Fertigung von NAND-Flash Zuverlässige Flash-Speicher: Darauf kommt es an

Von Lars Lust *

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Industrieller Speicher muss robust und langlebig sein. Ausgesuchte NAND-Chips, robuste Gehäuse, sorgfältige Fertigung, spezielle Firmware und strenge Qualitätskriterien machen den Unterschied.

Die Anforderungen an NAND-Flash-Speicher für den industriellen Einsatz sind ungleich höher als die für den Endkundengebrauch. Daher sind viel umfassendere Tests nötig, etwa wie in diesem ATE (Automated Test Equipment), das eMMCs in Testsockel im Rahmen des Outgoing Checks auf Herz und Nieren prüft.
Die Anforderungen an NAND-Flash-Speicher für den industriellen Einsatz sind ungleich höher als die für den Endkundengebrauch. Daher sind viel umfassendere Tests nötig, etwa wie in diesem ATE (Automated Test Equipment), das eMMCs in Testsockel im Rahmen des Outgoing Checks auf Herz und Nieren prüft.
(Bild: Swissbit)

Die Qualitätsüberwachung und -sicherung stellt einen Eckpfeiler in der Elektronikproduktion dar. Unterschiede zwischen Consumer-Elektronik, Enterprise-IT und industrietauglichen Module ergeben sich in diesem Zusammenhang allerdings nicht nur in Sachen Verarbeitungsqualität. Auch der Aufwand, der für das Monitoring bei der Produktion und dem Testen fertiger Produkte betrieben werden muss, variiert mitunter stark. Flashspeicher von Swissbit beispielsweise, der unter Umständen jahrelang und unter harschen Umweltbedingungen zuverlässig funktionieren muss, kommt in der Berliner Fabrik des Herstellers ganz besonders unter die Lupe. Der dort betriebene Aufwand geht weit über das Branchenübliche hinaus.

Eine der Hauptursachen für Ausfälle ist eine mangelhafte elektrische Verbindung zwischen Bauteilen und der Leiterplatte. Bei vielen Hunderten von elektrischen Kontaktierungen spielen die Aufbau- und Verbindungstechnik und die Leiterplatte eine wichtige Rolle bei der Herstellung langlebiger, zuverlässiger Verbindungen. Sie müssen häufigen Temperaturschwankungen, Stößen und Vibrationen sowie Korrosion standhalten.

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Eine Verschlechterung von Verbindungen kann dann sogar zu Ausfällen in der Anwendung führen. Um das zu verhindern, führt Swissbit eine Reihe von intensiven Tests durch, die die Qualität der Leiterplatte und der Verbindungstechnik überprüfen. Für die Qualitätssicherung der Speicherprodukte kommt ein dreistufiger Prozess zur Anwendung:

  • Umfassender Qualifizierungsprozess mit beschleunigten Umwelttests.
  • Tiefe Analyse von Proben / Testen über die Lebensdauer bis zum ersten Ausfall.
  • Kontinuierliche 100-prozentige elektrische Endprüfung aller Produkte über die Temperatur in der Fertigung inklusive produktionsbegleitender Tests und kritischer. Wareneingangsprüfungen

Um sicherzugehen, dass ein neues Produkt den Erwartungen entspricht, werden Tests an einer großen Zahl von Mustern verschiedener Lose, angelehnt an die Vorgaben der JEDEC, Telefonica, AEC, IEC o. Ä. Standards durchgeführt. Die erste Kategorie umfasst Überprüfungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV und ESD).

Bevor ein Produkt in Serie geht: Qualifizierung

Die EMV-Prüfung stellt sicher, dass die eigenen elektromagnetischen Emissionen des elektronischen Geräts – in diesem Fall ein Speichermedium – unter den Grenzwerten bleibt und gleichzeitig durch externe Strahlung nicht in seiner Funktion beeinträchtigt wird. Sehr wichtig sind in diesem Zusammenhang auch die Tests zu elektrostatischen Entladungen.

Diese stützen sich auf drei Modelle: Human Body Model (HBM), das ist die Entladung durch einen aufgeladenen menschlichen Körper, Charged Device Model (CDM), die Entladung des statisch aufgeladenen Geräts, sowie Machine Model (MM). Letzteres bildet eine schnelle Entladung einer elektrostatisch aufgeladenen Maschine beim Kontakt mit dem Bauelement nach. Beim HBM und MM wird ein Stromfluss durch das Bauelement hindurch zwischen unterschiedlichen Anschluss-Pins angenommen. Die Tests werden entsprechend der in verschiedenen Märkten gelten Standards durchgeführt.

Über 15 Jahre Betrieb in aggressiven Umgebungen

Auch Umwelttests sind mittlerweile unverzichtbar für die Entwicklung langlebiger Produkte, denn dabei werden durch beschleunigte Belastungstest gemäß JESD94 (ein Standard der JEDEC Solid State Technology Association) mehr als 15 Jahre Betrieb unter aggressiven Umgebungsbedingungen simuliert. Bei Swissbit kommen alle fünf dieser harten Stress- und Alterungstests vor:

  • Temperature Cycling TC (–40 °C bis 125 °C, 1.000 Zyklen): Der schnelle und weite Temperaturwechsel mit einer Erhitzung und Abkühlung in einer Geschwindigkeit von bis zu 15 K/min belastet die Lötstellen sehr stark und verifiziert das Leiterplattendesign, den Lötprozess, das Bauteil-Packaging und die Wirksamkeit von Verkapselung und Underfill.
  • Temperature Humidity Bias THB (85 °C, 85 % R.H., 1.000 h, anliegende Versorgungsspannung): Bei diesem Test, der das an der Versorgungsspannung hängende Gerät hoher Temperatur und Luftfeuchtigkeit aussetzt, wird der Betrieb unter tropischen Bedingungen simuliert und das Auftreten von feuchtinduzierten Korrosionen provoziert
  • Low Temperature Operated Life LTOL (–40 °C, 1.000 h): Bei diesem Test wird das Gerät bei niedrigster Temperatur mit Datenmustern betrieben, die der typischen Anwendung in der Praxis entsprechen. Auch hierbei muss sich wiederum die Zuverlässigkeit des elektrischen Designs erweisen.
  • High Temperature Operated Life HTOL (bis zu 105 °C, 1:000 h): Dieser Test wird wie der vorherige betrieben, nur am anderen Ende der Temperaturskala um die Alterung zu beschleunigen und die Degradationsprozesse in den Halbleiterbauelementen zu charakterisieren
  • Pressure Cooker Test (PCT): Beim Test im „Dampfkochtopf“ muss sich das Chip­paket gegenüber hoher Temperatur, hohem Druck und hoher Feuchtigkeit bewähren. Hier zeigt sich, ob es zu Delaminationen im Aufbau kommt bei denen Feuchtigkeit eindringt und in Verbindung mit hohem Druck zu struktureller Zerstörung führt.

In einer weiteren Reihe von Prüfungen müssen die Speichermodule von Swissbit zeigen, wie robust sie sind. Dies bezieht auf die mechanische Stabilität der Konstruktion und der Lötstellen. So werden die Prüflinge einem Schock von 1.500 g und Vibrationen mit 50 g Beschleunigung ausgesetzt.

Darüber hinaus müssen sie im freien Fall aus 80 und aus 150 cm Höhe den Aufprall auf Beton oder Stahlplatten aushalten – mit allen ihren Flächen, Ecken und Kanten. Das simuliert den ungewollten, aber realistischen Fall von einer Werkbank auf einen harten Fabrikboden. Beim Biege- und Drehmomenttest werden SD- und microSD-Speicherkarten von Swissbit verbogen und müssen dabei das dreifache dessen aushalten, was der Standard vorsieht.

Zuverlässigkeit der offenen Kontaktierungsstellen

Zu guter Letzt müssen Swissbit-Produkte einen beschleunigten Schadgastest (H2S, SO2) bestehen, der die Zuverlässigkeit der offenen Kontaktierungsstellen (Steck, Schraub- und Pin-Kontakte) überprüft. Weiterhin werden die Produkte einem Salznebeltest ausgesetzt. So lässt sich erkennen, ob sie oberflächlich korrodieren.

Wie gut die Verarbeitung des Innenlebens von elektronischen Produkten ist, wird branchenweit bei hochwertigen Produkten mit invasiven und nicht invasiven Untersuchungen überprüft. Üblich ist eine 3D-Mikroskopie mit einer bis zu 5.000-fachen digitalen Vergrößerung. Durch Querschliffe lassen sich im Mikroskop an den polierten Schnittkanten die inneren Schichten der Leiterplatte, die Durchkontaktierungen, die Lötverbindungen sowie die inneren Elemente eines Halbleiterbauteils untersuchen.

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In der Qualitätssicherheit bei Swissbit kommt eine Reihe weiterer Analysetechniken zum Einsatz, die über das übliche Procedere hinausgehen. Sichtprüfungen erreichen nur die Eckkugeln von BGA-Gehäusen, die Pins von TSOP-Gehäusen und die passiven Teile. Ein 3D-Röntgengerät ermöglicht hingegen die Inspektion der Lötverbindungen unter den Bauteilen inkl. Lageninformation.

Ein wichtiger Indikator für Fehler sind Hotspots. Mit Infrarot-Mikroskopie / Thermografie lassen sich elektrische Kurzschlüsse und Verbindungen mit zu hoher Strombelastung detektieren. Eine sehr aussagekräftige zerstörungsfreie Bildgebungstechnik ist auch die akustische Mikroskopie (C-SAM, Scanning Acoustic Microscopy). Dabei wird Ultraschall mit sehr hoher Frequenz verwendet, um Bilder aus dem Inneren eines Objekts zu erzeugen.

Tiefergehende Prüfung von Produktmustern

Bei den zerstörenden (destructive tests) Tests nutzt Swissbit zur Untersuchung an Querschnitten ein Rasterelektronenmikroskop. Damit lassen sich Verunreinigungen und Risse auf Chipebene untersuchen. Der Dye-&-Pry-Test ist ein weiteres invasives Verfahren. Zur Überprüfung offener Lötverbindungen ist dies ein Weg, um mehrere Ball-Verbindungen gleichzeitig zu überprüfen: Das betreffende BGA wird dabei mit einer roten Tinte von niedriger Viskosität geflutet. Die Tinte dringt in alle Risse und Hohlräume zwischen dem Gehäuse und der Leiterplatte ein. Nachdem die Tinte getrocknet und ausgehärtet ist, wird das BGA-Gehäuse von der Leiterplatte abgezogen und die Leiterplatte inspiziert. Rote Tinte auf einem Pad weist auf eine schlechte Lötverbindung hin, wenn sie dort eindringen konnte, wo eigentlich kein Spalt sein dürfte.

Mit all diesen Prüfungen wird sichergestellt, dass die Konstruktion der Speicherprodukte erwiesenermaßen robust genug ist, um sich für harsche industrielle Einsatzbedingungen zu qualifizieren. Testkandidaten auf dem „Seziertisch“ bestätigen die Qualität des Produktionsprozesses. Geht es schließlich an die Serienproduktion, steht und fällt die Qualität mit gleichbleibenden Produktionsbedingungen. Jeder Elektronikhersteller führt Stichprobentests an fertigen Produkten durch, um Fehler in der Fertigung frühzeitig finden zu können. Wer allerdings gewisse Eigenschaften garantieren will, muss, wie Swissbit, alle ausgehenden Produkte prüfen.

Eine Fehlerquelle, mit der sich jeder Betreiber einer SMT-Fertigungslinie auseinandersetzen muss, ist der Lotpastendruck. Lotpaste wird mit Hilfe von Schablonen und einem Rakel aufgetragen, so dass an allen Stellen, an den eine Kontaktierung erfolgen soll, kleine Tropfen Lot auf der Platine zurückbleiben. Je feiner die Strukturen desto wahrscheinlicher, dass Lot in der Schablone hängen bleibt, zu viel Lot aufgetragen wird oder das Lot verschmiert. Von Bauteilen, die sich wie kleine Grabsteine aufrichten, bis hin zu Kurzschlüssen können danach in der Bestückung die unterschiedlichsten Fehler auftreten.

Überprüfung der korrekten Bestückung am Linienende

Die automatische Prüfung jeder Platine mit einem SPI-System (Solder Paste Inspection) vor der Bestückung ist deshalb ein Standardverfahren in der Elektronikfertigung. Wie viele Hersteller mit gehobenen Qualitätskriterien überprüft Swissbit zudem die korrekte Bestückung am Ende der Linie mit einer automatisierten optischen Inspektion (AOI). Mit Hilfe hochauflösender Kameras und Bilderkennung wird die korrekte Positionierung der Bauteile überprüft. So lässt sich feststellen, ob die richtigen Teile bestückt sind und ob Leiterplattenfehler zu erkennen sind.

Unsichtbare Fehler zu erkennen verlangt zusätzlich den besonders hohen Aufwand einer automatischen 3D-Röntgenin­spektion (AXI), den die wenigsten Hersteller betreiben. AXI ist besonders wichtig im Zusammenhang mit BGA-Gehäusen. Da die Kontaktierung über viele Reihen von Lötkugeln unter dem Bauteil im Bereich der Speichermodule weit verbreitetet ist, gehört die 3D-Durchleuchtung bei Swissbit ebenfalls zum Standardverfahren. Die automatische Röntgeninspektion prüft auf offene Stellen, Kurzschlüsse sowie die Benetzung, Größe und Form der Lötkugeln.

Endkontrolle: Alle Produkte durchlaufen Funktionstest

Am Ende der Produktion für micro SD cards, USB-Sicks, SSD etc. steht natürlich eine optische Inspektion gemäß Standard IPC-A-620 Class 2 oder 3 durch darauf spezialisiertes Personal sowie durch vollautomatische Inspektionsmaschinen. Doch damit gibt man sich bei Swissbit nicht zufrieden. Stichprobenartig Module für Funktionstests herauszugreifen, ist auch bei anderen Herstellern üblich, doch im Berliner Werk des Schweizer Unternehmens werden ausnahmslos alle Produkte einem Funktionstest unterzogen.

Dabei lässt sich mit praxisnahen Testsequenzen die volle Funktionalität sicherstellen. Wo es um Produkte mit einer erweiterten Temperaturspezifikation geht, werden die Speichermodule außerdem sowohl bei –40 °C als auch bei 85 °C in der Anwendung getestet. Mit der umfangreichen Qualitätssicherung in seinem Ende 2019 eröffneten neuen Werk in Berlin kann sich die Swissbit AG sicher sein, dass ihre Produkte – sowohl die industrietauglichen Speichermodule als auch die Security-Produkte – langlebig überall dort ihren Dienst tun, wo Standardprodukte nicht zuverlässig genug wären.

Zugleich nutzt der Hersteller seine hohen QS-Ansprüche als Argument für Kunden, die die Fertigungskapazitäten für eigene Produkte mit besonders hohen Anforderungen nutzen wollen. Zu wissen, wie man überdurchschnittliche Produkte herstellt und wie man das Ergebnis überprüft, gehören einfach zusammen. (me)

* Lars Lust ... ist General Manager APATS (Advanced Packaging, Assembly and Test Solutions) und Vorstand der Swissbit Germany AG

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