МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ИС ПРИ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ПОЛЯХ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Российский научно-исследовательский институт «Электронстандарт»

• 1999
• 1. Назначение и область применения

Настоящий руководящий документ (РД) распространяется на полупроводниковые интегральные микросхемы (ИС) и устанавливает методы прогнозирования параметрической надежности ИС при их эксплуатации в полях ионизирующего излучения малой мощности с учетом температуры окружающей среды и электрических режимов работы ИС.

• 2. Определения
• 2.1. Надежность (Н) - внутреннее свойство ИС сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в данных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.
• 2.2. Исправное состояние (ИСО) - состояние ИС, при котором она соответствует всем требованиям нормативно-технической документации.
• 2.3. Работоспособное состояние (РСО) - состояние ИС, при котором все параметры, характеризующие ее способность выполнять заданные функции, соответствуют нормативнотехнической документации. Однако в ИС, способной выполнять свои основные функции, в данном состоянии могут быть повреждения, не влияющие на ее электрические параметры.
• 2.4. Отказ (ОТ) - событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния.
• 2.5. Внезапные отказы (ВО) - отказы, возникающие за очень короткий промежуток времени, позволяющие говорить о мгновенном отказе и заключающиеся в прекращении функционирования, значительном изменении электрических параметров и т.п.
• 2.6. Дрейфовые отказы (ДО) - отказы, связанные с выходом электрических параметров за норму ТУ, происходящие за значительное время, соизмеримое со всем временем эксплуатации, транспортирования и хранения.
• 2.7. Параметрическая надежность (ПН) - составляющая надежности, которая из всех видов отказов рассматривает только дрейфовые отказы.
• 2.8 Параметр-критерий годности (ПКГ) - параметры, которые в наибольшей степени изменяются в ходе эксплуатации и которые выходят за норму ТУ в первую очередь.

Для разных технологий ИС такими параметрами являются:

• - биполярные: Uob Uoh, 1оь Ioz
• - КМОП: 1сс> СГоь Uoh> 1оь Ioz
• 2.9. Линия среднего значения ПКГ (СЗ) - линия на графике изменения ПКГ от времени, соответствующая изменению среднего значения ПКГ.
• 2.10. Статистические границы разброса ПКГ (СГ) - линии на графике изменения ПКГ от времени, соответствующие изменению СЗ ПКГ± За.
• 2.11. Линия критического значения ПКГ (ЛКЗ) - линии на графике изменения ПКГ от времени, соответствующие изменению СЗ ПКГ + 3 о или СЗ ПКГ - За в зависимости от того, откуда норма ТУ ограничивает ПКГ. Если норма ТУ ограничивает ПКГ снизу, то выбирается СЗ ПКГ - За, если сверху, то СЗ ПКГ + За.

• 2.12. Порог времени отказа (ПВО) - момент времени от начала эксплуатации ИС до момента, когда ЛКЗ ПКГ достигает нормы ТУ.
• 2.13. Кривая стабильности (50 %) - кривая зависимости числа ИС, у которых ПКГ не вышел за 50 % границу от среднего начального значения (в процентах к общему числу ИС в выборке) от времени. По оси абсцисс откладываются число ИС, у которых изменения параметров не превысили 50 % границу от среднего начального значения (в процентах к общему числу ИС в выборке), а по оси ординат - время эксплуатации. Если ПКГ ИС хотя бы раз пересекли 50 % границу от среднего начального значения, то такая ИС считается забракованной.
• 2.14. Нормальный режим эксплуатации - режим, соответствующий режиму ТУ при испытании на долговечность.
• 2.15. Форсированный режим эксплуатации - режим, отличающийся от режима ТУ при испытании на долговечность в части воздействия повышенной температуры окружающей среды и (или) повышенной электрической нагрузки.
• 3. Методология расчета
• 3.1. Цель расчета - рассчитать ПВО.
• 3.2. Для достижения поставленной цели рассчитываются:

обязательные характеристики расчета:

• - изменение СЗ ПКГ от времени;
• - изменение СГ ПКГ от времени;

из анализа полученных кривых вычисляется значение ПВО. информативные характеристики расчета:

• - кривая стабильности.
• - изменение статистического разброса ИС со временем;

анализ полученных кривых показывает статистический разброс параметров ИС

• 3.3. Изменение ПКГ от времени состоит из трех составляющих:
  • - изменение ПКГ вследствие старения,
  • - изменение ПКГ от облучения
  • - изменение ПКГ от взаимодействия процессов старения и облучения.
• 3.4. Изменение ПКГ от старения

3.4.1. Изменение среднего значения ПКГ от старения описывается аппроксимационной функцией вида

где Уо - среднее начальное значение ПКГ,; а, b - параметры аппроксимации;

X - время.

Ку - коэффициент влияния температуры и электрического режима. Среднее начальное значение ПКГ определяется по формуле

где ^⁰ i - начальное значения параметра для i-ой ПС в выборке;

N - число ПС в выборке.

Значения параметров а и b вычисляются по формулам:

3.4.2. Изменение СГ определяется по формуле

где

3.4.3. Коэффициент влияния температуры и электрического режима представляется в виде

где кт - коэффициент влияния температуры;

Кэ - коэффициент влияния электрического режима.

3.4.4. Коэффициент влияния температуры определяется из соотношения

где Е_а - энергия активации;

к - постоянная Больцмана;

Тперо, Тперф - температура кристалла (перехода) в нормальном и форсированном режимах соответственно.

Значение Еа определяется по формуле

где N1 - число механизмов отказа;

qi - весовой коэффициент i-ro механизма отказа;

Еа, - значение энергии активации для i-ro механизма отказа.

3.4.5. Значения энергии активации для отдельных механизмов отказов (Eaj) определяют экспериментально в соответствие с РД II0755-90 одним из следующих методов:

на основе параллельных испытаний выборок в различных режимах (метод 2—1); по накопленным данным (метод 2-2);

по результатам испытаний со ступенчато возрастающей нагрузкой (метод 2-3); по результатам электротермотренировки (ЭТТ) при ступенчато возрастающей нагрузке (метод 2-4);

Перечисленные методы изложены в приложениях 2-5 РД II0755-90.

3.4.6. При недостаточном объеме данных для определения q общий коэффициент рассчитывают по формуле

где Еамин и Еамакс - соответственно минимальное и максимальное значения энергии активации из диапазона наименьших значений для основных механизмов отказов.

3.4.7. Если энергию активации и механизмы отказов определить не удается, то значение обобщенной (средней) энергии активации выбирают из табл. 1. При этом, если Тперо, Тперф лежат в разных диапазонах температур (для которых в табл. 1 указаны разные значения энергии активации), то общий коэффициент равен произведению коэффициентов, рассчитанных для каждого диапазона в пределах Тперо, Т_Перф по формуле (3.7).

Таблица 1

Значение Т_Перо, Т_Перф рассчитывают по формуле

где Тпер - температура перехода;

Токрср - температура окружающей среды;

Кпер-окрср - тепловое сопротивление переход - окружающая среда;

Р - мощность.

Мощность определяется произведением тока питания на напряжения питания.

3.4.8. Коэффициент влияния электрического режима определяется из соотношения:

где Кэш - коэффициент, зависящий от токовой составляющей.

Кэнап - коэффициент, зависящий от составляющей напряжения.

При воздействии на ИС форсированным током коэффициент равен

При форсированном напряжении питания коэффициент равен

где 1ф - величина тока потребления при эксплуатации ИС в форсированном режиме;

Jhom - величина тока потребления ИС, в соответствии с режимами ТУ;

СГссф - величина напряжения питания при эксплуатации ИС в форсированном

режиме;

Ucchom - величина напряжения питания ИС, в соответствии с режимами ТУ;

А, п - коэффициенты аппроксимации.

Коэффициенты аппроксимации определяются из РДII0755-90.

3.4.9. В случае отсутствия данных по изменению среднеквадратичного отклонения ПКГ со временем ее величина принимается равной

где а_нач - начальное значение среднеквадратичного отклонения;

Кпр - коэффициент приемки, который выбирается из табл. 2.

Таблица 2

• 3.4.10. Если не известны все значения среднеквадратичного отклонения, то она принимается за 5 % от среднего значения ПКГ и умножается на коэффициент в соответствие с видов приемки изделий, который определяется из табл. 2.
• 3.5. Изменение ПКГ от облучения

3.5.1. Изменение среднего значения ПКГ от облучения описывается аппроксимационной функцией вида

где Yo - начальное значение ПКГ; с, d - параметры аппроксимации;

D - доза, равная D =М t; М - мощность; t - время;

Кмо - коэффициент влияния температуры и малой мощности.

Начальное значение ПКГ определяется по формуле

где ^⁰¹ - начальные значения параметра для Гой ПС в выборке;

N - число ПС в выборке.

Значения параметров с и d вычисляются по формулам:

3.4.2. Изменение СГ определяется по формуле

где

3.4.2. Коэффициент влияния температуры и малой мощности представляется в виде

где Ко - коэффициент влияния температуры;

Км - коэффициент влияния малой мощности.

3.4.3. Коэффициент влияния температуры определяется из соотношения

где t - время;

т- постоянная отжига;

С - параметр аппроксимации.

3.4.4. Значение топределяется по формуле

где Т - температура среды;

N - кратность воздействия температуры; то , А, В - коэффициенты аппроксимации.

Коэффициенты аппроксимации определяются для каждой ИС экспериментально с помощью метода, изложенного в прил. 1.

• 3.4.8. Коэффициент влияния малой мощности определятся для каждой ИС экспериментально. Методика его определения приведена в прил. 2. В случае невозможности провести испытания, определение осуществляется по формуле для наихудшего случая
• - в пределах мощности от 0.05 до 1Р/с:

где М - мощность;

- в пределах мощности от 0.05 до 0.01 Р/с:

где М -мощность;

3.4.9. В случае отсутствия данных по изменению среднеквадратичного отклонения ПКГ со временем ее величина принимается равной

где а_нач - начальное значение среднеквадратичного отклонения;

Кпр - коэффициент приемки, который выбирается из табл. 2.

• 3.4.10. Если не известны все значения среднеквадратичного отклонения, то она принимается за 5 % от среднего значения ПКГ и умножается на коэффициент в соответствии с видов приемки изделий, который определяется из табл. 2.
• 3.6. Изменение ПКГ от облучения и старения

3.6.1. Изменение ПКГ от облучения и старения описывается аппроксимационной функцией вида

где Yo - начальное значение ПКГ;

Уст - изменение параметра от старения, определяется в соответствие с п.3.4.

Yo6 - изменение параметра от облучения, определяется в соответствие с п.3.5.

R - параметр аппроксимации.

3.6.2. Коэффициент аппроксимации R определяется для каждой ИС экспериментально с помощью метода, изложенного в прил. 3. В случае невозможности провести испытания, то такие значения выбираются для наихудшего случая:

R=0,05 - для биполярных ИС;

R=0,08 - для К-МОП ИС.

• 3 7. Расчет информативных показателей поведения ИС.
• 3.7.1. Информативные показатели несут дополнительную информацию о степени статистического разброса параметров.
• 3.7.2. Информативными параметрами являются:
  • - кривая стабильности.
  • - изменение статистического разброса ИС со временем.
• 3.7.3. Для построения кривой стабильности вычисляется п - процент числа ИС, у которых ПКГ не вышел за 50 %-границу среднего начального значения ПКГ, из общего числа изделий. При этом, если у изделия хотя бы раз значение ПКГ превысило 50 % границу, то оно исключается из значения п.

3.7.4. Вычисление п осуществляется в виде зависимости значения п от времени. Результаты вычислений представляются в виде графика п от времени.

По виду этого графика определяют степень разброса ПКГ и судят о стабильности поведения ПКГ от времени.

3.7.5. Изменение статистического разброса представляет собой гистограммы распределения ПКГ для каждого момента времени эксплуатации ИС, выбранных через определенный произвольный шаг по времени.

В результате получается семейство гистограмм, полученных при разных значениях времени.

4. Методика проведения расчета

Методика проведения расчета включает в себя правила и методы проведения расчета с помощью специального комплекса программ USTIGR. Руководство оператора пользования этим комплексом приведено в прил. 4.

• 4.1. Начальный этап
• 4.1.1. Вначале оператор производит загрузку комплекса программ из операционной среды Windows.
• 4.1.2. Затем оператор вводит необходимые данные. Данные вводятся в 3 видах в зависимости от имеющейся информации. Первых вид предполагает наличие полной информации, второй ограниченный набор данных и третий - аппроксимация данных из тех значений, которые имеются в базе данных.
• 4.1.3. Полный набор данных включает в себя следующее:
  • - фамилия оператора;
  • - тема;
  • - типономинал ИС;
  • - тип технологии;
  • - количество элементов на кристалле;
  • - норма ТУ на соответствующий параметр;
  • - температура эксплуатации ИС;
  • - напряжение питания эксплуатации ИС;
  • - ток потребления эксплуатации ИС;
  • - вид отбраковочных испытаний;
  • - вид воздействия радиации;
  • - мощность воздействия радиации;
  • - массивы значений ПКГ для всех ИС для каждого квантованного значения наработки;¹
  • - массивы значений ПКГ для всех ИС для каждого квантованного значения дозы; ²
  • - данные, необходимые для определения постоянной отжига (массивы значений Т и U (прил. 1));
  • - данные, учитывающие влияние мощности (массив значений W (прил. 2));
  • - данные, учитывающие не аддитивность процессов естественного старения и облучения (массив значений R (прил. 3));
  • - данные, необходимые для определения параметров вывода (графического, символьного, на принтер или монитор).

Примечание:

• 1 В результате вводятся М массивов N-размерности. М - число квантованных моментов времени наработки, при которых производились замеры ПКГ; N - число ИС в выборке.
• 2 В результате вводятся К массивов N-размерности. К - число квантованных значений дозы, при которых производились замеры ПКГ; N - число ИС в выборке.
• 4.1.4. Ограниченный набор данных включает в себя следующее:
  • - фамилия оператора;
  • - тема;

• - типономинал ИС;
• - тип технологии;
• - количество элементов на кристалле;
• - норма ТУ на соответствующий параметр;
• - температура эксплуатации ИС;
• - напряжение питания эксплуатации ИС;
• - ток потребления эксплуатации ИС;
• - вид отбраковочных испытаний;
• - вид воздействия радиации;
• - мощность воздействия радиации;
• - массив количества ИС вышедших за 50 % границу от наработки*;
• - массив изменения среднего значения ПКГ от наработки;
• - массив изменения среднеквадратичного отклонения от наработки*;
• - массив изменения среднего значения ПКГ от дозы;
• - массив по количеству ИС вышедших за 50 % границу от дозы*;
• - массив изменения среднеквадратичного отклонения от дозы*;
• - данные, необходимые для определения постоянной отжига (массивы значений Т и U (прил. 1));*
• - данные, учитывающие влияние мощности (массив значений W (прил. 2));*
• - данные, учитывающие не аддитивность процессов естественного старения и облучения (массив значений R (прил. 3));*
• - данные необходимые для определения параметров вывода (графического, символьного, на принтер или монитор).

Примечание: Данные отмеченные * являются необязательными и могут не вводится. В этом случае программа сама производит вычисления и определяет эти значения исходя из имеющейся в ней базе данных.

• 4.1.5. При аппроксимации данных оператор вводит следующее:
  • - фамилия оператора;
  • - тема;
  • - типономинал ИС;
  • - тип технологии;
  • - количество элементов на кристалле;
  • - норма ТУ на соответствующий параметр;
  • - температура эксплуатации ИС;
  • - напряжение питания эксплуатации ИС;
  • - ток потребления эксплуатации ИС;
  • - вид отбраковочных испытаний;
  • - вид воздействия радиации;
  • - мощность воздействия радиации;
  • - параметры аппроксимации, которые аппроксимируют изменение ПКГ от наработки и дозы по значениям ИС с аналогичными технологическими характеристиками и количеством элементов¹;
  • - данные, необходимые для определения параметров вывода (графического, символьного, на принтер или монитор).

Примечание: ¹ Аппроксимация может производиться

• - по одной ИС,
• - по нескольким ИС, выбранных оператором,
• - по всем ИС с аналогичной технологией и степенью интеграции;
• - по всем ИС с аналогичной технологией;
• - по всем ИС, имеющихся в базе данных.

При этом погрешность расчета в зависимости от принятой аппроксимации изменяется.

• 4.2.1. Проведение расчета производится с помощью комплекса программ US_TIGR автоматически.
• 4.2.2. Результаты расчета могут быть представлены в виде символьной информации (массива результатов).
• - изменение среднего значения ПКГ от времени,
• - среднего значения ПКГ + 3 ст от времени;
• - среднего значения ПКГ - 3 ст от времени;
• - кривой стабильности;
• - гистограмм распределения ИС в зависимости от времени.
• 4.2.3. Результаты расчета могут быть представлены в графическом виде.

• 4.3. Анализ результатов расчета
• 4.3.1. На основе информации, полученной в результате расчета, определяется момент времени, при котором ПКГ выходит за норму ТУ, что является ПВО.

Приложения