HALT & HASS et UPRATING une approche comparable ? HALT & HASS and uprating a comparable approach ? Bernard Pasquier LCIE – Fontenay aux Roses
Résumé L’approche HALT & HASS et l’uprating composant n’ont à priori rien à voir, tant pour les produits concernés que pour la finalité poursuivie. Il apparaît toutefois des points communs dans certaines étapes des méthodologies mises en oeuvre, aussi bien pour l’étape HALT qui peut dans une certaine mesure être comparée avec l’étape de détermination de la capacité d’uprating, que pour le HASS qui présente des points communs avec l’étape de contrôle des lots utilisée en uprating. Il apparaît également que, lors du processus de HALT & HASS, certains composants électroniques sont parfois sollicités au delà des spécifications des fabricants de composants…. Abstract HALT and HALT and uprating have apparently no common point for the products addressed and for the goal to reach. Anyhow some similarities can be found in some steps of process setting up. HALT step can be compared to of uprating capability study step used in uprating methodology , HASS presents some similarities to batch test used in uprating. It also appears that during HALT and HASS process, some electronic components may be used outside their manufacturer’s specifications.
1. INTRODUCTION Cette présentation est largement basée sur une étude multipartenaire concernant l’uprating de composants commerciaux pour les applications spatiales. Cette étude a été effectuée en 2000 à la demande du CNES et initialement présentée à ESSCON 2000. La présentation de la méthodologie d’uprating composants est développée ci-après en faisant ressortir à chaque chapitre les éventuels points de convergence avec la démarche HALT & HASS.
2.
FINALITE DE L’UPRATING
Traditionnellement, les industries produisant des équipements électroniques pour des applications “haute fiabilité” se sont basées sur les spécifications de systèmes militaires ou spatiaux pour les composants électroniques standards. Elles ont donc utilisé les sources de composants spécifiés militaires ou spatiaux. Pendant de nombreuses années, la fourniture de composants fonctionnant dans des gammes étendues de température n’a pas posé de problème. Les marchés actuels de composants électroniques sont dominés par l’informatique, les télécommunications et le multimédia. L’ensemble de ces créneaux représente de l’ordre de 90 % du marché total. A titre de comparaison, la combinaison des marchés militaires et spatiaux ne représente que 0,3 % de ce marché. Compte tenu de la baisse de ces marchés, de nombreux fabricants de composants ont abandonné ce domaine ; il en résulte une forte décroissance de la disponibilité de ces composants. Une des réponses à ce problème pour les fabricants d’équipements est d’utiliser les composants du commerce dans une gamme de température plus large que celle spécifiée, on parle alors « d’uprating ». Cette méthode fait appel à l’extension de la gamme de température par tri en test électrique. L’opération est réalisée par des prestataires, des distributeurs ou des fabricants. Elle peut être coûteuse, de rendement parfois aléatoire et présente des inconnues en terme d’impact sur la fiabilité. Même si cette méthode ne répond pas à l’ensemble des questions, essentiellement la fiabilité, elle est la plus répandue. L’uprating est donc une méthodologie permettant de palier l’absence de la disponibilité d’un composant dans la gamme de température spécifiée par le cahier des charges de l’utilisation du composant Astelab 2003
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3.
DEFINITIONS UPSCREENING / UPRATING
Il est important, avant de développer la suite de l’exposé, de définir deux termes principaux afin d’éviter toute confusion : •
UPSCREENING L’upscreening est une démarche visant à augmenter le niveau de qualité d’un composant en appliquant les essais correspondant à des composants d’un niveau de qualité supérieur.
•
UPRATING L’uprating est défini comme un processus permettant de valider la capacité d’un composant à remplir la fonctionnalité et les performances d’une application dans laquelle le composant est utilisé en dehors de la gamme de température spécifiée par le fabricant. Le terme uprating communément utilisé décrit en fait l’uprating en température.
Il est clair que la démarche d’uprating est fondamentalement différente que celle de HALT & HASS. Déjà au niveau des produits concernés : • composants électroniques non montés pour l’uprating, • cartes, sous ensembles ou équipements pour le HALT & HASS. De même le but poursuivi diffère, le HALT visant à identifier rapidement les points faibles d’une carte ou d’un équipement par l’application monitorée de contraintes thermiques (pente de température et température) et ou mécaniques (vibrations) alors que l’uprating permet de vérifier le fonctionnement en température stabilisé d’un composant en dehors des spécifications thermiques du fabricant. Il apparaît toutefois que lors de certaines étapes du processus HALT et parfois même HASS (selon les conditions d’essais retenues), des composants électroniques peuvent être amenés à être sollicités en dehors de leurs gammes de températures spécifiées ce qui est en soi une forme d’uprating .
4.
RAPPELS THEORIQUES
Il est intéressant de rappeler les principales tendances en terme de fonctionnement d’un composant électronique. A température basse, les électrons sont plus rapides et le risque est essentiellement lié à un dysfonctionnement d’une horloge ou à des rebouclages internes trop rapides. Ce risque n’existe que pendant le temps où la jonction est à une température inférieure à la température minimale, c’est à dire quelques secondes. Le défaut à température haute est occasionné par la diminution de la vitesse des électrons. Suivant les règles de conception utilisées, la tenue des performances sera différente. La fiabilité intrinsèque d’un composant fonctionnant dans une gamme de température au delà de celle spécifiée est la même que celle d’un composant commercial ; c’est le maintien en fonctionnement du composant à une température élevée qui fatigue le produit et diminue sa durée de vie.
4.1. Modes de défaillance 4.1.1 Effets de la température dans le contexte de la fiabilité Les méthodes de calcul couramment utilisées (Mil-Hdbk-217 et dérivées) entraînent à ne considérer que la température ambiante d’équilibre comme paramètre affectant la fiabilité. Toutefois, la température ambiante d’équilibre (« steady-state temperature »), les cycles de température, les gradients de température et les variations dans le temps de la température ont tous le potentiel d’affecter la fiabilité d’un composant ou équipement. Dans la gamme de température de – 55 °C à + 125 °C, les modes de défaillances pour les composants commerciaux qui subissent un uprating ne sont pas différents de ceux des composants garantis dans la gamme militaire.
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HALT & HASS et UPRATING une approche comparable ? 4.1.2. Aspect boîtier De manière générale, l’aspect boîtier ne pose pas problème en cas d’opération d’uprating (à condition de rester dans la gamme de température militaire). Au niveau du boîtier, le paramètre critique à considérer est la résistance thermique, ou la puissance dissipée. Il est difficile de donner des tendances générales ; en effet, l’uprating pour un boîtier donné est à traiter au cas par cas, la résistance thermique étant le principal indicateur de la capacité d’uprating. Les températures limites des résines de surmoulage des Circuits Intégrés ne sont, par exemple, pas un problème en général dans le cas d’uprating. Leur température de polymérisation étant de l’ordre de 175 °C, même en fonctionnement continu jusqu’à 150-170 °C, les problèmes liés à l’uprating ne concernent pas la résine d’encapsulation.
4.2. Test électrique de composants 4.2.1. Rôle du test électrique Pour plusieurs aspects (qualité, fiabilité et coût), le test est un élément essentiel dans la chaîne de développement et de fabrication des circuits intégrés. L’établissement de tests optimisés est primordial pour la qualité et la fiabilité des produits réalisés. 4.2.2. Test électrique pour uprating Pour une opération d’uprating, il est utile ici de rappeler les différents types de tests électriques qui sont susceptibles d’être réalisés. Suivant l’objectif du test et l’étape où nous nous plaçons dans la méthodologie, il y a grossièrement deux manières de tester électriquement un ensemble de composants. Caractérisation : Lors de la phase de détermination de la capacité d’uprating, il s’agit de caractériser un nombre réduit de composants, les valeurs de mesure sont alors enregistrées pour permettre leur analyse. Par ailleurs, certains paramètres peuvent être importants pour la caractérisation de l’uprating, dans le cadre d’une application spécifique même s’ils ne sont pas définis dans la spécification fabricant. Ils peuvent alors être ajoutés au programme de test standard. Contrôle de lots : En revanche, une fois que la capacité d’uprating a été démontrée et que les paramètres critiques du composant ont été identifiés, nous passons dans la phase d’assurance qualité ou contrôle de lots. Les résultats peuvent alors être fournis sous la forme « bon / mauvais » (Go / NoGo). Trois catégories de paramètres sont à tester : • Les paramètres statiques qui sont représentatifs de la technologie et de l’interchangeabilité des composants. • Les tests fonctionnels qui permettent de garantir la fonctionnalité du produit. • Les tests dynamiques qui déterminent les performances électriques résultant du process de fabrication
5.
PRATIQUES D’UPRATING
D’une manière générale, les fabricants de semi-conducteurs ne sont pas favorables à la pratique de l’uprating, mais souhaitent plutôt que les utilisateurs utilisent des méthodes alternatives telles que l’emploi de composants qualifiés « QML ». Les utilisateurs quant à eux emploient diverses méthodes très variées en fonction de leur besoin et de leur connaissance des risques liés à l’uprating. La méthode la plus simple est le test en température étendue des composants. L’IECQ pour sa part a élaboré un guide relatif à l’utilisation des composants électroniques en dehors de leur gamme spécifiée (IECQ G12 subcommitee).
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6.
RISQUES LEGAUX
6.1. Responsabilité juridique Le fait d’utiliser des composants dans des conditions hors gammes spécifiées par le fabricant expose à des poursuites juridiques en cas de problème technique, plus particulièrement en cas de risques physiques pour les personnes. Il est donc primordial d’avoir préalablement étudié cet aspect. Toute partie impliquée dans la chaîne d’utilisation de composants hors gamme spécifiée devra pouvoir prouver avoir pris toute mesure préventive utile. De manière générale, les fabricants rejettent toute responsabilité juridique vis à vis d’une utilisation de leurs composants hors de leurs spécification d’environnement ; aussi aucune aide de leur part n’est à attendre. Au niveau responsabilité juridique, dans la chaîne de fourniture utilisant un produit hors spécification, toutes les sociétés peuvent être impliquées, et non pas uniquement la dernière de la chaîne.
6.2. Mesures de prévention D’un point de vue technique mais également dans une perspective juridique, il est indispensable d’avoir correctement étudié l’ensemble des alternatives à l’utilisation d’un composant hors de sa gamme spécifiée, une des alternatives pouvant par exemple être de modifier l’environnement thermique du composant. Information du client : De manière générale, la société envisageant d’utiliser un composant hors de sa gamme spécifiée devra préalablement informer son client. Ce dernier devra avoir approuvé l’ensemble du système ainsi que les risques potentiels, toutes ces précautions devant être officialisées par écrit (procédures, justifications techniques des choix et accords client).
7.
RETOUR D’EXPERIENCE
7.1. Essai de qualification Les essais effectués par le LCIE sur de nombreuses familles de composants montrent que la plupart des familles technologiques sont des candidates à la réalisation d’uprating pour leurs produits. Les principales causes de défaillances limitant la capacité d’uprating concernent : -
la consommation
-
les temps d’accès
certains paramètres statiques pour les composants analogiques. De plus, il apparaît que beaucoup de composants présentent des marges de sécurité importante quant à leur capacité d’uprating, en particulier pour les valeurs hautes de température. Il n’est pas rare de trouver des composants fonctionnant dans la gamme – 55 °C, + 150°C.
7.2.
Résultats d’opérations d’uprating
Les différents résultats issus d’opérations d’uprating réalisées par le LCIE et/ou d’autres laboratoires font l’objet des tableaux 1 à 3. Le premier tableau donne le nombre de lots défaillants en uprating par rapport au nombre de lots testés pour quelques familles technologiques. Le deuxième tableau montre le taux de défaillance moyen pour quelques familles technologiques. Le dernier tableau indique le pourcentage de défauts par paramètre et par température.
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Famille technologique
Nombre de lots testés
Nombre de lots défaillants
Linéaires
54
4
Logiques
24
5
U processeurs
3
1
SRAM
25
8
DRAM
4
2
EPROM
9
0
PROM
10
3
Tableau 1
Famille technologique
Pourcentage de défaillance LCIE
Autres laboratoires
Linéaires
5,9
3,4
Logiques
0,1
0,2
U processeurs
0,2
0,25
Memoires
1,9
0,2
PROM/EPROM
0,15
0,15
/
0,4
ECL
Tableau 2
Paramètre Analogique Froid Chaud Iccsb fonctionnell e Tacc Ri Voffset INL DNL Vol Icc PSSR Trefresh Autre
4%
Logique Froid Chaud 30 %
Famille Uprocesseur SRAM Froid Chaud Froid Chaud 53 % 100% 25 %
40 % 22 % 20 % 13 % 15 %
DRAM Froid Chaud
PROM Froid chaud 40 %
22 %
20 %
17 %
20 % 10 %
40 %
26 % 50 % 50 %
Tableau 3 L’intérêt de ces tableaux est de montrer que le taux moyen de défaillance rencontré permet de réaliser des opérations d’uprating avec une bonne garantie de succès. Par contre, la non homogénéité des résultats par lot et par famille implique que cette opération devra être menée avec un processus approprié.
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8.
PROPOSITION DE METHODOLOGIE D’UPRATING
Compte tenu des diverses expériences d’uprating menées dans différents laboratoires ainsi que des pratiques développées dans différentes sources bibliographiques, nous proposons ci-dessous une méthode simple et réaliste abordant les principaux risques liés à l’uprating. Les grandes lignes de la méthode sont décrites dans le synoptique suivant :
Dossier Uprating Sélection composant avec Etudes des
Détermination Capacité Uprating
Analyse de Risque/ Décision
Choix d’une/plusieurs méthodes
Derating sur la contrainte
Définition de Spécification électrique/ Application
Contrôle de lots
Burn-in (Optionnel)
Assurance Qualité Uprating
Utilisation du composant dans l’équipement
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Test composant Au plus haut niveau d’assemblage
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9.
CONCLUSION SUR LA PRATIQUE DE L’UPRATING
Compte tenu de la part réduite du marché militaire et spatial pour les fabricants de composants électroniques, l’on assiste depuis quelques années à une diminution notable du nombre de ces produits disponibles dans la gamme de température (- 55, 125 °C) usuelle de ce domaine. Les utilisateurs sont donc conduits à mettre en œuvre des solutions alternatives pour répondre à leurs besoins. Parmi ces solutions, l’on peut citer : -
l’utilisation des produits « QML »
-
l’adaptation des spécifications de l’équipement pour utiliser les composants disponibles
-
l’uprating en température.
Dans ce document, nous avons montré que l’opération d’uprating est une solution techniquement possible. En effet, le taux moyen des défaillances rencontrées est relativement faible (quelques pour cent) et toutes les familles de composants ont des candidats potentiels à cette opération. Dans les gammes de température considérées, les modes de défaillances sont identiques à ceux des gammes de températures commerciales et seule la durée de vie des composants pourra être affectée. Toutefois, le décideur d’une telle opération doit être conscient des risques légaux et financiers que peut entraîner son utilisation. Techniquement, les problèmes rencontrés sont principalement liés à l’inhomogénéité des résultats entre les lots de composants et entre les fabricants. Afin de remédier à ces difficultés, il est impératif de développer une méthodologie démontrant la bonne connaissance du produit candidat et les besoins réels de l’utilisation. A ce jour, nous pouvons conclure que l’uprating en température des composants électronique est, compte tenu des technologies employées, une des réponses aux problèmes des utilisateurs de composants en gamme militaire et spatiale, à condition de respecter une méthodologie de mise en œuvre adéquate.
10.
CONCLUSION HALT & HASS ET UPRATING
Les principaux points de comparaison concernent les étapes suivantes : Détermination de la capacité d’uprating : Du point de vue pratique, la détermination de la capacité d’uprating consiste à chercher la marge de sécurité en augmentant (et/ou) diminuant la température par paliers jusqu'à recherche du point de dysfonctionnement des composants. Ces dysfonctionnements sont ensuite analysés. En cela l’approche uprating peut être comparée a celle des étapes de stress en température utilisée lors des essais de HALT. Dans les deux cas, des composants sont sollicités en dehors de la gamme de température spécifiée. Contrôle des lots : Pour ce qui concerne l’aspect contrôle de lot, il s’agit généralement d’un test à 100 % des composants à la gamme de température voulue avec un programme de test pouvant prendre en compte les informations obtenues lors de la détermination de la capacité d’uprating . Cette approche présente des points communs avec une démarche HASS. Apport de l’uprating dans une démarche de HALT : Pendant une étude HALT, un point à prendre en compte est la tenue maximale en température des composants utilisés sur la carte ou l’équipement. Les spécifications de certains composants pouvant limiter les possibilités d’excursion en température, il peut, dans certains cas, être intéressant d’effectuer une approche uprating sur certains composants « clef » afin de mieux connaître les possibilités réelles des composants ( par exemple problème de démarrage à froid des microcontroleurs) On peut donc conclure que l’uprating et le HALT & HASS ne peuvent se comparer que par certaines étapes de leur mise en œuvre, et par le fait que dans le processus HALT & HASS certains composants électroniques peuvent être amenés à fonctionner au delà de leur gamme de température spécifiée. L’uprating peut toutefois être un outil complémentaire à l’analyse de certains dysfonctionnements rencontrés lors d’une démarche de HALT.
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