Nepůvodní elektronické součástky – rok třináctý

Jako téma výročního třináctého pokračování našeho seriálu o odhalování nežádoucích tajemství v pouzdrech nepůvodních součástek se hodí aktuální problematika nedostatku moderních polovodičových součástek, mezi které pochopitelně patří i integrované obvody. Jako názorný příklad nám poslouží populární mikrokontrolér firmy STMicroelectronics reprezentovaný modelem STM32F303CCT6. Tento obvod jsme na našem pracovišti detailně zkoumali na základě skupiny vzorků, které jsme obdrželi k analýze. Právě předběžné výsledky analýzy nás vedly k tomu, že jsme pořídili doplňující vzorky tohoto obvodu z několika nezávislých zdrojů, přičemž jsme zvolili zavedené dodavatele, případně další dodavatele s certifikací ohledně důvěryhodnosti a zavedených metod pro odfiltrování nepůvodních součástek. Naším cílem nebylo hodnotit dodavatele, ale získat statistickou představu o vlastnostech daného typu ve větším počtu a zaměřit se i na případné odlišnosti v jednotlivých skupinách těchto vzorků. Samotná analýza nás průběžně inspirovala k získávání dalších údajů, tedy situaci na trhu, dostupnost tohoto modelu, dodací lhůty a především jsme se snažili blíže dekódovat symboly v popisu pouzdra i ve vazbě na konkrétní lokality, kde podle dostupných pramenů k výrobě dochází.

Na rozdíl od většiny předchozích analýz neposkytla optická a rentgenová analýza významné odchylky mezi vzorky přesto, že vstupní skupina vzorků obsahovala některé vzorky označené jako vadné a jiné v dané aplikaci jako funkční. To pochopitelně znamenalo, že čipy vzorků zřejmě nebyly zhotoveny mimo oficiální výrobní lokality. Zapouzdřené obvody nevykazovaly hrubé odchylky a montážní pochybení jako u mnoha předešlých analýz. Proto jsme pro formulaci svých závěrů použili ještě metodu analogové příznakové analýzy, která stála na počátku budování naší laboratoře. Byli jsme mile překvapeni, že právě voltampérové charakteristiky začaly poskytovat rozdíly nejen mezi vadnými a ostatními vzorky, ale také mezi vzorky pořízenými dodatečně ze známých zdrojů. K dané situaci je nutné podotknout, že současná situace v dodávkách tohoto konkrétního obvodu a dalších obvodů řady STM32 komplikuje kromě jejich relativního nedostatku i skutečnost, že v zájmu posílení výrobních kapacit využila firma STMicroelectronics výrobní kapacity firem v dalších zemích, jako je především Čína a dále pak Malajsie, Filipíny a v rámci jednotné Číny i Tchajwan. Podle různých blogů v oblasti aplikací analyzovaného obvodu je zřejmé, že se vyskytují také různé klony těchto obvodů, z nichž mnohé nejsou klony oficiálními. Proto bližší zkoumání původu a historie součástky i podle popisu pouzdra bylo, je a bude stejně důležité jako samotná analýza technickými prostředky. V souladu s dokumentací firmy STMicroelectronics je možné podle kódů uložených v paměti obvodu ověřit podrobné údaje o výrobci, verzi, číslu série, kódu dohledatelnosti (traceability) apod. Některé z těchto údajů lze získat i z popisu pouzdra, ale podrobnou, konzistentní a vyčerpávající dokumentaci se nám zatím nepodařilo získat. Kromě technické dokumentace k jednotlivým obvodům (datasheet), kde je uvedena historie revizí, je možné z příslušných portálů stáhnout také dokumentaci o provedených změnách a tzv. Errata ohledně zjištěných problémů a jejich odstranění. Podle místa výroby obvodů firma uvádí, že je možné zaregistrovat odchylky v poloze a provedení popisu pouzdra, nikoliv však samotný obsah a členění popisu, které je dáno firmou. Proto při optickém posuzování hraje hlavní roli rozložení segmentů popisu a samotný informační obsah.

Předložené vzorky obvodu STM32F303CCT6 i doplňující vzorky byly jednotně v pouzdru LQFP 48. Na obr. 1 je vlevo rozložení vývodů po obvodu pouzdra, jak uvádí datový list, vpravo je pak snímek horní části pouzdra s hlavním popisem.

Obr. 1  Vývody pouzdra a snímek horní strany pouzdra obvodu STM32F303CCT6

Obr. 2 ilustruje komentář výrobce k popisu horní části pouzdra v datovém listu a příklad popisu na konkrétní součástce. Komentář k popisu pouzdra v datovém listu výrobce popisuje pouze umístění názvu konkrétní varianty součástky, lokalizaci vývodu č. 1, kód data konečné montáže a zapouzdření třemi symboly, z nichž první reprezentuje rok a další 2 symboly pořadové číslo týdne v daném roce. Na uvedené konkrétní součástce je datum výroby ve 43. týdnu roku 2022. Y představuje verzi litografie čipu a symbol „e3“ v kroužku povrchový materiál pokovení vývodů podle standardu JEDEC J-STD-609.

Obr. 2  Grafické znázornění rozložení a obsah jednotlivých segmentů hlavního popisu

Obr. 3 poskytuje upřesnění dalších symbolů na základě prostudování změnových listů PCN, které firma STMicroelectronics průběžně zveřejňuje.

Obr. 3  Upřesnění některých segmentů popisu pouzdra na jednom ze vzorků

Na obr. 4 je pak výřez z veřejné firemní dokumentace týkající se variant znaku revize litografie plátku uváděného v popisu pouzdra a odpovídající kód dostupný v paměti součástky. Obr. 5 je pak výřezem ze zmíněného standardu JEDEC J-STD-609 a představuje seznam možných variant kódu povrchové úpravy vývodů včetně komentáře ohledně složení povlakového materiálu.

Obr. 4  Firmou uváděný význam symbolu označení technologické varianty provedení čipu

Obr. 5  Kódování materiálu pokovení vývodů součástky

Obr. 6 je výtahem z příslušného změnového listu PCN, který objasňuje význam kódů pro varianty výrobců finální součásti. Tato informace je důležitá pro představu ohledně lokalit konečné výroby a usnadňuje analýzu popisu pouzdra součástky v případě nesrovnalostí při analýze konkrétních vzorků. Podobně obr. 7 a 8 ilustrují kódové varianty výrobců křemíkových plátků se systémy i s ohledem na zpětnou dohledatelnost (traceability). Obr. 9 pak tyto informace dává do souvislosti s popisem konkrétního vzorku obvodu STM32F303CCT6.

Obr. 6  Seznam možných finálních výrobců součástek s kódem pro popis pouzdra

Obr. 7  Změnový list PCN ohledně doplnění dalšího výrobce plátků se systémy (Front-end)

Obr. 8  Další část změnového listu PCN se seznamem výrobců plátku a jejich traceability kód

Obr. 9  Příklad popisu pouzdra s vyznačením zhotovitele plátku a země s lokalitou dokončení

Na obr. 10 je praktický příklad popisu horní i spodní části pouzdra. Symboly popisu spodní části pouzdra jsou součástí vstřikovací formy, což může být vodítkem při posuzování konzistentnosti všech údajů v popisu pouzdra.

Obr. 10  Příklad popisu horní a dolní strany pouzdra

Obr. 11 až 13 představují příklady rentgenových snímků na třech úrovních rozlišení, které mohou kromě podobnosti či odlišnosti struktury poskytnout představu o technologii kontaktování a tmelení čipu. Jsou vytvořeny dvěma typy obrazových filtrů s ohledem na kontrast a plasticitu zobrazení.

Obr. 11  Rentgenový snímek globálního pohledu na vnitřní strukturu pouzdra

Obr. 12  Rentgenový snímek bezprostřední oblasti čipu

Obr. 13  Rentgenový snímek detailu čipu

U některých vzorků byla provedena ablace materiálu pouzdra nad čipem, abychom si udělali představu o vnitřním značení a symbolech. Bývá zvykem uvádět určitou variantu loga firmy, která nemusí být totožná s logem uvedeným na pouzdru součástky. Uvádí se i rok nebo jiný, oficiálně nekomentovaný, kód. Na obr. 14 a 15 jsou snímky značení čipu obvodu STM32F303CCT6 pořízené polarizačním mikroskopem ve zvětšení 200x a 400x. Je zahrnuta i oblast číselných kódů jednotlivých litografických vrstev, která je obdobně vrstvená, takže se vyskytuje v různých ohniskových vzdálenostech.

Obr. 14  Snímek oblasti s logem a číselnými kódy litografických vrstev

Obr. 15  Detaily symbolů na čipu

Konečně na obr. 16 je příklad voltampérových charakteristik nestabilních vývodových párů. V tomto případě se analogová příznaková analýza ukázala jako konečný arbitr posouzení všech vzorků obvodu STM32F303CCT6. Pro tuto analýzu bylo třeba získat představu o statisticky významném průběhu voltampérových charakteristik, aby bylo možné zvolit referenční průběhy k posouzení předložených vzorků. K tomu dopomohlo získání dalších vzorků od různých důvěryhodných dodavatelů. Analogová příznaková analýza realizovaná na našem zařízení s praxí ověřenou metodikou umožňuje použít řadu variant testů, aby bylo možné najít nejvhodnější podmínky testu a posoudit i stabilitu při opakovaném měření v manuálních i automatických cyklech. Právě stabilita vykazovaných průběhů u jednotlivých vzorků je prvním kritériem jejich důvěryhodnosti z hlediska analogové příznakové analýzy. Vzájemné porovnávání vzorků pak umožňuje vybrat potenciální referenční součástky. Analogová příznaková analýza při posuzování původnosti i vhodnosti součástek pro danou aplikaci nese z pohledu současných snah v oblasti EMC významný potenciál. Vzhledem k tomu, že jde v podstatě o průběh impedance, mohou její výsledky poskytnout představu o možných vlivech jejího chování z hlediska EMC na integritu napájení i na integritu signálu. Horní voltampérová charakteristika na obr. 16 ukazuje náhlou změnu ve svém průběhu, což může znamenat změnu v chování obvodové struktury vlivem směru a průběhu napětí. Spodní voltampérová charakteristika pak vykazuje jakýsi konečný přechod horního průběhu do „stabilní“ odlišnosti od referenčního průběhu. Pokud se tento jev vyskytuje pouze u některých součástek, může to znamenat určitou nežádoucí „choulostivost“ na hodnoty parametrů vnějšího prostředí. Podobně voltampérová charakteristika, pokud je takový výskyt v menšině, charakterizuje odlišnou obvodovou strukturu v dráze mezi zvolenou dvojicí vývodů.

Obr. 16  Příklad voltampérových charakteristik indikujících elektrickou nestabilitu struktury

Dnešní „jubilejní“ 13. pokračování se z podstatné části věnovalo i zdánlivě netechnickému přístupu k analýze, tedy „papírování“ s dokumentací originálního výrobce. Z hlediska praxe však je toto „papírování“ důležité, protože zmíněné doplňující informace ohledně možných výrobců jak křemíkového plátku, tak finální součástky, způsob kódování v popisu součástky a význam jednotlivých skupin symbolů nabízí uživateli relativně levnou možnost prvotní analýzy za pomoci levného digitálního mikroskopu a poučeného či „znalého“ oka. Jak uvádí sám výrobce, poloha popisu a jeho provedení se může podle konkrétního alternativního výrobce lišit. Jeho skladba, souvislosti znaků a topologie dělení skupin znaků musí odpovídat bezvýhradně zásadám originálního výrobce, kterým je v tomto případě firma STMicroelectronics.