THIẾT KẾ ðÁNH GIÁ ðỘ TIN CẬY 1. Mở ñầu Trong thiết kế ñánh giá ñộ tin cậy DART (design assessment reliability testing), mục tiêu là nghiên cứu giảm rủi ro của sản phẩm, ñược thực hiện chủ yếu thông qua các phương pháp thử nghiệm gia tốc. Mục tiêu của các nghiên cứu này nhằm làm quá trình trưởng thành của thiết kế càng nhanh càng tốt thông qua việc nhận dạng các chế ñộ hỏng hóc tiềm tàng và các tác ñộng sửa sai ñúng ñắn (xem hình 1). Tăng trưởng ñộ tin cậy trong hầu hết sản phẩm ñều xuất hiện trong giai ñoạn này (xem hình 2). Lúc này, chi phí cho tăng trưởng ñều ñộ tin cậy là rất bé so với thử nghiệm kế tiếp về ñộ chín chắn của thiết kế (DTM: design maturity testing). Như thế, sản phẩm cần ñược hoàn thiện trong giai ñoạn này. Trong giai ñoạn ý tưởng (cổng giai ñoạn 1), chỉ củng cố các ý tưởng thiết kế, chưa phát triển yếu tố tăng trưởng thực tế. Tác ñộng chủ yếu lên ñộ tin cậy của sản phẩm lúc này là chọn cơ sở xây dựng sản phẩm. Trong giai ñoạn ñánh giá (cổng giai ñoạn 2) nhằm tìm ra các thành phần thiết kế chủ yếu và kết thúc. Từ khả năng thay ñổi tiềm tàng lớn, giai ñoạn này sẽ có ảnh hưởng lớn lên ñộ tin cậy của sản phẩm. Trong giai ñoạn phát triển (cổng giai ñoạn 3), và giai ñoạn sản xuất (cổng giai ñoạn 5) với dụng cụ cầm tay tại chổ, mạch in ñã hoàn tất, và việc lựa chọn các linh kiên ñã xong. Mục tiêu của DART (Design Assessment Reliability Testing) là xác ñịnh các chế ñộ hỏng hóc tiềm tàng cố hữu trong thiết kế ban ñầu của quá trình thiết kế. Tìm ra nguyên nhân cội nguồn của chế ñộ hỏng hóc rồi tích hợp trong thiết kế, thì thực hiện tăng trưởng ñộ tin cậy ñược. ðiều này thực hiện ñược thông qua thiết kế ra khả năng xuất hiện của hỏng hóc tiềm tàng khi ñến tay khách hàng và giảm rủi ro cố hữu khi phát triển các sản phẩm mới. Quá trình này còn ñuợc gọi là giai ñoạn giảm rủi ro (Risk-Mitigation Phase). Hình 1 mô tả quá trình và một số lợi ñiểm trong DART (Design Assessment Reliability Testing). DART trong cấp lắp ghép hay cấp lắp ghép con dùng phép thử nghiệm stress theo bước (step-stress) làm phương pháp cơ bản. Chú ý là HALT (Highly Accelerated Life Testing) không chỉ có nghĩa là mô phỏng trong thời gian thực mà là phương tiện nhanh ñể kích khởi các chế ñộ hỏng hóc. Cơ sở toán học và ý niệm về phép thử step-stress ñược mô tả trong chương 9. Trong cấp ñộ hỗn hợp hay cấp hợp thành, có thể dùng các phương pháp thử nghiệm khác theo mô tả ở phần 3. Phương pháp stress gia tốc giúp tìm ra chế ñộ hỏng hóc tiềm tàng của thiết bị trong thời gian ngắn nhất. Các phương pháp này thường dùng các phép thử nghiệm tuần tự (sequential) như phép thử nghiệm step-stressing dùng yếu tố nhiệt ñộ và rung ñộng. Hai yếu tố stress này còn ñuợc kết hợp ñồng thời. ðiều này càng làm tăng nhanh quá trình thử nghiệm, và nếu xuất hiện các chế ñộ hỏng hóc tương tác rung ñộng/nhiệt, thì phép thử nghiệm kết hợp này là phương tiện duy nhất ñể phát hiện ra. Phần tiếp thảo luận về các phương pháp thử nghiệm này. Một yếu tố stress khác có thể dùng là tăng công suất step-stress, power cycling, package preconditioning with infrared (IR) reflow, mô phỏng xả tĩnh ñiện (ESD) và nhiều phương pháp khác. Chọn lựa phuơng pháp nào thì tùy dạng và ñơn vị thử nghiệm cùng các chế ñộ hỏng hóc tiềm tàng của ñơn vị. 2. Phương pháp thử nghiệm HALT bốn góc HALT chủ yếu ñược dùng trong cấp lắp ghép hay cấp lắp ghép con. Phương pháp thử nghiệm HALT thì cần ñến phòng HALT. Nhiều nhà cung cấp ñã sản xuất ra các hệ thống với nhiều môi truờng stress. Phòng này là duy nhất có thể thực hiện các thử nghiệm step-stress về cả nhiệt ñộ và rung ñộng. Thử nghiệm này chủ yếu ñuợc thực hiện trong giai ñoạn ñánh giá (Evaluation Phase) trong ñó các ñơn vị ñược ráp mạch thử nghiệm hay xây dựng các mẫu thử (prototypes - xem hình 3) và còn ñuợc thực hiện trong cổng giai ñoạn 3 ñể kiểm nghiệm lại kết quả của thử nghiệm HALT trước ñó. Quá trình phân tích hỏng hóc FA (Failure Analysis) và thực hiện tác ñộng hiệu chỉnh trong suốt giai ñoạn thử nghiệm. Do thử nghiệm HALT là dạng thử nghiệm stress gia tốc, cho phép xuất hiện rất nhanh quá trình tăng truởng ñộ tin cậy khi thiết lập ñúng tác ñộng hiệu chỉnh. Hơn nữa, thử nghiệm này còn giúp thiết lập tiêu chuẩn thẩm tra tiềm năng, cần có trong quá trình tăng truởng của năm sản xuất ñầu tiên. Phương pháp thử nghiệm HALT ñược thực hiện với bốn góc thử nghiệm. ðầu tiên, là các thử nghiệm step-stress về nhiệt ñộ và rung ñộng, như mô tả trong phần 2.1 và 2.2. Mục tiêu của thử nghiệm này là tìm ra giới hạn khi vận hành và khi không vận hành của ñơn vị ñuợc thử. Các giới hạn này, khi tìm ñược với ñiều kiện nhiệt ñộ và rung ñộng, tạo ra bốn góc của thử nghiệm HALT (xem hình 4). Khi xác ñịnh ñuợc các chế ñộ hỏng hóc, các kỹ sư ñánh giá chế ñộ hỏng hóc rồi thực hiện tác ñộng hiệu chỉnh thích hợp. Phần 9.2 tóm tắt các hướng dẫn thích hợp ñể ñánh giá chế ñộ hỏng hóc. Tiếp ñến là các thử nghiệm kết hợp nhiệt và rung ñộng, như mô tả ở phần 2.3. Cuối cùng, thử nghiệm stress gia tốc nhiệt ñộ, theo mô tả ở phần 2.4. Sau khi thực hiện tác ñộng hiệu chỉnh, thử nghiệm với các ñơn vị mới dùng phương tiện tương tự ñể xác ñịnh hậu quả của chế ñộ hỏng hóc mới và thiết lập giới hạn mới. Cần tiếp tục nghiên cứu các ñiều kiện có liên quan ñến chế ñộ hỏng hóc nhận dạng ñuợc thông qua hệ thống tác ñộng phân tích/sửa chửa hỏng hóc. 2.1 Thử nghiệm HALT step – stress về nhiệt Thử nghiệm step-stress về nhiệt là thử nghiệm HALT ñược dùng nhiều nhất. HALT dùng các thử nghiệm step-stress về nhiệt ñộ ñể tác ñộng vào các chế ñộ hỏng hóc có liên quan ñến yếu tố nhiệt ñộ. Thông thường thì step-stress là một phương pháp khác của thử nghiệm về tuổi thọ (life testing) (xem chương 9). ðây là một công cụ rất mạnh nhằm tìm ra cơ chế hóa-nhiệt không ẩm. (thí dụ: khuếch tán liên kim loại metal interdiffusion, bài toán tăng truởng intermetallic như chất thải Kirkendall (Kirkendall voiding), chuyển dịch ñiện tử (electromigration), phá hỏng cổng MOS (gate wear out), etc.). Thử nghiệm còn ñuợc dùng trong nghiên cứu sâu về ñộ tin cậy. Do công cụ HALT khảo sát chế ñộ hỏng hóc tiềm năng, các thử nghiệm nhiệt step-stress thường bắt ñầu từ nhiệt ñộ phòng và luôn ñuợc áp dụng ñộ lạnh step-stresses bằng cách giảm nhiệt ñộ từng bước mỗi lần 10°C. Mỗi nhiệt ñộ dừng lại ñủ lâu ñể ñơn vị thử ổn ñịnh về nhiệt. Trong HALT, ñơn vị thử ñược giám sát cho ñến khi ñạt ñuợc ngưỡng giới hạn hoạt ñộng dưới và thực hiện với từng chế ñộ hỏng hóc. Thử nghiệm tiếp tục cho ñến khi xác ñịnh ñược là hỏng hóc quan sát ñược là do cơ chế phá hỏng (wear-out). Tiếp ñến, thực hiện các bước step-stress về ñộ nóng bằng cách tăng nhiệt ñộ mỗi lần 10°C, từ nhiệt ñộ phòng. Nhiệt ñộ ñược duy trì ñủ lâu ñể ñơn vị thử ổn ñịnh ñuợc về nhiệt ñộ. Tìm giới hạn nhiệt ñộ hoạt ñộng trên, tiếp tục cho ñến khi xác ñịnh ñuợc cơ chế phá hỏng (wear-out). Sau khi tìm ra các giới hạn hoạt ñộng, xác ñịnh ñược các giới hạn phá hỏng: ñầu tiên là giới hạn lạnh, tiếp ñến là giới hạn nóng. Giới hạn công tác dùng xác ñịnh ñiểm mà ñơn vị thử vượt khỏi các ñặc tính hoạt ñộng nhưng vận hành ñược dùng các chỉnh ñịnh về nhiệt ñộ Giới hạn phá hỏng ñuợc dùng ñể xác ñịnh ñiểm tại ñó ñơn vị không thể phục hồi ñược, dù ñã loại trừ hết mọi yếu tố stress. 2.2 Thử nghiệm HALT step – stress về rung ñộng Ứng dụng stress rung ñộng là công cụ quan trọng ñể tìm cơ chế hỏng hóc cơ học như các vấn ñề có liên quan ñến gá lắp cơ học (mechanical attachment), tính nguyên vẹn của ñóng gói (package integrity), mõi , v.v Thử nghiệm rung ñộng step-stress ñược thực hiện bằng cách gia tăng rung ñộng từ mức không cho ñến một bước ñịnh trước (tùy theo nhận ñịnh kỹ thuật) trong tầm tần số ñặc thù. Chấn ñộng ñầu vào ñược liên tục nhảy bước cho ñến khi có ñược mức vận hành và/hay mức phá hỏng. Thời gian duy trì cho mỗi rung ñộng ñược ñịnh trước khi thử nghiệm. Các rung ñộng kích thích của từng mức ñịnh trước ñược ñưa vào nhằm phát hiện có hỏng hóc có liên quan nhưng chưa ñuợc phát hiện ñến mức rung ñộng cấp cao. 2.3 Thử nghiệm step stress về nhiệt/rung ñộng Do tính tương tác của cơ chế hỏng hóc nhiệt ñộ/rung ñộng nên cần ñược kết hợp lại trong HALT. Các cơ chế hỏng hóc này không thể ñược phát hiện dễ dàng với ñộc một yếu tố stress. Cơ chế hỏng hóc tiềm tàng khi gặp các yếu tố stress ñồng thời sẽ tăng tốc nhanh hơn. Áp dụng vào các cơ chế, thí dụ chế ñộ hỏng do mõi, thì thường bị ảnh hưởng của tất cả môi trường (nhiệt ñộ và rung ñộng) một cách ñộc lập. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, chỉ cần một yếu tố tăng cường này hay một số yếu tố khác là phát hiện ngay ñược chế ñộ hỏng hóc, chưa cần các thử nghiệm hỗn hợp. Trong thử nghiệm HALT hỗn hợp, thường dùng sáu mức nhiệt ñộ cao của các bước nhiệt 10°C step-stress. Các mức rung ñộng kết hợp bắt ñầu với khoảng xấp xỉ mức phân nữa mức rung ñộng “vận hành” ñã tìm ñược trong quá trình thử nghiệm rung ñộng step-stress. Dùng một mức rung ñộng trong mỗi lần của sáu bước nhiệt tăng cường. Việc thử nghiệm chuyển ñổi nhanh nhiệt ñộ ñược thực hiện tiếp theo với ba mức rung ñộng cao vừa tìm ñược trong quá trình thử nghiệm stress rung ñộng. Cần có báo cáo tổng kết thử nghiệm, cung cấp chi tiết các ñiểm bất thường tìm ñược trong quá trình thử nghiệm HALT. Cần có tác ñộng hiệu chỉnh thích hợp ñể sữa chửa, làm cho thiết kế có tính bền vững. 2.4 Chuyển ñổi nhanh nhiệt ñộ ðây không phải là một thử nghiệm thừa, mà là thử nghiệm dùng sốc nhiệt hay thử nghiệm theo chu kỳ ñể tìm ra cơ chế hỏng cơ - nhiệt (thí dụ, ñóng gói bị vỡ, các mối hàn, dây nối vi mạch, vấn ñề giải nhiệt chưa ñúng, yếu tố mõi kim loại, v.v, ). Quá trình chuyển ñổi nhiệt ñộ ñược thực hiện giữa nhiệt ñộ thấp và cao (lấy từ các nhận xét kỹ thuật và kết quả thử nghiệm step-stress trước ñó). Thông thường, các giá trị này giảm theo giới hạn làm việc. Nói chung cần thực hiện tốc ñộ thay ñổi nhiệt ñộ càng nhanh càng tốt (trong ñiều kiện cho phép của phòng thử) và yếu tố ổn ñịnh nhiệt/khối lượng cho phép. Như thế, nhiệt ñộ ñuợc duy trì ñủ lâu ñể nhiệt ñộ của khung ñở (chassis) ñạt ñược ñiểm ñặt nhiệt. Cấp nguồn nhiệt cho ñơn vị thử khi chuyển ñổi nhiệt ñộ từ lạnh sang nóng và tại nhiệt ñộ duy trì, ñồng thời tắt nguồn trong giai ñoạn từ nóng sang lạnh, thực hiện với bốn chu kỳ nhiệt. 3. Thiết kế ñánh giá ñộ tin cậy ở cấp hỗn hợp và cấp cấu thành sản phẩm DART còn ñuợc thực hiện trong cấp ñộ hỗn hợp và cấp ñộ cấu thành. Thử nghiệm này có thể có hay không dùng thử nghiệm step-stress. Thử nghiệm phải ñuợc thiết kế ñặc biệt trên từ yêu cầu cụ thể. Hình 5 minh họa chương trình thiết lập cho quá trình ñóng võ hỗn hợp. ðiều chủ yếu trong DART chính là các khung thời gian và chất lượng thử nghiệm ñang thực hiện. Thí dụ, chuơng trình hình 5 ñược hoàn tất trong thời gian ngắn hơn hai tuần. Chu kỳ thời gian thực còn phụ thuộc vào tính sẵn sàng của thử nghiệm. Các thử nghiệm mô tả ở ñây cung cấp ñộ tin cậy kỹ thuật là ñơn vị thử ñã ñạt thử nghiệm về ñộ chính chắn của thiết kế (Design Maturity Testing), thường thực hiện sau cổng giai ñoạn DART (Design Assessment Reliability Testing). Thí dụ, thử nghiệm này bao gồm cả việc kiểm tra về preconditioning, IR reflow, chu kỳ nhiệt (temperature cycling), phóng tĩnh ñiện (ESD), các thử nghiệm nhiệt có yếu tố ẩm ñộ (temperature-humidity-bias tests), và các thử nghiệm khác. 4. Tóm tắt Chương trình thiết kế ñánh giá ñộ tin cậy rất quan trọng ñể thực hiện ñộ tin cậy trong thế giới bán dẫn hiện nay. Nhiều ngành công nghiệp sống chủ yếu nhờ vào các chương trình này. Tuy nhiên, theo hướng cổng giai ñoạn thì thiết kế ñánh giá ñộ tin cậy chỉ là một cổng và không thể dùng ñể thay thế toàn bộ chương trình tăng trưởng ñộ tin cậy. Toàn chương trình về ñộ tin cậy là cần thiết ñể ñáp ứng và làm gia tăng các kỳ vọng của khách hàng . THIẾT KẾ ðÁNH GIÁ ðỘ TIN CẬY 1. Mở ñầu Trong thiết kế ñánh giá ñộ tin cậy DART (design assessment reliability testing), mục tiêu. thiết kế ñánh giá ñộ tin cậy chỉ là một cổng và không thể dùng ñể thay thế toàn bộ chương trình tăng trưởng ñộ tin cậy. Toàn chương trình về ñộ tin cậy