Исследовательские испытания интегральных микросхем

В настоящее время интегральные микросхемы являются одним из самых массовых изделий современной микроэлектроники, т.к. значительно облегчают расчет и проектирование функциональных узлов и блоков, позволяют выполнять функции преобразования и обработки сигналов с высоким быстродействием и низким энергопотреблением. К интегральным микросхемам, функционирующим в составе устройств на борту космических аппаратов, предъявляются жесткие требования к их надежности из-за невозможности или трудности выявления и ремонта отказа. Таким образом, функционирование бортовых устройств в значительной степени зависит от надежности интегральных микросхем и выполнения возложенных на них функций.

Современный этап развития элементной базы для космических аппаратов характеризуется повышением надежности и работоспособности радиоэлементов в космических условиях, которые значительно отличаются в зависимости от целевого назначения космического аппарата. Одним из перспективных методов определения качества и надежности, предотвращения отказов и обеспечения необходимого уровня работоспособности изделий является индивидуальное прогнозирование показателей качества и на-

дежности с использованием оператора прогнозирования (математической модели), которое показало высокую эффективность для микросхем различных серий и технологий изготовления, стабилитронов, тонкопленочных резисторов и конденсаторов.

Индивидуальное прогнозирование включает в себя проведение четырех этапов [1,2]:

• -    обучающего эксперимента;

• -    обучения;

• -    экзамена;

• -    прогнозирования.

Важнейшим этапом индивидуального прогнозирования является обучающий эксперимент, полнота и корректность которого значительно влияет на точность оператора прогнозирования. Основой обучающего эксперимента являются исследовательские испытания.

Цель работы - разработка и апробация программы исследовательских испытаний КМОП-микросхем.

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

В соответствии с ГОСТ 16504-81 исследовательские испытания – испытания, проводимые для изучения определенных характеристик свойств объекта. Такие испытания проводятся с целью:

• -    определения или оценки показателей качества функционирования испытуемого объекта в определенных условиях его применения;

• -    выбора наилучших режимов применения объекта или наилучших характеристик свойств объекта;

• -    сравнения множества вариантов реализации объекта при проектировании и аттестации;

• -    построения математической модели функционирования объекта (оценки параметров математической модели);

• -    отбора существенных факторов, влияющих на показатели качества функционирования объекта;

• -    выбора вида математической модели объекта (среди заданного множества вариантов) [3].

Автором [4] была предложена методика обучающего эксперимента для электрорадиоизделий космических радиоэлектронных средств. Согласно [4] автор выделяет семь основных этапов методики:

• 1.    Анализ конструктивно-технологических особенностей микросхем.

• 2.    Разработка или уточнение схем включения для контроля их работоспособности и измерения основных параметров.

• 3.    Выбор методов и средств контроля информативных параметров.

• 4.    Определение объема выборки.

• 5.    Разработка программы исследовательских испытаний.

• 6.    Проведение исследовательских испытаний и экспериментов.

• 7.    Анализ результатов испытаний и экспериментов.

Первый и второй этапы тесно связаны с изучением технических условий микросхем, а именно определяют назначение микросхемы, технологическое исполнение, особенности корпусов, определяют основные электрические параметры, схемы включения и измерения интересующих параметров, а также режимы измерения этих параметров.

На третьем этапе определяют интересующие нас информативные параметры, т.е. такие параметры, которые имеют стохастическую связь с параметром надежности микросхемы (например, ток утечки). Кроме этого, изучаются причины, механизмы отказа, а также проводится подробный анализ отказов конкретного вида микросхем.

На четвертом этапе определяют оптимальную величину выборки, которая описывает характеристики генеральной совокупности с минимально допустимой ошибкой. Данный этап не требует каких-либо сложных действий и расчетов.

Основная сложность обучающего эксперимента ложится на пятый этап – разработку программы исследовательских испытаний. Этап предполагает решение следующих задач:

• -    выявить процессы деградации;

• -    установить механизм отказов и диапазон нагрузок, ускоряющих механизм отказов [3].

Программа испытаний содержит шесть основных разделов:

• -    объект испытаний;

• -    цель испытаний;

• -    обоснование необходимости проведения испытаний;

• -    место проведения и обеспечение испытаний;

• -    объем и методика испытаний;

• -    оформление результатов испытаний.

Основную сложность вызывает проведение и методическое обеспечение испытаний, в частности объем и методика испытаний. Основная цель испытаний – получение наиболее полной информации о потенциально ненадежных микросхемах. В связи с этим, выбор воздействующих факторов (с учетом местоположения РЭС на космическом аппарате) является достаточно сложной задачей [5].

Выбор воздействующих факторов предлагается осуществлять из следующего ряда факторов:

• 1.    Воздействие тепловых нагрузок.

• 2.    Воздействие электростатического разряда (ЭСР).

• 3.    Растягивающая и изгибающая сила.

• 4.    Линейное ускорение, вибрации, удары.

• 5.    Электрические нагрузки.

• 6.    Воздействие влажности,

• 7.    Воздействие пониженного и повышенного давления.

• 8.    Влияние акустических шумов.

• 9.    Воздействие спецфакторов.

На этапе проведения исследовательских испытаний уточняется степень информативности выбранных параметров и отбираются те, которые имеют большую информативность. Если степень информативности низкая, то целесообразно выбрать для рассмотрения другие параметры, либо в дальнейшем использовать индивидуальное прогнозирование экстраполяционными методами.

Согласно методике, предложенной в работе [4], были проведены исследовательские испытания интегральных микросхем 765ЛН2-1 ОС, изготовленных по КМОП-технологии и представляющих собой шесть логических элементов «НЕ».

В качестве исследуемых параметров были выбраны:

• -    входной ток логического нуля и логической единицы I⁰ _вх и I¹ _вх;

• -    ток потребления в статическом режиме I _пот;

• -    выходной ток логического нуля и логической единицы I⁰ _вых и I¹ _вых;

• -    критическое питающее напряжение U _{кр .П} ;

• -    выходное напряжение логического нуля и логической единицы U⁰ _вых и U¹ _вых;

• -    максимальное выходное напряжение логического нуля U⁰ _{вых max} ;

• -    минимальное выходное напряжение логической единицы U¹ _{вых min} ;

• -    время задержки по переднему фронту сигнала t_p⁺ ;

• -    ток утечки I _ут .

В качестве прогнозируемого параметра было выбрано изменение тока утечки, т.к. установлено, что повышение токов утечки в микросхеме при воздействии дестабилизирующих факторов

Рис. 1. Структурная схема измерения тока утечки микросхем:

1 – источник постоянного тока; 2 – вольтметр; 3 – формирователь тестовых последовательностей;

4 – исследуемая микросхема; 5 – коммутатор выходов; 6 – устройство защиты измерительного прибора от перегрузок при коротком замыкании; 7 – амперметр; X1…X2 – входы микросхемы;

Y1…Y2 – выходы микросхемы

приводит к отказу микросхемы [6]. Критерием отбраковки является превышение изменения тока утечки относительно допустимого значения, указанного в технических условиях, более чем на 40 % ( AI ут >  40%). Схема измерения тока утечки показана на рис. 1.

Источник постоянного тока обеспечивает установление и поддержание на микросхеме заданного напряжения питания, которое контролируется с помощью вольтметра 2. Измерения проводятся при отсутствии подачи тестовых последовательностей на входы микросхем. Значения тока утечки снимаются с амперметра 7. В схеме предусмотрено устройство защиты, которое защищает испытуемую микросхему от короткого замыкания.

В качестве информативных параметров из всей совокупности параметров были выбраны те, которые имеют наибольшую степень корреляции с прогнозируемым параметром, а именно:

• -    время задержки по переднему фронту сигнала t p+ ,

• -    критическое питающее напряжение U _{кр П}.

Схемы измерений выбранных параметров показаны на рис. 2 и на рис. 3.

Оптимальное число экземпляров выборки составило 50 микросхем. Испытания микросхем проводились в соответствии с техническими условиями в течение 1000 ч.

РЕЗУЛЬТАТЫ

По результатам проведенных исследовательских испытаний КМОП-микросхем с помощью метода регрессионных моделей определена математическая модель исследуемой выборки. Модель имеет следующий вид:

А/

—т = - 31,35 + 28,46 • t + - 47,26 • U _п . (1)

I                          p             крП ут

Также с помощью метода дискриминантных функций была определена математическая модель исследуемой выборки. Модель имеет следующий вид:

А/ _

Пд = -уут- + 0,9 • 1',+ 0,53 • Uкрп • (2) ут где Пд – порог дискриминантной функции.

Оба метода показали высокую эффективность прогноза, в первом случае вероятность принятия ошибочного решения составила менее 0,05, во втором случае – менее 0,08.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Была разработана программа исследовательских испытаний КМОП-микросхем. Проведены испытания микросхемы серии 765. На основе

Рис. 2. Структурная схема измерения времени задержки по переднему фронту сигнала:

1 – источник постоянного напряжения; 2 – коммутатор входов; 3 – исследуемая микросхема;

4 – коммутатор выходов; 5 – измеритель временных параметров; 6 – источник питающего напряжения; X1…X2 – входы микросхемы; Y1…Y2 – выходы микросхемы; С_н – суммарная ёмкость нагрузки (50 пФ ± 20 %)

Рис. 3. Структурная схема измерения критического питающего напряжения:

1 – источник питающего напряжения; 2 – формирователь тестовой последовательности;

3 – исследуемая микросхема; 4 – коммутатор выходов; 5 – блок определения времени задержки; X1…X2 – входы микросхемы; Y1…Y2 – выходы микросхемы

полученных результатов построены математические модели прогнозирования с использованием двух методов. Модели показали высокую степень достоверности.