CC BY
99
УДК 621.372.413
ИНЖЕНЕРНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ЗАВИСИМОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ТЕХНИКИ ПРИ УСКОРЕННЫХ ИСПЫТАНИЯХ
Муза Ивановна Гулькова
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, ведущий инженер, тел. (383)216-05-82
Николай Данилович Калюжный
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, начальник лаборатории, тел. (383)216-05-82
Сергей Юрьевич Калюжный
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, инженер II-й категории, тел. (383)216-05-82
Николай Николаевич Кашун
АО «Научно-исследовательский институт электронных приборов», 630005, Россия, г. Новосибирск, ул. Писарева, 53, старший научный сотрудник, тел. (383)216-05-82
Исследована деградация полупроводниковых приборов и микросхем различного уровня интеграции при проведении испытаний на ускоренное хранение при воздействии повышенной и пониженной температур, влажности, росы и инея. Представлена методика расчета длительности имитационного периода имитирующего один год старения микросхемотехники в реальных условиях эксплуатации.
Ключевые слова: микросхемы, ускоренные испытания.
ENGINEERING METHOD OF THE SEMICONDUCTOR DEVICES PARAMETER CHANGES UNDER ACCELERATION TESTS
Muza I. Gulkova
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., Principle Engineer, tel. (383)216-05-82
Nikolay D. Kalyuzhnyy
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., Head of laboratory, tel. (383)216-05-82
Sergey Y. Kalyuzhnyy
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., 2nd category engineer, tel. (383)216-05-82
Nikolay N. Kashun
Joint-Stock Company «Scientific Research Institute on Electronic Devices», 630005, Russia, Novosibirsk, 53 Pisareva St., Senior associate, tel. (383)216-05-82
The work represents examination of degradation in semiconductor devices and various scale integration circuits during accelerated storage and aging tests under extreme temperatures, humidity, dew point, and frost point. Also the authors discuss the method of calculating time duration of the
simulation period equal to one year of microelectronic circuitry aging under factual operation conditions.
Key words: circuits, accelerated tests.
После вступления России во Всемирную торговую организацию, а также учитывая возросшую конкуренцию со стороны иностранных компаний, разработчики военной и радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) предпочитают применять современную иностранную электронную компонентную базу (ЭКБ), в том числе интегральные микросхемы (ИМС).
Не вдаваясь в подробности причин создавшейся ситуации, подчеркиваю, что применение в военной российской промышленности, включая и космическую технику, западной ЭКБ часто является не только прогрессивным, но и единственно возможным в определенных ситуациях инженерно -техническим решением. После того как принято решение о применение в военной аппаратуре зарубежной ЭКБ, встает вопрос о подтверждении заданных на разрабатываемую военную технику перечня внешних воздействующих факторов (ВВФ) в условиях воздействия, которых разработанная техника должна нормально функционировать.
ВВФ, которым подвергается РЭА военного назначения, определены соответствующим государственным стандартом (ГОСТ), которые входят в перечень обозначенные, как государственные военные стандарты.
Мы основное внимание уделим стандартам, которые определяют надежность разрабатываемой и выпускаемой военной РЭА.
В этих стандартах надежность квалифицируется, как комплексный показатель в который входят:
- безотказность;
- долговечность;
- ремонтопригодность;
- хранение;
Самым длительным испытанием на надежность являются испытания по подтверждению НСС или сроков хранения.
Испытания по подтверждению заданных сроков хранения и НСС проводятся двумя методами:
- хранение в естественных условиях, того климатического пояса, где изделие будет эксплуатироваться;
- хранение ускоренным методом (ускоренные испытания на хранение);
Для проведения расчетов длительности испытаний имитирующего годовой
цикл хранения, как правило, необходимо расчитывать энергетический коэффи-(в )
циент к каждого комплектующего электрорадиоэлемента (ЭРА), на которых собрана электрическая схема любого устройства.
Но так как определение энергетических коэффициентов требует больших экспериментальных исследований, то их определение затруднительно, так как на современную ЭКБ особенно импортного производства, как правило отсутствует
необходимая техническая документация (ТД), по которой можно было бы определить необходимые энергетические коэффициенты, это такие данные, как вероятность отказа как в условиях эксплуатации так и при хранение в определенных условиях. Мы попытались на основании методики расчета энергетической функции по [2], [4], [5] рассчитать энергетические функции ЭКБ для различных поколений.
Ускоренные испытания достигаются форсированием одного или нескольких климатических факторов, приводящих к интенсификации деградационных процессов.
В качестве основных при назначении ускоренных испытаний рассматриваются следующие места хранения:
- отапливаемое хранение;
- неотапливаемое хранение;
- под навесом;
При проведение ускоренных испытаний подвергается набору следующих факторов:
1. Пониженная температура, время воздействия ' ;
2. Повышенная температура, время воздействия ' и~ ;
3. Наличие суточных перепадов температур с учетом климатических районов, время воздействия" ;
4. Влажность, время воздействия';
В соответствии с ГОСТ В 20.57.304-76 продолжительность ускоренных испытаний (т и), имитирующих один год хранения, определяется по формулам:
- при испытаниях имитирующих хранение РЭА в неотапливаемом помещении и под навесом
ти = тпт + ти1 + ти 2 + твл (1)
- при испытаниях имитирующих хранение РЭА в отапливаемом помещении
ти = ти1 + твл (2)
Дли имитации п-летнего срока хранения испытания, имитирующие год хранения, подтверждаются п п раз.
Вопросов о продолжительности ускоренных испытаний на воздействие пониженной температуры, суточных перепадов температур и влажности, заданных в ГОСТ В 20.57.304-76, у нас не возникает.
Основное внимание было уделено продолжительности ускоренных испытаний РЭА на сохранность при воздействии повышенной температуры (т"1 ). До настоящего времени продолжительность ускоренных испытаний при повышенной температуре в соответствии с [1] определялось при одной энергетической функции (Вк ) для всех комплектующих элементов (КИ) 3-го поколения, входящих в РЭА.
Энергетическая функция КИ, характеризует зависимость скорости его старения от температуры и определяется на основании анализа и обобщения опытных данных на сохраняемость комплектующего изделия в условиях эксплуатации и хранения.
В настоящее время с выходом [2], [4], [5], где приведены энергетические функции для наиболее часто применяемых КИ как 3-го, так и 4-5-го поколений, появилась возможность, используя значения энергетических функций, более точно оценивать продолжительность ускоре нных испытаний РЭА, состоящей из различных поколений.
Время ускоренных испытаний при повышенной температуре, за которое изменение (старение) РЭА будет таким же, как изменение за время естественного хранения, зависит от физико-химических свойств КИ, входящих РЭА и определяется по формулам [2], [4], [5]:
t„
и1 К
(3)
где
tuо д (гр \Е' "хр V ] у -хр, ]
ЛхрЧи)]=1
Кр(т) = Е пк Кр ,к(к >= Е пк Кт,к *е
Вк (т 1т т * ¿Л V хр
к=1 к=1
(4)
(5)
я (т >
Интенсивность отказов РЭА хрУ ' (5) в свою очередь зависит от следующих величин:
В (Т )
- - энергетическая функция к-того КИ 3-го поколения в РЭА, зависит
от температуры и определяется по формуле:
Вк (Т) = а0 + а{Т + а2Т 2 + азТ 3 (6)
Коэффициенты а0, а1, а2, а3 определяются по результатам анализа и обобщения экспериментальных данных.
В случаях применения в РЭА КИ 4-5-го поколения в формуле (5) Яхр к (т > изменяется на:
V-к 1 (т )- ^ 1
В Яхр,к (т) = Яхт,кеV 1
где к 1 - энергетическая функция к-того типа КИ 4 и 5 поколения.
А к 1 - функция предэкспонент к-того типа КИ, определяемая на основании анализа и обработки данных по сохраняемости КИ в условиях эксплуатации и испытаний и характеризующая совместно с энергетической функцией В к 1 зависимость скорости старения от температуры.
Характеристики кинетики старения КИ 4-5-го поколения описываются полиномами:
Bkl(T) = Ь0 + Ь{Т + b2T 2 + bзT3 (8)
Ак 1(7) = a 00 + a 01T + a 02 T 2 + a 03T 3 (9)
Рассчитанная по формулам (3)-(9) продолжительность ускоренных испытаний на воздействие повышенной температуры (т"1 ) учитывается в формулах (1) и (2) для расчета суммарной продолжительности ускоренных испытаний имитировавших один год хранения РЭА в заданных климатических условиях.
Используя расчетные значения продолжительности ускоренных испытаний
в
КИ 4-5-го поколений (7), были определены «привед енные» функции пр (так мы её назвали) т.е. функции соответствующие данным условиям хранения. «Приве-
в
денные» функции позволяют использовать формулу (5) заменяя в ней В к на пр для расчета т и 1 как для КИ 3-го так и 4-5-го поколений. Расчеты показали, что продолжительность ускоренных испытаний КИ 4-5-го поколений, рассчитанная для формулы (5) с использованием функции Впр совпадает с ти 1 , рассчитанной для тех же условий хранения (климатическая зона, условия хранения) по фор-
Вк 1(Т ) Ак 1(Т )
муле (7) с использованием к , к .
Для расчёта продолжительности ускоренных испытаний а так же для проведения анализа результатов ускоренных испытаний РЭА, составлены программы и по ним проведены для наиболее часто применяемых КИ расчеты продолжи-тельностей ускоренных испытаний на тепловое старение, имитирующих год хранения под навесом, в неотапливаемом и отапливаемом помещении в различных климатических зонах.
1. По результатам составлены таблицы значений энергетической функции Впр , ти 1 и продолжительности ускоренных испытаний, соответствующих КИ 35 поколений.
2. Построены графики зависимостей ти 1 от функции Впр , соответствующая одному году хранения в различных условиях.
3. Составлены таблицы суммарной продолжительности ускоренных испытаний т и для различных значений функции В при хранении один год в различных условия, аналогично таблицам ГОСТ В 20.57.304-76.
БИБЛИОРГАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. ГОСТ В
2. Методы расчета показателей надежности в режимах хранения. ОСТ В 4Г0.012.241 -84.
3. Климат СССР ГОСТ 16350-80.
4. Ускоренные испытания по сохраняемости при хранении. РМ В 22.31.ХХ-90.
5. Типовые методики испытаний на сохраняемость. РД В 319.01.15 -98.
© М. И. Гулькова, Н. Д. Калюжный, С. Ю. Калюжный, Н. Н. Кашун, 2017
