Nel lavoro sui semiconduttori esiste una linea di demarcazione netta tra chi sa dire cosa sta succedendo e chi sa dire solo cosa è successo.
Lo strato che tutti trattano come opzionale
La fisica dei dispositivi ha la reputazione di background accademico: qualcosa che copri una volta e poi lasci alle spalle per strumenti e datasheet. La reputazione sopravvive perché in un giorno buono è vera. Si progettano circuiti, si lavorano i wafer e i prodotti vengono spediti senza che nessuno invochi il trasporto di carica.
Smette di essere vera nel momento in cui qualcosa non funziona per un motivo che nessuno si aspettava.
Un parametro deriva a un angolo del processo. Un dispositivo che ha superato la qualifica fallisce dopo otto mesi sul campo. La resa crolla su un'attrezzatura e le mappe del wafer mostrano un pattern che nessuno sa leggere. Un componente si comporta diversamente dalla simulazione e la simulazione era stata eseguita correttamente.
Senza la fisica, ogni guasto inspiegato diventa tentativi ed errori, e in questo settore il ciclo di retroazione su un tentativo è settimane.
Questo è il vero argomento per la formazione. Non l'eleganza. Il tempo di ciclo. Un team che sa ragionare sul meccanismo elimina ipotesi su una lavagna in un pomeriggio. Un team che non può, deve costruire ciascuna di esse.
Cosa copre questa direzione
L'ambito: fisica dello stato solido, materiali semiconduttori, funzionamento dei transistor, caratterizzazione dei dispositivi e fisica dello scaling.
Quattro aree.
Portatori e trasporto. Come si muove la carica, cosa lo limita, e perché mobilità, drogaggio e temperatura compaiono in ogni equazione che conta.
Giunzioni e interfacce. Dove si fanno i dispositivi e dove la maggior parte di essi si guasta. L'interfaccia dell'ossido, il contatto metallico, l'eterogiunzione.
Funzionamento dei dispositivi. Famiglie di transistor, cosa fanno davvero i terminali, e dove il modello da manuale smette di descrivere il dispositivo reale.
Caratterizzazione e analisi dei guasti. Test elettrico, analisi fisica, e la disciplina di dedurre un meccanismo interno da misure esterne.
Tre cose che il datasheet non ti dice
I datasheet sono documenti onesti letti con negligenza.
Tipico non è garantito. Un parametro dato come tipico è un valore centrale da un campione di dispositivi di un processo in un momento nel tempo. Non è un limite e non è una specifica. Un progetto la cui funzione dipende da un valore tipico non ha alcun margine, e il guasto arriva con un cambio di processo che il fabbricante non aveva alcun obbligo di annunciare.
Le condizioni di test sono determinanti. La resistenza in conduzione dichiarata a venticinque gradi raddoppia grosso modo alla temperatura operativa in molti dispositivi di potenza. La capacità dichiarata a bassa polarizzazione crolla nettamente sotto polarizzazione di lavoro. Il guadagno è dichiarato a una corrente e a una temperatura. Leggere un numero senza leggere la riga delle condizioni sotto è l'errore più comune del settore.
I valori massimi assoluti non sono punti operativi. Sono il confine oltre il quale può verificarsi un danno. Progettare a quei valori è progettare sull'orlo del precipizio aspettandosi che il precipizio abbia un corrimano.
Nulla di tutto questo è oscuro. Tutto viene regolarmente ignorato da ingegneri a cui non è mai stato dato il quadro fisico che darebbe senso ai numeri.
Perché l'affidabilità è fisica su un orologio lento
I dispositivi a semiconduttore di solito non si guastano casualmente. Si guastano attraverso meccanismi fisici identificati che procedono lentamente sotto stress e alla fine attraversano una soglia.
I meccanismi nominati sono ben caratterizzati: degrado graduale dell'ossido di gate sotto campo elettrico, danno da portatori energetici vicino al drain, migrazione graduale di atomi di metallo nell'interconnessione sotto alta densità di corrente, spostamento della soglia sotto polarizzazione e temperatura, e fatica meccanica nel packaging quando materiali con diversi coefficienti di espansione vengono ciclati.
Ne seguono due conseguenze, ed è per questo che questa direzione conta commercialmente.
L'affidabilità si può modellare. Questi meccanismi hanno dipendenze da temperatura e tensione. È ciò che rende possibile il test di vita accelerato: sottoporre il dispositivo a uno stress maggiore di quello che avrà in servizio, osservare il tempo al guasto, ed estrapolare usando la dipendenza nota. Fatto senza capire il meccanismo, il test accelerato produce un numero senza significato, perché lo stress può aver attivato un meccanismo che non si verificherà mai in servizio.
L'affidabilità si può progettare. Declassare la tensione, limitare la densità di corrente, controllare la temperatura di giunzione e gestire il ciclo termico sono tutte risposte dirette a meccanismi specifici. I team che sanno quale meccanismo domina la loro applicazione declassano il parametro giusto. I team che non lo sanno declassano tutto per regola empirica e ne pagano il costo in dimensioni e prezzo.
Dove si colloca in questo dominio
Fisica e dispositivi a semiconduttore sono la seconda delle nove direzioni del dominio semiconduttori, elettronica e quantistica di Astra Trainer. Sta sotto quasi tutto il resto: progettazione di chip e VLSI, manifattura di semiconduttori e packaging avanzato, fotonica ed elettronica di potenza poggiano tutti sullo stesso strato di dispositivo.
Si collega anche verso l'esterno ai materiali avanzati, dove materiali elettronici e semiconduttori è una direzione a sé, e all'energia, dove i dispositivi a bandgap ampio stanno cambiando la conversione di potenza. I partner spesso pianificano la fisica insieme alla manifattura, perché è il modo più rapido per alzare la capacità diagnostica di una forza lavoro di fab esistente. Qui trovi le nove direzioni.
Bandgap ampio, e perché non è un sostituto diretto
Il carburo di silicio e il nitruro di gallio sono sempre più usati in conversione di potenza, veicoli elettrici, azionamenti industriali e potenza a radiofrequenza, e vengono spesso introdotti nei progetti come se fossero componenti in silicio con numeri migliori.
Non lo sono, e la fisica spiega perché.
Commutano molto più in fretta, il che è il punto di forza e anche il problema. Fronti di commutazione veloci significano alti tassi di variazione di tensione, che si accoppiano attraverso la capacità parassita, pilotano oscillazione nell'induttanza di layout e creano interferenza elettromagnetica che i progetti in silicio non producevano mai. Il circuito che funzionava con un dispositivo in silicio spesso non funziona con uno più veloce nello stesso ingombro.
I requisiti di pilotaggio del gate differiscono, e in alcune famiglie di dispositivi la finestra di tensione di gate accettabile è più stretta di quanto si aspettino ingegneri abituati al silicio, con danno da un lato ed eccesso di perdita di conduzione dall'altro.
La conducibilità termica non risolve la progettazione termica. Un dispositivo che può operare più caldo e sta in un package più piccolo concentra lo stesso calore in meno area. Il package e la scheda diventano il limite.
Il quadro di guasto e affidabilità è diverso. Sono tecnologie più recenti in produzione di volume e il loro comportamento di degrado in condizioni di campo a lungo termine è meno consolidato di quello del silicio. È un motivo per essere prudenti nella qualifica, non un motivo per evitarle, ma va detto chiaramente invece di essere lasciato fuori dalla conversazione di vendita.
I ruoli, nel dettaglio
Ingegneri di dispositivo. Progettazione, modellazione e caratterizzazione dei dispositivi.
Ingegneri di integrazione di processo. Dove la fisica incontra la manifattura, e dove si risolvono la maggior parte dei problemi difficili di resa.
Ingegneri di analisi dei guasti. Analisi elettrica e fisica, decapsulamento, imaging, isolamento dei guasti.
Ingegneri di affidabilità. Qualifica, test accelerato e modellazione della vita.
Ingegneri di caratterizzazione e test. Test parametrico e i metodi di misura dietro ogni riga del datasheet.
Ingegneri di modellazione compatta, che costruiscono i modelli di dispositivo su cui simula tutta l'industria della progettazione di chip.
Ingegneri applicativi per dispositivi di potenza e radiofrequenza, che traducono fisica in indicazioni di circuito.
Ingegneri di sviluppo tecnologico presso i fabbricanti, che lavorano diverse generazioni di processo in anticipo.
Chi può essere riqualificato
Tecnici di processo e ingegneri di attrezzatura. La conversione più diretta. Lavorano già ogni giorno con questi dispositivi e questi strumenti, e osservano effetti di continuo. Ciò che di solito manca è il quadro che collega un pattern sulla mappa del wafer a una causa fisica.
Ingegneri di test e di prodotto. Verso caratterizzazione e analisi dei guasti. Detengono i dati parametrici e spesso manca loro il modello che ne spiega la forma.
Laureati in fisica e scienza dei materiali esterni al settore. Spesso il percorso più breve, dato che la base è presente e manca solo il contesto industriale.
Ingegneri elettronici. Verso il lavoro applicativo sui dispositivi, in particolare per dispositivi di potenza e a bandgap ampio, dove conoscenza dei circuiti più fisica dei dispositivi è una combinazione scarsa.
Personale di laboratorio analitico. Verso l'analisi fisica dei guasti, dove la competenza in microscopia e preparazione dei campioni trasferisce quasi intatta.
Ingegneri di qualità. Verso l'affidabilità, dove il metodo statistico è già in atto e manca solo il meccanismo.
Pericoli di laboratorio e fab. La lavorazione dei semiconduttori e l'analisi dei dispositivi comportano gas altamente tossici e piroforici, acidi forti tra cui l'acido fluoridrico, apparecchiature di test ad alta tensione e sorgenti di radiazione ionizzante. Questi comportano rischi gravi e in alcuni casi immediatamente letali, e sono governati da requisiti normativi e di sito specifici, procedure controllate e formazione supervisionata. Astra Trainer costruisce comprensione tecnica e capacità analitica. Non fornisce la formazione pratica sui pericoli, l'autorizzazione o la qualifica del sito richieste per lavorare in questi ambienti.
Cosa portarsi a casa
La fisica dei dispositivi non è background. È lo strato che trasforma un guasto inspiegato in una breve lista di ipotesi verificabili.
I numeri del datasheet significano ciò che dicono le loro condizioni, e i valori tipici non sono specifiche.
I guasti di affidabilità seguono meccanismi noti con dipendenze note, ed è esattamente per questo che si possono accelerare, modellare e progettare contro.
I dispositivi a bandgap ampio sono un problema di progettazione diverso, non un componente in silicio più veloce, e il loro comportamento a lungo termine sul campo è meno consolidato.
E le persone che vedono questi effetti più spesso lavorano già nella fab. Sono di solito a uno strato concettuale dal saperli spiegare.
Perché la fisica dei dispositivi conta se se ne occupano gli strumenti?
Perché gli strumenti descrivono il comportamento atteso. Quando succede qualcosa di inatteso, la fisica è ciò che restringe le possibilità senza costruire ogni ipotesi, e nei semiconduttori un'ipotesi costruita richiede settimane.
Qual è l'errore più comune sui datasheet?
Leggere un parametro senza le sue condizioni di test. Resistenza in conduzione, capacità e guadagno cambiano tutti sostanzialmente con temperatura e polarizzazione, e i valori tipici sono statistiche di campione, non garanzie.
Perché l'affidabilità dei semiconduttori si può accelerare?
Perché i meccanismi di guasto dominanti sono processi fisici lenti con dipendenze note da temperatura e tensione. Si sottopone il dispositivo a stress maggiore, si misura il tempo al guasto, si estrapola lungo la dipendenza nota. Senza conoscere il meccanismo, l'estrapolazione non ha senso.
Il carburo di silicio e il nitruro di gallio sono semplicemente migliori del silicio?
Sono migliori su diversi parametri e diversi su molti altri. La commutazione più veloce crea problemi di interferenza e oscillazione, le finestre di pilotaggio del gate possono essere più strette, i package più piccoli concentrano calore, e i dati di affidabilità a lungo termine sul campo sono meno maturi.
Chi si converte bene ai ruoli di fisica dei dispositivi?
Tecnici di processo e ingegneri di attrezzatura per primi, dato che osservano questi effetti ogni giorno. Poi ingegneri di test e prodotto verso la caratterizzazione, laureati in fisica verso il lavoro sui dispositivi, e personale di laboratorio analitico verso l'analisi fisica dei guasti.