Nepůvodní elektronické součástky – rok čtrnáctý

V minulém pokračování našeho „yearly since 2012“ seriálu jsme se věnovali dokumentaci výrobce a struktuře popisu pouzdra na příkladu jednočipového kontroléru STM32F303CCT6 firmy STMicroelectronics. Tato součástka patří mezi populární obvody s aplikací v mnoha elektronických zařízeních a je již od roku 2011 stále v aktivní výrobě. Dnes bychom se naopak věnovali součástce, která patří sice téměř k historickým integrovaným obvodům, nicméně je stále žádaná, byť v menším měřítku. Důvodem je udržování systémů s dlouhou životností v provozu, včetně jejich oprav, tedy i výměny poruchových součástek. Příkladem může být vstupně/výstupní obvod paralelního rozhraní známý pod zkratkou „PIO interface“. Pro naše dnešní pojednání jsme zvolili konkrétní typ takového obvodu, kterým je, svého času velmi populární obvod vyráběný technologií CMOS, a to 82C55 a jeho varianty funkčně i zapojením naprosto totožné. Původním výrobcem tohoto obvodu vyráběného bipolární technologií byla firma Intel, která posléze vytvořila i variantu tohoto obvodu v technologii CMOS. Mezi dalšími výrobci plně kompatibilních variant v době aktivní výroby tohoto obvodu můžeme jmenovat například firmu Harris Semiconductor, Intersil, OKI Semiconductor a NEC. Zmíněné firmy postupem času fúzovaly s jinými společnostmi a až na výjimky, ztratili svou identitu na součástkách. Firmy Intersil i NEC se staly součástí japonské firmy Renesas, přičemž firma Intersil si zachovala své jméno a logo na vyráběných součástkách, které pro potřeby zájemců vyrábí dodnes, včetně obvodu 82C55. Při analýze tohoto obvodu pro potřeby firmy opravující přesná měřicí zařízení, jsme měli k dispozici vzorky od několika výrobců pořízené náhodně podle potřeby jednotlivých oprav. Jednalo se o obvody označené příslušností k firmě Intersil, NEC a OKI. V rámci naší analýzy jsme získali ještě 6 kusů obvodů 82C55 od firmy Intersil od zavedeného a důvěryhodného dodavatele. Jednalo se konkrétně o typ CP82C55AZ, který byl obsažen i ve skupině předložených vzorků. Podle předložených vzorků a dostupných informací, vyráběla firma NEC (Nippon Electric Company) dvě varianty obvodu plně kompatibilního s obvodem 82C55. Byl to obvod s označením 82C55AC-2 221 a obvod s označením D71055C. Divize polovodičových struktur se stala součástí společnosti Renesas 1.4.2010, firma Intersil fúzovala se společností Renesas 24.2.2017. V následujícím popisu výsledků analýzy předložených a aktivně pořízených vzorků je zřejmé, že celá skupina obvodů zahrnuje součástky s různými daty zhotovení, pocházející z různých výrobních lokalit. Již delší dobu je zvykem, že systémy na čipu (SoC) zkráceně nazývané čipy jsou vyráběny ve speciálních provozech několika společností s vysokou jakostí a konečná montáž a pouzdření čipů je realizovaná globálně u mnoha výrobců v různých zemích.

Na obr. 1 je popis funkce jednotlivých vývodů obvodu 82C55, který je totožný i pro jeho alternativy od jiných výrobců, například obvodu 71055 od dnes již neexistující divize firmy NEC, která se stala součástí společnosti Renesas. V rámci obrázku je i výřez z internetové stránky s technickými daty obvodu 82C55 od firmy Intel, Intersil a OKI.

Obr. 1 Funkce jednotlivých vývodů obvodu 82C55 a tři z oficiálních výrobců obvodu

Na obr. 2 je katalogový komentář významu symbolů typu součástky v popisu pouzdra u obvodu 82C55 od firmy Intersil/Renesas. Analyzované vzorky firmy Intersil byly všechny typu CP82C55AZ, což podle tabulky na obr. 2 umožňuje určit, že tento obvod je pro teplotní rozsah 0 °C až +70 °C v pouzdru PDIP. Standardní taktovací kmitočet je 8 MHz, případné číslo oddělené pomlčkou znamená odlišný taktovací kmitočet. Poslední písmeno „Z“ značí bezolovnaté pokovení vývodů.

Obr. 2 Dekódovací tabulka skupiny obvodů firmy Intersil včetně obvodu CP82C55AZ

Obr. 3 dokumentuje jednu z oficiálních nabídek obvodu 82C55AC-2 221 od firmy NEC. Obvod je plně kompatibilní s ostatními variantami, v tomto případě je však jeho taktovací kmitočet zřejmě jen 2 MHz, pokud firma NEC použila stejnou symboliku vyjádření jako firma Intersil nebo Intel. K této domněnce nás opravňuje popis pouzdra další varianty obvodu, tedy D71055 rovněž od firmy NEC na obr. 4. Tato konkrétní varianta by měla mít takovací kmitočet 10 MHz.

Obr. 3 Nabídka obvodu NEC 82C55AC-2 221

Obr. 4 obsahuje pro ilustraci totožnosti funkce vývodů obvodu D71055 s variantami označenými 82C55. Součástí obrázku je výřez dokumentace firmy Renesas, která oznamuje ukončení výroby varianty D71055 k datu převzetí firmy NEC společností Renesas. Sami jsme se přesvědčili, že získat zpětně informace o vyřazených obvodech je téměř nemožné.

Obr. 4 Výroba obvodu NEC D71055 byla ukončena 1.4.2010

Referenční obvody pořízené záměrně do naší studie od zavedeného obchodního zástupce firmy Intersil v počtu 6 kusů pro porovnání s ostatními vzorky představují obr. 5, 6, 7 a 8. Na obr. 5 a 6 jsou komentované kompozice snímků z malého digitálního mikroskopu DinoLite doplněné komentářem o významu znaků v lícovém popisu pouzdra a také význam symbolů na spodní straně pouzdra. Symboly na spodní straně pouzdra jsou spjaty se vstřikovací formou pro zapouzdření součástky. Tyto symboly jsou specifické pro jednotlivé originální výrobce i případně pro smluvní firmu kompletující čip s vývody a jeho zapouzdření.

Obr. 5 Rozbor popisu pouzdra a znaků ze vstřikovací formy u vzorků F#1, F#2 a F#3

Použijeme-li k vysvětlení významu jednotlivých symbolů vzorek F#1 z obr. 5, je možné z popisu horní části pouzdra a symbolů na spodní straně pouzdra vyčíst tato fakta o původu součástky i u ostatních vzorků. Horní řádek je srozumitelný pro každého uživatele, neboť specifikuje typ součástky, jak už bylo uvedeno v předchozí části. Spodní řádek, začínající v našem příkladu písmenem Z, obsahuje specifikaci o místě, datu výroby a specifický kód šarže (traceability). Symbol „Z“ kóduje geografickou lokalitu smluvního výrobce, čtyřčíslí 2135 kóduje první dvojicí rok výroby (2021) a druhou dvojicí týden daného roku (35). Kód šarže pak představuje čtveřice písmen AAHK. Kód, který je součástí vstřikovací formy v tomto případě uvádí číslo výrobní linky (7) a souřadnici pozice dané součástky formou určení řádku a sloupce ve vícenásobné vstřikovací formě, v našem případě A4.

Obr. 6 Rozbor popisu pouzdra a znaků ze vstřikovací formy u vzorků F#4, F#5 a F#6

Z předchozího komentáře ke kódu popisu pouzdra je zřejmé, že aktivně pořízené vzorky byly u onoho smluvního výrobce „Z“ vyrobeny současně ve 35. týdnu roku 2021 na lince č.7 se společným kódem šarže „AAHK“. Pozici ve vstřikovací formě pro zapouzdření určuje kombinace písmene a čísla, tedy A4, G4, G2, G0, C4 a C2.

Obr. 7 a 8 ilustrují vnitřní strukturu jednotlivých vzorků pořízenou RTG s filtrem Sobel.

Obr. 7 RTG snímky vzorků F#1, F#2 a F#3 s filtrem Sobel

Obr. 8 RTG snímky vzorků F#4, F#5 a F#6 s filtrem Sobel

Podle RTG snímků je zřejmé perfektní provedení umístění a tmelení čipu na vývodový systém včetně propojení čipu s vnějšími vývody (micro-bonding). V tabulce 1 je souborný přehled o všech šesti vzorcích F#1 až F#6, doplněný sloupcem s výsledkem kombinovaného funkčního testu provedeného na testeru s námi vytvořeným programem pro obvod 82C55/71055. Tyto referenční vzorky obstály bez výhrad.

Tabulka 1 Přehled popisů pouzdra, znaků ze vstřikovací formy a výsledek funkčních testů

Obr. 9 až 12 spolu s tabulkou 2 reprezentují výsledky analýzy pro skupinu zadaných vzorků obsahující obvody Intersil CP82C55AZ. Obr. 9 ukazuje, že vzorek H#1 je nejstarší (rok 2018) a že byl vyroben na Filipínách (razítko formy a kód „L“).

Obr. 9 Rozbor popisu pouzdra a znaků ze vstřikovací formy u vzorku H#1

Obr. 10 Rozbor popisu pouzdra a znaků ze vstřikovací formy u vzorků H#2, H#3 a H#4

Na RTG snímcích je patrná odlišnost vnitřní struktury obvodu vyrobeného na Filipínách v roce 2018. Vnitřní struktura a provedení budí určité podezření, i když oba funkční testy neukázaly žádný problém. Nicméně, z hlediska použití v reálné aplikaci se může jednat o obvod s nižší spolehlivostí a kratší životností.

Obr. 11 RTG snímky vzorků H#1 a H#2 s filtrem Sobel

Obr. 12 RTG snímky vzorků H#3 a H#4 s filtrem Sobel

Ostatní obvody této skupiny nebudí z hlediska provedení žádné podezření, pouze vzorek H#4 nebyl ve funkčních testech vyhovující a jevil známky vnitřního poškození, poněvadž nedosahoval potřebných úrovní pro rozlišitelné logické hodnoty.

Tabulka 2 Přehled popisů pouzdra, znaků ze vstřikovací formy a výsledek funkčních testů

Analýza jediného vzorku obvodu 82C55AC-2 221 od firmy NEC je představena na obr. 13, 14 a v tabulce 3. Přesto, že tento vzorek vyhověl ve funkčních testech, jeho vnitřní struktura a provedení, jak ukazují RTG snímky, nabádá k velké obezřetnosti a reálnou aplikaci nelze doporučit. Dalším podpůrným argumentem takového závěru je fakt, že firma NEC splynula se společností Renesas již v roce 2010 a je otázkou, zda po zastavení výroby obvodu NEC 71055, mohla pokračovat výroba NEC 82C55, když od roku 2017 byla přednostním výrobcem tohoto obvodu firma Intersil. V každém případě tyto skutečnosti vyřazují tento obvod ze seriózních aplikací.

Obr. 13 Popis pouzdra a znaky ze vstřikovací formy u vzorku H#X2

Obr. 14 RTG snímky vzorku H#X2 s filtrem Sharp a Sobel

Tabulka 3 Přehled popisu pouzdra, znaků ze vstřikovací formy a výsledek funkčních testů

Výsledky analýzy obvodu OKI M82C55A-2 jsou podchyceny na obr. 15, 16 a v tabulce 4. Způsob označení tohoto vzorku se poněkud odlišuje od ostatních vzorků. Je zřejmé, že lokalitou výrobního provozu je Thajsko a taktovací kmitočet bude zřejmě 2 MHz, ovšem definitivní závěr lze udělat až po dohledání podrobnější dokumentace k tomuto obvodu, což nemusí být úspěšné. Také znaky související se vstřikovací formou jsou pro nás momentálně nerozluštitelné. Naše domněnky ohledně informace kódované v popisu pouzdra jsou uvedeny v tabulce 4. RTG snímky ukazují pravidelnou vnitřní strukturu a zvládnutou technologii kontaktování. Podložka pod čipem má zřejmě větší tloušťku než u ostatních vzorků, poněvadž maskuje samotný čip a tmelení, vlivem jejich nižšího kontrastu.

Obr. 15 Popis pouzdra a znak ze vstřikovací formy u vzorku OKI M82C55A-2

Obr. 16 RTG snímky vzorku OKI 82C55 s filtrem Sharp a Sobel

Tabulka 4 Přehled popisu pouzdra, znaků ze vstřikovací formy a výsledek funkčních testů

Na obr. 17 až 22 a v tabulce 5 jsou výsledky analýzy předložených vzorků obvodu NEC D71055C. Všechny vzorky, až na vzorek #X3, který byl vyroben v Irsku, byly vyrobeny v Japonsku. Způsob značení je podobný jako u vzorků Intersil, tedy i „dekódovatelný“. Nejstarší vzorek (#2) pochází z roku 1992, nejmladší vzorek (#X1) pochází z roku 2007, tedy všechny jsou z období samostatné existence polovodičové divize NEC. Číslo linky a poloha součástky ve vícenásobné vstřikovací formě jsou rozděleny do dvou „razítek“ na spodní straně pouzdra. Podle data výroby je patrný vývoj technologie popisu pouzdra od tamponového potisku po značení laserem.

Obr. 17 Rozbor popisu pouzdra a znaků ze vstřikovací formy u vzorků #1, #2 a #3

Obr. 18 Rozbor popisu pouzdra a znaků ze vstřikovací formy u vzorků #5, #X1 a #X3

Obr. 19 Rozbor popisu pouzdra a znaků ze vstřikovací formy u vzorku #X4

RTG snímky, až na vzorek #X4, vykazují dobré technologické provedení a symetrii umístění čipu na kovovém nosiči. Vzorek #X4 se liší obdélníkovým tvarem čipu i základny, což je patrné i při nepřesnosti přenosu obrázků z našeho RTG do dalších obrazových formátů. Také čip není symetricky umístěn na kovovém nosiči, ale je posunut mírně k levému hornímu rohu. Tento vzorek také neprošel funkčními testy.

Obr. 20 RTG snímky vzorků NEC 71055 #1, #2 a #3 s filtrem Sobel

Obr. 21 RTG snímky vzorků NEC 71055 #5, #X1 a #X3 s filtrem Sobel

Obr. 22 RTG snímky vzorku NEC 71055 #X4 s filtrem Sharp a Sobel

Souborná tabulka 5 pro vzorky NEC D71055C ukazuje, že funkčními testy neprošly oba nejmladší vzorky z roku 2006 a 2007, což může být náhoda, neboť předchozí historie vzorků nám není známa.

Tabulka 5 Přehled popisů pouzdra, znaků ze vstřikovací formy a výsledek funkčních testů

Na závěr bychom se ještě zmínili o funkčních testech použitých k ověření základní funkčnosti v aplikaci. K těmto testům jsme použili ruční tester číslicových obvodů s knihovnou součástek, která ovšem obsahovala pouze test bipolární verze obvodu PIO 8255. Díky tomu, že vlastníme k tomuto testeru i vývojové prostředí pro testy číslicových obvodů neobsažených ve stávající knihovně a rozšíření knihovny nebylo k dispozici, vytvořili jsme si test ve vývojovém prostředí sami. Režim odlaďování testu nám po jeho dokončení pomohl podrobněji prostudovat chování jednotlivých vzorků v krokovacím režimu a také měření úrovní napětí na příslušných vývodech při datových přenosech. To nám umožnilo podrobněji prostudovat chování vzorků, především těch vadných, a lokalizovat nedostatečnosti.  Na následujících obrázcích jsou ilustrace testu pro vyhovující vzorek a pro vzorek nevyhovující. Celkové okno testu se skládá ze 4 oblastí. Levá horní oblast je samotný testovací program, levá dolní oblast indikuje odlaďování chyb v syntaxi. Přímo s testem souvisí pravá dolní oblast, ve které se zobrazují případné chyby, a pravá horní oblast, ve které se zobrazují jednotlivé proměnné a naměřené napěťové úrovně na nich. Kombinace testeru a vývojového prostředí umožňuje detailní studium chování obvodu, kdežto samotný tester, i když na displeji lze zobrazovat dílčí výsledky, má spíš funkci rychlého ověření základní funkčnosti. Druhou variantou funkčního testu bylo samotné aplikační zařízení se zabudovanou testovací paticí pro výměnu a ověření funkčnosti jednotlivých vzorků. Výsledky v obou variantách funkčního testu se shodovaly.

Obr. 23 Čtyřdílné okno vývojového a ladicího programu po úspěšném testu

Obr. 24 Oblast čtyřdílného okna s výsledkem testu a případnými chybami

Obr. 25 Oblast čtyřdílného okna s hodnotami proměnných během průběhu testu

Obr. 26 Čtyřdílné okno vývojového a ladicího programu po neúspěšném testu

Obr. 27 Sestava oblasti s hodnotami proměnných a dvěma částmi oblasti výsledků pro vývody 1 až 10 a 11 až 20

V návaznosti na náš loňský a letošní článek bychom rádi upozornili na skutečnost, že problematika odhalování nepůvodních součástek se postupně úzce propojila s diagnostikou technologického provedení. Už při analýze jednočipového mikrokontroléru STM32F303CCT6, o kterém jsme relativně krátce referovali v loňské 6. čísle tohoto časopisu, jsme si všimli, že selhávání součástek v aplikaci nemusí nutně znamenat nepůvodní, nebo již od počátku vadnou součástku, ale že významnou roli může hrát i zvládnutí určitých operací výrobní technologie integrovaných obvodů. Citlivým místem se stalo propojování čipu s vnějším kontaktním systémem (micro-bonding), poněvadž úsporná opatření ovlivňují volbu použitých materiálů, především propojovacích mikrodrátků mezi čipem a vývody. Původně převážně používané zlato se již nějakou dobu nahrazuje například mědí, stříbrem a slitinami, či mědí potaženou vrstvou paladia. Rozdíl ve vodivosti těchto materiálů není tak významný jako samotná technologie kontaktování, která je individuální pro každý materiál. Osvědčené zlato je horší vodič než stříbro, ale technologie kontaktování byla za dobu jeho používání dokonale zvládnuta. Nové materiály přinášejí nové technologické nároky a při jejich nesplnění může docházet k problémům, které nám některé situace již signalizovaly. Je to ovšem pro nás další diagnostická a analytická výzva, poněvadž s těmito materiály přichází i potřeba nových postupů.