Надійність інтегральних систем

Роль прискорених випробувань в визначенні надійності інтегральних схем, головні причини та механізми відмов. Визначення інтенсивності відмов інтегральної системи, ймовірності безвідмовної роботи, середнього і гамма-відсоткового часу напрацювання.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Вступ

У наш час вироби мікроелектронної промисловості так широко ввійшли в сучасне життя суспільства, що відмова від них відкинула би розвиток цивілізації далеко назад. Ми все більшою мірою залежимо від ефективної роботи різного роду радіоелектронної апаратури (РЕА). Розвиток мікроелектроніки обумовлений постійним ростом ступеня інтеграції й функціональної щільності інтегральних схем (ІС), що у свою чергу, якщо не поліпшуються конструктивно-технологічні основи, приводить до росту виникнення відмов елементної бази РЕА і як наслідок зниженню її надійності. Елементна база сучасних радіоелектронних виробів складається з високоінтегрованних компонентів (інтегральних схем, друкованих плат).

У зв'язку з тим, що розроблювачі компонентів більш високої інтеграції ІС роблять розробку під загальні для ряду підприємств вимоги до РЕА, а розроблювачі РЕА керуються конкретними технічними завданнями, можлива розбіжність вимог до рівня якості компонентів РЕА. Таким чином, у різних організаціях, що випускають ІС, рівень їхньої якості може розрізнятися з вимогами до рівня якості цих компонентів для конкретного виробу РЕА. Основною тенденцією мікроелектроніки останнього років є розширення функціональної складності й підвищення швидкодії ІС. Надійне функціонування РЕА вимагає спеціальних методів і засобів відбраковування потенційно ненадійних компонентів ІС. Проблема діагностичного контролю ускладнюється, оскільки функціонально на один вихідний контакт ИС приходиться ланцюг, що містить тисячі з'єднаних між собою електронних компонентів (ЕК), з яких кожний не випробовують. Тому результат береться сумарний. Контроль й аналіз функціональних операцій при обігу ІС повинні вірогідно характеризувати тривалість їхньої безвідмовної роботи, що дозволить створити не тільки високонадійну РЕА, але й уникнути збитку.



1. Роль прискорених випробувань в визначенні надійності інтегральних схем

1.1 Надійність інтегральних схем

інтегральний відмова інформаційний надійність

Один з основних показників РЕА - надійність - залежить як від надійності використовуваної елементної бази, так і від прийнятих схемотехнічних і конструкторських рішень. З огляду на значимість сучасних апаратур у людській діяльності, вимоги до їх надійності постійно підвищуються. Це пов'язане з тим, що від правильної роботи РЕА залежать хід виконання технологічного процесу, вірогідність одержання результатів вимірів й обробки даних, і т. п. Питанням підвищення надійності РЕА на всіх етапах її проектування й виробництва приділяється найбільша увага.

Надійність, як сполучення властивостей безвідмовності, ремонтоздатності, довговічності й збережуваності, і самі ці якості кількісно характеризуються різними функціями й числовими параметрами. Правильний вибір кількісних показників надійності РЕА дозволяє об'єктивно порівнювати технічні характеристики різних виробів як на етапі проектування, так і на етапі експлуатації (правильний вибір системи елементів, технічні обґрунтування роботи з експлуатації й ремонту РЭА, об'єм необхідного запасного майна й ін.) [1,2].

На сьогоднішній день значну частину eлементно-компонентної бази РЕА становлять цифрові вироби - інтегральні схеми такі як: мікропроцесори, мікроконтролери, аналого-цифрові перетворювачі й т.д. У зв'язку із цим надійність РЕА доцільно зіставити з надійністю цифрових виробів, підданих катастрофічним відмовам.

Залежність інтенсивності відмов від часу роботи ІС має вигляд кривої (називаної іноді «ванною», рис. 1), що характеризується трьома періодами: періодом приробітки (називаного іноді періодом «дитячих» або ранніх відмов), у якому інтенсивність відмов спочатку велика, а потім швидко падає; періодом нормальної роботи, у якому значення інтенсивності відмов постійно, і періодом старіння (приблизно через 25-30 років нормальної роботи), у якому інтенсивність відмов починає спочатку повільно, а потім більш швидко зростати. Однак, дана стадія в ІС тільки передбачається.

Рис. 1 - Типова залежність інтенсивності відмов ІС від часу:

1 - без відбраковочних випробувань; 2 - із проведенням відбраковочних випробувань

Ранні відмови виникають, як правило, внаслідок конструктивних і технологічних недоліків. У нормальних умовах роботи цей період триває до 1000 ч. або приблизно 6 тижнів. На закінчення цього етапу вказує вирівнювання кривої інтенсивності відмов.

Рис. 2 - Залежність періоду нормальної роботи від топологічних норм проектування



Інтенсивність відмов у період приробляння має тенденцію до зменшення в міру вдосконалення конструкції й технології [3]. Однак, відповідно до роботи [4], при зменшенні топологічних норм проектування, різко скорочується період нормальної роботи ІС (рис. 2).

У наш час загальноприйняті два основних напрямки збільшення надійності напівпровідникових виробів (НПВ), що випускають, і ІС:

· усунення причин відмов при виготовленні виробів шляхом вивчення, удосконалення виробничого процесу й підвищення контролю, тобто впливу на процес виробництва за допомогою зворотного зв'язку передачі інформації й створення в остаточному підсумку бездефектної технології;

· виявлення й видалення виробів з відмовами (дійсними й потенційними) з готової партії до поставки споживачеві.

Найбільш ефективним методом підвищення якості й надійності виробів, що випускають, є перший напрямок. Відмови можливі навіть у добре освоєному виробництві. Із цієї причини розповсюдженим способом підвищення якості й надійності випускає партії, ЩО, НП й ІС (а не конкретно кожного виробу) є проведення відбраковувальних випробувань на етапі вихідного контролю цих партій на заводі виготовлювачі. Уважається, що випадкових відмов НПВ не буває, кожна відмова має причину і є наслідком додатка деякого навантаження. «Слабкі» НПВ, які залишилися невиявленими до початку експлуатації, можуть стати причиною відмов РЕА. Для того щоб відбраковувальні випробування були ефективними, потрібно знати, які навантаження і як прискорюють появу відмов. Досвід показує, що впровадження відбраковувальних випробувань істотно підвищує середній рівень їхньої надійності (рис. 1) [5].

Таким чином, для підвищення надійності РЕА необхідне використання двох методів: удосконалення технології й конструкції, а також проведення прискорених випробувань. У свою чергу проведення прискорених випробувань дозволяє виявити відмови ІС пов'язані з конструктивно-технологічними факторами такими як: помилки літографії; дефекти окисла, металізації, контактів; короткі замикання або обриви в провідних шинах а також між полікремнієм і металом; і т.д. Правильно розуміти фізичну природу й сутність відмов дуже важливо для обґрунтованої оцінки надійності технічних пристроїв.

1.2 Причини відмов ІС

На елементи РЕА постійно впливають зовнішні й внутрішні експлуатаційні фактори. До першого ставляться температура, вологість, тиск і хімічний склад навколишнього середовища, радіація, електромагнітні поля, механічні навантаження, що виникають при експлуатації (вібрації, удари) і інші фактори, що впливають на елементи незалежно від того, працюють вони або виключені. До других факторів відносяться напруги й струми сталих перехідних режимів працюючих під навантаженням елементів і виникаючі у зв'язку із цим виділення в елементі тепла, утворення електричних і магнітних полів, механічні навантаження.

Через вплив експлуатаційних факторів у матеріалах елементів протікають різні фізико-хімічні процеси, що змінюють їхні властивості: дифузійні процеси в об'ємі й на поверхні; переміщення й скупчення точкових дефектів і дислокацій у твердих тілах; флуктуаційні розриви міжатомних зв'язків у металах і сплавах; розрив хімічних зв'язків ланцюгів макромолекул полімерних матеріалів; сорбаційні процеси; електролітичні процеси; сублімація матеріалів; дія поверхнево-активних речовин; структурні перетворення в сплавах металів й ін. Швидкість і характер протікання цих процесів визначається концентрацією основних речовин і домішок у матеріалах і рівнями енергетичних впливів на елемент експлуатаційних факторів.

Концентрація проникаючих у матеріали речовин і рівень енергетичних впливів залежать від якості захисту елемента від впливу зовнішніх і внутрішніх експлуатаційних факторів. Зростання інтенсивності їхнього впливу на елемент збільшує швидкість протікання фізико-хімічних процесів, у результаті чого виникають оборотні й необоротні зміни в матеріалах. Таким чином, відмови ІС можна розділити на групи: відмови пов'язані з тепловою енергією й електричною.

Таблиця 1 - Види відмов залежно від прискорювального фактора

Прискорювальний фактор	Вид відмови
Температура	Электроміграція
	Дефекти окисла виявлені температурою
	Обрив сполук внаслідок утворення інтерметалічних сполук
Підвищена напруга	Дефекти окисла виявлені підвищеною напругою
	Часозалежний пробій діелектрика

Виникнення р...