienie kwasami”, wyjaśni Thomas Freitag, kierownik laboratorium. W ten sposób odsłonimy właściwą warstwę półprzewodnikową, czyli substrat krzemowy. W tej warstwie znajdują się tranzystory bądź komponenty, które są czułe na wyładowania elektrostatyczne.
Temperatura wzrasta chwilowo do ponad 1000 stopni, w wyniku czego topnieje warstwa krzemowa.
Na nich można w oparciu o analizę za pomocą mikroskopu elektronowego wykryć ślady przebicia, które powstają podczas wyładowania elektrostatycznego. „Temperatura wzrasta chwilowo do ponad 1000 stopni, w wyniku czego topnieje warstwa krzemowa”, tłumaczy kierownik oddziału, Gerard Dallmann. Tego rodzaju ślad przebicia znajduje się między dwoma aktywnymi obszarami (widoczne na schematach 1 i 2 powyżej). W takim przypadku można bez trudu wykryć uszkodzenia, ponieważ są charakterystyczne.
Wykrywanie uszkodzeń elektrostatycznych: Tylko jedna z oferowanych usług
Zdarzają się zlecenia, które polegają na celowym obciążeniu elementów przy użyciu urządzeń badawczych. Przeprowadzenie tego rodzaju testów jest uzasadnione w przypadku nowych układów, które dopiero będą wprowadzane na rynek. „Podczas testów, w których celowo dochodzi do obciążenia bądź przeciążenia elementów, pojawiają się istotne pytania: Gdzie dokładnie znajduje się uszkodzenie? Który z układów zabezpieczających był skuteczny a który nie?”, wyjaśnia G. Dallmann. Aby obciążenie elementów było realistyczne, używa się modeli symulacyjnych ESD. Do najbardziej powszechnych należą modele Human Body Model (HBM) oraz Machine Model (MM). W przypadku modeli HBM sprawdza się za pomocą urządzenia kontrolnego skutek wyładowań elektrostatycznych ludzkiego ciała na dany element, natomiast w przypadku MM chodzi o symulację wyładowań spowodowanych przez maszynę.
W przypadku przepięcia elektrycznego mamy do czynienia z dużo większą mocą, dlatego może dojść do stopienia się elementu.
Często należy podjąć decyzję, czy mamy do czynienia z wyładowaniem elektrostatycznym (ESD) czy może z przepięciem elektrycznym (EOS, „electrical overstress“). To może być trudne. Zwykle elektryczne elementy są wymiarowane i tworzone dla dopuszczalnych maksymalnych wartości prądu i napięcia. „Jeśli element zostanie przeciążony, dochodzi do przebicia, które różni się wyraźnie od przebicia typowego dla wyładowań elektrostatycznych. W przypadku przepięcia elektrycznego mamy do czynienia z dużo większą mocą, dlatego może dojść do stopienia się elementu”, opowiada Gerard Dallmann. Zwykle zjawisko EOS pojawia się podczas użytkowania produktu przez klienta. Zdarzają się również przypadki, w których trudno ocenić, czy doszło do wyładowania czy może do przepięcia. W takiej sytuacji decydują niuanse.
Globalna sieć specjalistów
SGS Institut Fresenius GmbH jest jednym z najważniejszych podmiotów oferujących usługi z zakresu niemedycznej diagnostyki analitycznej. To niezależne laboratorium zostało założone w Wiesbaden, w 1848 roku, a od roku 2004 należy do SGS, wiodącego na rynku międzynarodowego koncernu badawczo-certyfikującego pochodzącego ze Szwajcarii. SGS zatrudnia na całym świecie ponad 97 tysięcy osób w ponad 2600 oddziałach. Każdy oddział specjalizuje się w innej dziedzinie. Filia w Dreźnie zajmuje się wyładowaniami elektrostatycznymi m.in. dlatego, że istnieje tutaj długa tradycja związana z mikroelektroniką. Dwa oddziały dawnego drezdeńskiego Centrum Mikroelektroniki usamodzielniły się w 1990 roku. Dzisiaj instytut jest jednym z wiodących podmiotów oferujących usługi diagnostyczne w zakresie materiałów, powierzchni i powłok cienkowarstwowych. Oprócz właściwych usług diagnostycznych doświadczenie i szerokie znajomości pozwalają Gerardowi Dallmanowi i jego zespołowi oferować również usługi doradcze dla firm.
