CC BY
58
УДК 621.391.822
ДИАГНОСТИКА МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИЗМЕРЕНИЯ КРИТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ
М.И. Горлов, А.А. Скоморохов, Д.М. Жуков
В современной технике повсеместно распространено применение микроконтроллеров (МК) в качестве управляющих компонентов. Это обусловливается рядом причин, в числе которых простота разработки и внедрения, дешевизна, относительно низкое энергопотребление, малые габариты и широкий спектр применения. При использовании микроконтроллеров в таких областях, как автомобильная электроника, медицинская техника и пр., встает вопрос об обеспечении надлежащей надежности данных приборов [1].
На сегодняшний день лидирующими методами контроля качества и надежности полупроводниковых изделий являются разрушающие методы, достоверность которых неоднократно доказана. Среди современных диагностических методов самыми актуальными являются неразрушающие методы контроля качества, так как они позволяют, не повреждая кристалл, определить его внутренние свойства. В связи с этим ведется активная работа по поиску альтернативных методов разбраковки полупроводниковых изделий.
В данной статье описан метод диагностического неразрушающего контроля качества микроконтроллеров, основанный на измерении критического напряжения питания. В статье доказывается зависимость минимального рабочего напряжения от дефектности интегральной схемы, которая проявляется в разбросе параметров исходных материалов и нестабильности технологических процессов при производстве полупроводниковой продукции.
Метод ориентирован на разделение микроконтроллеров по надежности на этапе как выходного, так и входного контроля интегральных схем с целью повышения уровня качества электронно-компонентной базы. Метод актуален для устройств, закладываемых в схемы с повышенными требованиями к качеству используемых управляющих компонентов
Ключевые слова: микроконтроллер, управляющее устройство, критическое напряжение питания, качество интегральных схем
Известные методы определения потенциальной надежности или сравнения надежности интегральных схем (ИС), основанные на критическом напряжении питания (КНП), базируются на последовательном снижении напряжения питания с номинального до некоторого минимального значения, при котором ИС сохраняет функционирование [2].
Применение метода КНП для диагностирования микроконтроллеров позволит выявить наиболее чувствительные к низкому напряжению питания конструктивные блоки ядра и периферии, затем на основании полученных данных разделять МК по надежности.
Основная идея данного метода заключается в следующем: МК программируется тестирующей программой нацеленной на диагностирование определенного блока периферии или ядра, затем происходит измерение КНП.
Особый интерес представляет ядро МК - микропроцессор. Исследование микропроцессора представляет собой наиболее сложную задачу. Для реализации исследования потребуется разложить программу микроконтроллера на такты и не подвергать критическому напряжению блок ввода/вывода информации, так как логические уровни «0» и «1» зависимы от напряжения питания.
Горлов Митрофан Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473) 243-76-95
Скоморохов Александр Александрович - ВГТУ, магистр, e-mail: skomorohov.aa@yandex.ru
Жуков Дмитрий Михайлович - ВГТУ, аспирант, e-mail: ddimochka@mail.ru
Объектом исследования был выбран микроконтроллер ATMega8А в силу схожести архитектуры с множеством МК других производителей и распространенности во всех направлениях машиностроения и электроники (обработчики датчиков: термометры, тахометры, тонометры; арифметико-логическое устройства (АЛУ): калькуляторы, вольтметры, часы, схемы управления и прочие устройства).
Для того чтобы осуществить метод КНП для микроконтроллера необходимо изучить его архитектуру. На рис. 1 изображена полная блок-схема всех узлов микроконтроллера ATMega8А.
ВДР7
Рис. 1. Блок-схема ATMega8A [3]
Из данной схемы видно, что ядро состоит из множества неразделимых функциональных блоков. Процессор является исполнителем команд, которые хранятся в блоке флеш-памяти, промежуточные результаты и настройки хранятся в регистрах общего назначения, конечные результаты выводятся из МК блоком ввода/вывода данных.
Надежность микроконтроллера, будет определяться самым подверженным к критическому напряжению блоку. Из вышеперечисленных блоков отдельно от ядра можно исследовать блок ввода/вывода информации, что практически дает нам возможность оценить устойчивость ядра микроконтроллера к КНП.
В исследуемый микроконтроллер загружается вычислительная операция. Согласно данным из технической документации (рис. 2) процессор выполняет ее за один такт тактирующего сигнала, и в течение этого же такта записывает результат в регистр. Последующими тактами из регистра информация выдается на порт ввода/вывода.
Для упрощения исследования эксперимент разделяется на два этапа:
1. Поиск критического напряжения питания для блока ввода/вывода информации. КНП - значение напряжения при котором заведомо известный результат вычисления АЛУ будет искажен. Данный процесс автоматизирован, и менее трудоемок чем второй этап.
2. Поиск КНП для ядра МК. Изучение работы процессора "в обход" блока ввода/вывода информации требует понимания, что происходит в ядре МК при каждом тактирующем импульсе. Такты подаются однократно, процессы обработки внутренних команд и вычисления АЛУ происходят при пониженном напряжении питания, а вывод результата через блок ввода/вывода - при нормальном.
clkcpu
Total Execution Time Register Operands Fetch ALU Operation Execute Result Write Back
Рис. 2. Временная диаграмма вычислительного процесса [3]
Таким образом, методом КНП можно установить, при каком минимальном напряжении питания ядро может корректно функционировать. Произведя исследования на выборке микроконтроллеров можно разделить их по надежности. Для получения большего числа информативных параметров метод КНП проводится при разных температурах (в пределах рабочих температур), например, от плюс 10 до плюс 85°С. На основании данного исследования будет выявлена зависимость влияния температуры на КНП. Данный метод можно рассматривать как разновидность метода "Термо-КНП".
Методика исследования
Для осуществления метода КНП используется схема показанная на рис. 3. Схема содержит все основные узлы технологической оснастки и исследуемого микроконтроллера.
Для исследования методом случайной выборки были отобраны по 1-3 интегральной схеме из трех производственных партий.
Исследованию КНП от температуры (в пределах 10 - 85 °С) подверглись шесть микроконтроллеров ATMega8A (рис. 4), результаты сведены в табл. 1.
Рис. 3. Схематичное представление исследования
Рис. 4. Зависимость КНП от температуры Таблица 1
Результаты измерения КНП
Серия Образец № Измерения КНП
1503 1 Темпер. 11 27.5 71 85
Отказ 2.28 2.14 1.84 1.85
1503 2 Темпер. 10 26.5 70 85
Отказ 2.23 2.1 1.81 1.8
1503 3 Темпер. 11 26.5 70 85
Отказ 2.27 2.13 1.84 1.83
1414 4 Темпер. 10 26.5 70 85
Отказ 2.15 2 1.7 1.6
1431 5 Темпер. 10.5 26.5 70 85
Отказ 2.2 2.06 1.87 1.87
1431 6 Темпер. 9.5 26 68.5 85
Отказ 2.23 2.08 2 1.95
Ср. знач. Темпер. 10.33 26.6 69.9 85.0
Отказ 2.23 2.09 1.84 1.82
За минимально допустимое напряжение питания принято значение, указанное в технической документации на данный микроконтроллер - 4.5 В. Эксперимент показал, что КНП ядра микроконтроллера имеет прослеживаемую зависимость от температуры.
Для систематизации анализа результатов и последующего разделения микроконтроллеров по КНП, используется площадь области на графике с одной стороны ограниченная прямой 4.5 В (соответствующей минимальному рабочему напряжению согласно технической документации), с другой -кривой зависимости КНП от температуры окружающей среды в пределах от 10 до 85°С (рис. 5).
Данная площадь количественно выражает стойкость микроконтроллера к понижению питающего напряжения в диапазоне температур
Рис. 5. Пояснение к расчету информативной площади КНП от температуры окружающей среды
от 10 до 85°С. В общем случае можно выделить следующую закономерность:
1. У основной массы микроконтроллеров площадь имеет значение близкое к среднестатистическому значению по всей выборке.
2. У менее стойких микроконтроллеров информативная площадь будет в диапазоне от нуля (так как будет стремиться к номинальному значению, заявленному в технической документации) до среднестатистического значения.
3. У более стойких микроконтроллеров информативная площадь будет выше среднестатистического значения.
Примечание: кривая зависимости КНП от температуры окружающей среды не должна пересекать прямую 4.5 В, так как минимальное напряжение питания не может быть выше, чем заявленное в
технической документации, такие микросхемы отбраковываются на производстве.
В последующем значение информативной площади будет связано с качеством технологических процессов при изготовлении микросхем и дефектностью структуры ИС.
Результаты исследования
Таблица 2
Разделение образцов по информативной
Номер образца Информативная площадь КНП Серия
4 198.04 1414
2 189.66 1503
ср. знач. 188.25 -
5 187.64 1431
3 185.03 1503
6 184.91 1431
1 184.14 1503
Из табл. 2 видно, что КНП внутри одной серии микросхем может изменяться (серия 1503), что свидетельствует о колебаниях параметров технологических процессов при изготовлении полупроводниковых материалов и технологических процессов изготовления ИС. Дефектность в данных структурах не одинакова [4].
Чтобы доказать зависимость КНП от дефектности структуры, воспользуемся внешним дестаби-
Влияние дефектности
лизирующим фактором, таким как электростатический разряд (ЭСР). При воздействии ЭСР к исследуемым ИС будет возрастать дефектность кристаллов и, как следствие, будет происходить изменение КНП.
В табл. 3 отражена зависимость значения КНП у образцов от воздействия дестабилизирующего фактора ЭСР.
Образцы подверглись электростатическим разрядам величиной 12 кВ по модели тела человека через контакты питания (Vss) и земли ^М). Через каждые 50 разрядов измерялся уровень КНП. За отказ микроконтроллера принята величина КНП, при которой наблюдалось нарушение очередности выполнения команд, происходил сбой в вычислениях АЛУ или микроконтроллер полностью отключался.
Воздействие ЭСР повреждает информацию записанную во Flash-память микроконтроллера, поэтому в ходе проведения эксперимента потребовалась периодическая перезапись программы микроконтроллеров, после чего эксперимент продолжался.
По данным табл. 3 прослеживается зависимость количества внесенных дефектов на изменение КНП. Образцы под номером 1, 3 и 6 после 250 ЭСР величиной 12 кВ достигли уровня КНП большего, чем допускается технической документацией на данный микроконтроллер (больше 4.5 В), в то время как образцы под номером 2,4 и 5 не достигли критического уровня КНП, т.к изначально обладали меньшей дефектностью.
В последующем будет проведен отжиг микроконтроллеров, что приведет к частичной релаксации дефектов полученных в результате воздействий ЭСР. При повторном измерении КНП ожидается восстановление величины минимального питающего напряжения до состояния предшествующего воздействиям ЭСР, что еще раз подтвердит зависимость КНП от дефектности структуры.
Таблица 3
алла на уровень КНП
^^^^^^ Кол-во ЭСР (12 кВ) 1 Величина КНП „„"„■„■■■■■^^ 0 50 100 150 200 250
Образец № 1 2.16 2.65 3.11 3.6 4.12 4.61
Образец №2 2.11 2.58 3.05 3.52 4.02 4.46
Образец №3 2.14 2.61 3.1 3.6 4.1 4.59
Образец №4 2.01 2.45 2.93 3.41 3.89 4.36
Образец №5 2.07 2.55 3.03 3.53 4.01 4.49
Образец №6 2.09 2.57 3.06 3.58 4.06 4.54
Выводы
При осуществлении выходного контроля качества ИС на заводе изготовителе и входного контроля потребителем, микроконтроллеры с уровнем КНП равным 2.5 вольта и микроконтроллеры с уровнем КНП равным 4.49 вольт считаются одинаково годными, об этом заявлено в технической документации, но по уровню КНП можно провести дополнительную оценку качества и выделить группы образцов повышенной надежности, а также отследить нарушение технологических процессов при изготовлении ИС, если тенденция кривизны информативной площади КНП выпускаемых микросхем будет значительно отличаться от среднестатистического значения.
Таким образом, уровень КНП может являться информативным параметром при анализе качества микроконтроллеров и его ядра.
Литература
1. Лебедева Е.М. Методы обеспечения высокой надежности устройств на микроконтроллерах/ Е.М. Лебедева, О.Б. Лебедев, Е.С. Мезга// Информатика, вычислительная техника и инженерное образование. 2014. - № 3
2. Горлов М.И. Современные диагностические методы контроля качества и надежности полупроводниковых изделий / М.И. Горлов, В.А. Сергеев. - Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2014. - С. 406.
3. Общие ресурсы по технической документации на микроконтроллеры Atmel. URL: http://www.atmel.com/Images/Atmel-2486-8-bit-AVR-microcontroller-ATmega8_L_datasheet.pdf
4. Метод отбраковки потенциально ненадежных изделий по значению критического напряжения функционирования/ М.И. Горлов, В.Т. Грищенко, В.И. Бойко, В.Н. Микрюков // Проблемы качества и надежности электронной техники, радиоэлектронной аппаратуры и средств управления: тез. докл. науч.-техн. конф. - Минск, 1988. -С. 19-20.
Воронежский государственный технический университет
DIAGNOSTICS OF MICROCONTROLLERS ACCORDING TO THE RESULTS OF MEASUREMENT OF CRITICAL SUPPLY VOLTAGE M.I. Gorlov1, A.A. Skomorokhov2, D.M. Zhukov3
'Full Doctor, Professor, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation
tel. 8(473) 243-76-95 2MA, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: skomorohov.aa@yandex.ru 3Graduate Student, Voronezh State Technical University, Voronezh, Russian Federation e-mail: ddimochka@mail.ru
In modern technology, the use of microcontrollers (MCs) as control components is ubiquitous. This is due to a number of reasons, including simplicity of development and implementation, cheapness, relatively low power consumption, small dimensions and a wide range of applications. When using microcontrollers in such areas as automotive electronics, medical equipment, etc., the question arises of ensuring the proper reliability of these devices.
To date, the leading methods of quality and reliability control of semiconductor products are destructive methods, the validity of which has been repeatedly proven. Among modern diagnostic methods, the most relevant are non-destructive methods of quality control, since they allow not to damage the crystal to determine its internal properties. In this connection, active work is being done to find alternative methods for sorting semiconductor products.
This article describes a method for diagnostic nondestructive quality control of microcontrollers, based on measuring the critical supply voltage. The article proves the dependence of the minimum working voltage on the defectiveness of the integrated circuit, which shows itself in the spread of the parameters of the initial materials and the instability of technological processes in manufacture of semiconductor products.
The method is focused on division of microcontrollers according to the reliability at the stage of both output and input control of integrated circuits in order to improve the quality of the electronic component base. The method is relevant for devices placed in circuits with increased requirements to the quality of the used control components
Key words: microcontroller, control device, critical supply voltage, quality of integrated circuits
References
1. Lebedeva E. M., Lebedev O. B., Mezga E. S. "Methods of support of high reliability of devices with microcontrollers" ("Metody obespecheniya vysokoy nadezhnosti ustroystv na mikrokontrollerakh"), Informatics, ADP equipment and engineering education (Informatika, vychislitel'naya tekhnika i inzhenernoe obrazovanie), 2014, no. 3
2. Gorlov M.I., Sergeev V.A. "The modern diagnostic methods of quality and reliabilities control of semiconductor products" ("Sovremennye diagnosticheskie metody kontrolya kachestva i nadyezhnosti poluprovodnikovykh izdeliy"), Ul'yanovsk, UlSTU Publ., 2014, 406 p.
3. "The general resources according to technical documentation for Atmel microcontrollers" ("Obshchie resursy po tekhnich-eskoy dokumentatsii na mikrokontrollery Atmel"), available at: http://www.atmel.com/Images/Atmel-2486-8-bit-AVR-microcontroller-ATmega8_L_datasheet.pdf
4. Gorlov M.I., Grishchenko V.T., Boyko V.I., Mikryukov V.N. "Method of rejection of potentially unreliable products on value of critical tension of functioning" ("Metod otbrakovki potencial'no nenadezhnykh izdeliy po znacheniyu kriticheskogo naprya-zheniya funktsionirovaniya"), Proc. of technical Sientific Conference "Problems of quality and reliability of the electronic equipment, radio-electronic equipment and control facilities " (Tez.dokl. nauch.-tehn. konf. "Problemy kachestva i nadezhnosti jelektron-noj tehniki, radiojelektronnoj apparatury i sredstv upravlenija"), Minsk, 1988, pp. 19-20.
