CC BY
37
ISSN 222Б-3780
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
J
Кравченко О. В.
УДК 004.942
DOI: 10.15587/2312-8372.2015.37697
прогнозування над1йност1 дискретних пристро1в на основ1 моделювання процесу деградацп матер1алу
В статтг проведено дослгдження причин деградацп мгкросхем, що виготовленг з напгвпровгд-никгв для забезпечення надшностг дискретних пристрогв комп'ютерних систем. Описано алгоритм прогнозування надшностг дискретних пристрогв та наведено структуру гнтелектуальног пгдсистеми прогнозування надшностг дискретних пристрогв.
Клпчов1 слова: надшнгсть, деградацгя, дискретний пристрш, композитний матергал, алгоритм, прогнозування.
1. Вступ
Ввдмова в робот мжросхеми може бути визвана як програмними помилками, так i фiзичними проце-сами [1, 2]. Мжросхема, з часом може «деградувати», особливо на завищених частотах i напругах. Шд по-няттям «деградацiя» мжросхеми розумiють вiдмову мiкросхеми з причини нестабшьносп зарядiв: вплив статично! електрики, м^ращя електронiв через високу провщшсть оксидiв, тунельний ефект i т. ш. Фiзичнi властивостi матерiалiв мжросхеми та технологи 11 ви-робництва з великою ймовiрнiстю визначають 11 на-дiйнiсть [3]. Недосконалiсть технологи призводить до збшьшення одних вщмов в порiвняннi з iншими. Тому, недосконалкть виробництва мiкросхем створюе симе-тричний канал виникнення помилок: тобто, при однш технологи виробництва мжросхем вiдмов, що визива-ються обривом бшьше, нiж вiдмов, визваних коротким замиканням, а при шшш технологи виробництва бачимо вщмшний вiд описаного результат.
Поняття надшносп дискретних пристро!в комп'ютерних систем вимагае як застосування iснуючих методiв дослiджень, так i розробки нових з можливктю прогнозування поведiнки матерiалiв виробництва мжросхем.
Попередне прогнозування поведiнки матерiалiв дискретних пристро!в комп'ютерних систем дозволить ощ-нювати надiйнiсть кнуючих або мати апрiорнi вимоги до розроблюваних пристро1в.
2. Анал1з л1тературних даних та постановка проблеми
Досить часто явище деградацп мжросхем, що виготов-ленi з натвпровщниюв, пов'язують з процесом дифузп: масопереносом частин матерiалу напiвпровiдника (на його поверхш, по межах роздшу фаз i в контактах). Саме цей процес, який може прискорюватися залежно вщ наявностi дислокацiй, внутршшх механiчних на-пруг i таких зовшшшх факторiв, як тиск, температура, електричне поле, радiацiя та ш., обумовлюе деградацiю електричних характеристик приладу, повзучшть, старш-ня, корозiю матерiалiв напiвпровiдниковоi структури та контактiв.
Специфжа механiзмiв деградацп найбiльш чiтко проявляеться в залежност вiд методу створення ви-прямлення контакту. Так, експериментальш дослщжен-ня дiодiв з бар'ером Шоттю на основi арсенiду галш i кремнiю в рiзних режимах роботи показали [4], що основним фiзичним процесом, що обумовлюе дегра-дащю параметрiв, е iнтердифузiя на межах роздшу метал-напiвпровiдник i метал-метал. Взаемна дифузiя призводить до утворення iнтерметалевих з'еднань на межi метал-натвпровщник i до генерацп глибоких центрiв в областi просторового заряду [5], попршення про-бивно'1 напруги бар'еру Шоттю [6-8].
Для дiодiв з бар'ером Шоттки поряд iз взаемною дифузiею компонентiв важливим механiзмом деградацп е релаксащя внутрiшнiх механiчних напруг.
Вплив пластично! деформацп на характеристики на-пiвпровiдникових приладiв обумовлено неоднорщною змп ною концентрацп носпв, 1х часу життя та iнших власти-востей матерiалу, з якого виготовлений прилад. Кореляцiя надлишкових зворотних струмiв напiвпровiдникових дiодiв з щiльнiстю дислокацш в базi вiдзначаеться в робоп [6]. Пов'язанi з дислокацiями генерацшно-рекомбшацшш центри, змiни зонно! структури натвпровщника, обумов-ленi деформацiйним полем дислокацш, можуть проявитися в появi тунельних струмiв. Авторами роботи [9] показано, що вельми ефективно здшснюеться генерацiя дислокацiй в процесi термокомпресп внаслщок градiента температур та локально! пластично! деформацп. Тому, при розробщ методу прогнозування надшносп дискретного пристрою необхщно враховувати як технологiю виробництва детали так i властивостi матерiалу.
3. 06'ект, мета та задач1 дослщження
Об'ект дослгдження — матерiали дискретних при-стро!в комп'ютерних систем.
Метою проведення дослгдження е аналiз причин деградацп мжросхем, що виготовлеш з натвпроввдни-кiв та забезпечення надшносп дискретних пристро!в комп'ютерних систем.
Для досягнення поставлено! мети необхщно:
1) виконати аналiз причин деградацп мiкросхем;
2) виконати класифжащю методiв оцiнки надшностц
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 1/2(21], 2015, © Кравченко О. В.
3) описати модель прогнозування надшносп дис-кретних пристро!в.
4. Класифжащя методов оцшки наддйносп сучасних дискретних пристроив
Враховуючи технологiчнi складностi у вiдновленнi лопчних елементiв при виникненнi дефектiв, особливе мкце займае задача тестування та ремонту елеменпв дискретних пристро!в комп'ютерних систем. За [10] iснуе два основних ршення дано! задачi:
— дублювання логiчних елементiв або областей крис-талiв, що призводить до подвоення апаратно! реалiзацii функцiональностi;
— використання генетичних алгоритмiв для дiа-гностування та вiдновлення працездатностi на основi автономно! конфiгурацi'i FPGA без використання зовшшшх пристро!в управлiння. 1дея ремонту циф-рово! структури призводить до виключення мiсця дефекту при повторному використанш процедури Place and Route тсля встановлення дiагнозу.
За технолопею дiагностування блокiв FPGA в кристал мшросхеми мае вбудовуватися шфраструктура граничного сканування, що мае розв'язувати задачi сервiсного об-слуговування SIP-функцiонування. За цiею технологiею наведено модель процесу дiагностування F-IP (рис. 1).
рис. 1. Модель процесу дiагн□стування F-IP [10]
Розв'язання задачi дiагностування можна проводити засобами алгебро- та векторно-лопчним методами. Даний математичний апарат дозволяе виконати дiагностування дефектних компоненпв на основi використання таблиц несправностей.
5. Алгоритм прогнозування надайност дискретних пристроив
Якщо залишити осторонь мжроелектрошку, то най-масовiшими нанопродуктами виявляються рiзного роду сплави, покриття та композитш матерiали, якi набувають особливих властивостей завдяки свош мiкроструктурi. Аморфт i нанодисперснi стани багатьох металiв кардинально вiдрiзняються за сво!ми характеристиками вiд 1х кристалiчних форм. При цьому в одному матерiалi школи вдаеться поеднати вкрай суперечливi механiчнi властивостi: одночасно збiльшити твердкть i пластич-нiсть. Це розширюе перспективи застосування рiзного роду композипв, коли у вiдносно м'яку, наприклад, хромову, матрицю вводиться вкрай твердий матерiал карбiд вольфраму. В цьому випадку виходить вам давно вщомий твердий сплав победи. Однак, якщо твстолггтя тому його робили, використовуючи частинки карбщу розмiром з десятки мжрон, то сьогоднi використовують порошки розмiром iстотно менше мжрона. Завдяки цьому вiн не тшьки стае твердiшим, але i бшьш гладко рiже сталь.
Всi матерiали, що застосовуються при створеннi ш-тегральних мiкросхем, повиннi бути сумшними один з одним, щоб не приводити до окислення або паразитно! дифузп з одного матерiалу в шший. Одним з найкра-щих матерiалiв у виробництвi мiкросхем став алюмь нiй. Його легко наносити на поверхню кремнiю або двоокису кремшю, бо вiн з ними не взаемодiе. Тому технологiя виробництва мжросхем ще недавно базу-валася на перемшуванш плiвок з алюмшю з iншими матерiалами. Але основним недолжом алюмiнiю е його мала електропровщшсть.
Дослiдники з Массачусетського шституту вивели унiверсальний закон (формулу), який пов'язуе воедино надпроввдш властивостi матерiалу, його температуру i габаритнi розмiри (товщину) для пояснення теорп надпроввдносп [11].
В результатi експерименту з тонкими плiвками нiобiю та шших матерiалiв вони виявили, що практично до вих надпровiдникiв можна застосувати одну ушверсальну формулу: що товщина надпровiдника (D), помножена на критичну температуру (Тс), при якш виявляються надпроввдш властивосп, i подiлена на електричний отр матерiалу ^с) становить деяку константу. Це значення ушкальне для кожного матерiалу i знаючи його можна обчислити вс необхiднi величини при проектуванш електронних пристро!в. Наприклад, якщо ввдомий сам надпровiдник, то ввдома його критична температура i отр. Значить можна легко знайти товщину матерь алу, при якш максимально будуть проявлятися його надпроввдш властивост [11].
Алгоритм прогнозування надшносп дискретних при-стро!в будемо будувати на основi моделi композитних матерiалiв [3], що ввдображае поведiнку матерiалу дискретного пристрою з врахуванням завершених фiзичних процесiв в самому матерiалi. Збо! в роботi приладу за рахунок неправильного проходження струму в п-р-п переходах викликатиме ввдмови в робот пристро!в та зменшуватиме !х надiйнiсть.
Функцiя надiйностi дискретних пристро!в S залежить вiд значення надшносп пристрою Si, надане виробником, константа надпроввдносп кристалiв пристрою р, функцп характеристики матерiалiв пристрою и та часу ввдповда пристрою на тестове завдання — t. Вс вищезазначенi параметри е нечiткими.
Sl=f(Sl, р, и, t). (1)
Значення функцп и е усередненою за значеннями ип ( х, у) рiвняння (2):
ип (х, у) = ^агфг (х, у),
(2)
де коефщенти ai знаходяться i3 системи piBMHb виду:
[un,Фi] = (/,Фi)+J gфidw, i = 1, N,
(6)
де N — число, яке означатиме кшьюсть вершин трикутни-юв триангуляцп для варiацiйно-рiзницевого методу, dW — границя област W, g, w — функцп з простору розв'язкiв задачi W22(W). Базиснi функцп ф, (x,y) автор дано! робо-ти побудував за рис. 1 роботи [3], причому ф^ (x, у) = ф^ ( x), де x = (хц, Х2 j).
С
58
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 1/2(21], 2015
ISSN 222Б-3780
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
J
Алгоритм прогнозування надшност! дискретних при-стро'в зображено за допомогою схеми на рис. 2.
Рис. 2. Алгоритм прагназування надшносп дискретних пристра'1'в
За даним алгоритмом зображено структуру штелек-туально' пiдсистеми прогнозування надiйностi дискретних пристро'в (рис. 3).
Рис. 3. Структура штелектуальнт тдсистеми прогнозування надшносп дискретних пристро'1'в
База знань та банк тестових завдань наповнюються за рахунок значень функщя надшност! дискретних при-стро'в S та 11 складових. Прогноз надiйностi пристрою формуеться блоком прийняття рiшень та паралельно можлива команда «Процедура Place and Route», яка дозволить виправити иесправносл.
6. Висновки
Вщповщно до поставлено'! мети нами було проведено дослщження причин деградацп мжросхем, що виготов-ленi з напiвпровiдникiв для забезпечення надшност! дискретних пристро'в комп'ютерних систем.
В процесi дослiдження:
1) виконано аналiз причин деградацп мшросхем;
2) проведено класифiкацiю методiв ощнки надiйностi;
3) описано алгоритм прогнозування надшност! дискретних пристро'в;
4) наведено структуру штелектуально' пiдсистеми прогнозування надшност! дискретних пристро'в.
Проблема прогнозування надшност дискретних пристро'в пов'язуеться з проблемою створення мате-рiалiв з наперед заданими властивостями: мщшстю, пластичшстю, стiйкiстю до високих та низьких температур, електропроввдшстю, що вимагае створення композитних матерiалiв. Композити при вдалому тех-нологiчному створеннi можуть витримувати високий тиск та рiзкi перепади температур. Але для створених матерiалiв постае питання про поводження рiзних компонент композитно'1 системи при рiзних мехашчних на-вантаженнях. Тому в подальшому необхiдно проводити дослщження фiзичноi складово'1 дискретних пристро'в для бiльш точного прогнозування поведшки матерiалiв, що допоможе уникнути певних причин деградацп.
Лггература
1. Готра, З. Ю. Контроль качества и надежность микросхем [Текст]: учеб. пособие / З. Ю. Готра, И. М. Николаев. — М.: Радио и связь, 1978. — 168 с.
2. Погребинский, С. Б. Проектирование и надежность многопроцессорных ЭВМ [Текст] / С. Б. Погребинский, В. П. Стрельников. — М.: Радио и связь, 1988. — 165 с.
3. Златкш, А. А. Анал1з причин деградацп матер1ал1в дискретних пристро'в комп'ютерних систем [Текст] / А. А. Златкш, О. В. Кравченко, О. С. Вовчановський // Технолопчний аудит та резерви виробництва. — 2014. — № 5/3(19). — С. 37-41. doi:10.15587/2312-8372.2014.27934
4. Конакова, Р. В. Прогнозирование надежности полупроводниковых лавинных диодов [Текст] / Р. В. Конакова, П. Кордош, Ю. А. Тхорик и др. — Киев: Наука думка, 1986. — 168 с.
5. Орешкин, П. Т. Барьерный слой как резонатор при поверхностно-барьерной неустойчивости [Текст] / П. Т. Орешкин, С. В. Рыжков // ФТП. —1984. — Т. 18, № 6. — С. 1102-1105.
6. Baliga, B. J. Breakdown stability of gold, aluminum, and tungsten Schottky barriers on gallium arsenide [Text] / B. J. Baliga, R. Ehle, A. Sears, P. Campbell, W. Garwacki, W. Katz // IEEE Electron Device Letters. — 1982. — Vol. 3, № 7. — P. 177-179. doi:10.1109/edl.1982.25528
7. Dumas, J. M. Long term degradation of GaAs power MESFET's induced by surface effects [Text] / J. M. Dumas, J. Paugam, C. Le Mouellic, J. Y. Boulaire // 21th Ann. Proc. Reliab. Phys. — Phoenix, Arizona, 1983. — P. 226-228.
8. Пирогов, Ю. А. Повреждения интегральных микросхем в полях радиоизлучения [Электронный ресурс] / Ю. А. Пирогов, А. В. Солодов // Журнал радиоэлектроники. — 2013. — № 6. — Режим доступа: \www/ULR: http://jre.cplire.ru/alt/ jun13/15/text.html#14
9. Акулова, Г. В. Исследование дефектов в арсениде галлия, вводимых при термокомпрессии [Текст] / Г. В. Акулова, Т. А. Корнилова // Электронная техника. Сер. 3. Микроэлектроника. — 1980. — Вып. 1. — С. 61-64.
10. Хаханов, В. И. Сервисное обслуживание современных цифровых систем на кристаллах [Текст] / В. И. Хаханов, Е. И. Литвинова, Christopher Umerah Ngene // Радюелектронш i комп'ютер-ш системи. — 2009. — № 7. — С. 319-323. — Режим доступу: \www/ULR: http://nbuv.gov.ua/j-pdf/recs_2009_7_59.pdf
11. Massachusetts Institute of Technology [Electronic resource]. — Available at: \www/URL: http://newsoffice.mit.edu/
TECHNOLOGY AUDiT AND PRODUCTiON RESERVES — № 1/2(21], 2015
прогнозирование надежности дискретных устройств на основе моделирования процесса деградации материала
В статье проведено исследование причин деградации микросхем, изготовленных из полупроводников для обеспечения надежности дискретных устройств компьютерных систем и описан алгоритм прогнозирования надежности дискретных устройств со структурой интеллектуальной подсистемы прогнозирования надежности дискретных устройств.
Ключевые слова: надежность, деградация, дискретное устройство, композитный материал, алгоритм, прогнозирование.
Кравченко Ольга Ыталивна, старший викладач, кафедра тформацшних технологш проектування, Черкаський державний технологiчний утверситет, Украта, е-mail: kravchenko ov@ukr.net.
Кравченко Ольга Витальевна, старший преподаватель, кафедра информационных технологий проектирования, Черкасский государственный технологический университет, Украина.
Kravchenko Olga, Cherkasy State Technological University, Ukraine, e-mail: kravchenko ov@ukr.net
УДК 621.396.6 001: 10.15587/2312-8372.2015.37703
гнатовская а. а. повышение жизнеспособности
теплонагруженных матричных приемников
Проанализирован подход повышения жизнеспособности матричного теплонагруженного приемника излучения, основанный на зависимости откликов элементов матрицы и его окружения, что позволяет обеспечить корректную реакцию системы управления при выходе из строя части элементов восприятия входной информации. Разработаны модельные средства, обеспечивающие визуальное представление результатов.
Ключевые слова: работоспособность, надежность, теплонагруженные элементы, сигнал, интерполяция.
1. Введение
При передаче интенсивного лазерного излучения на расстояние по атмосферному каналу пространственное распределение пучка подвергается изменениям. Волновой фронт излучаемой волны обычно представляется сферической поверхностью, направление распространения которой совпадает с осью г. Распространение излучения низкой интенсивности в вакууме описывается следующим образом [1]:
A'( х', y', z' = 0) = A exp
x '2+y'2 l1 _ >02
2öq
R
(1)
где А0 — максимальная амплитуда волны, аi — полуширина пучка, k = 2л/Х — волновое число, X — длина волны, R — радиус кривизны волнового фронта.
При рассмотрении монохроматических волн в турбулентной среде с мгновенным значением напряженности электрического поля Е(р, t ) ехр( 1Ш ), где р = {г, г} = {х, у, г}, полагают, что длина волны X существенно меньше характерного пространственного масштаба турбулентности, а временные изменения флуктуаций диэлектрической проницаемости среды е(р, t ) достаточно медленные, для оптически однородной среды, учитывающей турбулентное возмущение, выражение (1) принимает вид [2]:
ik
A(r,z) = — J Ao(ro) exp
ik |2
—|r _ ro I +ц(г, ro, z)
d2r , (2)
где ц(г, r0, z) — набег фазы.
Из приведенных выражений следует, что качество восприятия изображения объекта как при отсутствии канала передачи, а тем более при его наличии, существенно зависят от расстояния для объекта и свойств канала. Действительно, при гауссовом излучателе и достаточно удаленном объекте при отсутствии искажений в канале на объект падает плоская волна с равномерной амплитудой по всей поверхности объекта. В случае фазовых искажений волнового фронта распределение интенсивности на объекте неоднородно, что приводит к искаженному восприятию изображения объекта.
Промышленное применение лазеров требует различных плотностей мощностей лазерного излучения и его пространственного распределения (резка материала, закаливание металла, шлифовка и т. п.) [3], поэтому управление лазерным пучком является необходимой функцией [4], а создание надежных средств управления является актуальной задачей [5], способствующей расширению функциональных возможностей и качества лазерной обработки.
2. Анализ литературных данных и постановка проблемы
Создание систем управления интенсивным лазерным излучением связано с анализом пространственного распределения интенсивности пучка. Для контроля состояния фокусировки или расфокусировки пучка [6] используют матричные приемники излучения, построенные на термопарах, металлических терморезисторах или пироэлектрических приемниках излучения [7, 8]. Поскольку целевым назначением технологических лазерных систем является резка материалов, в том числе
С
60
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ АУДИТ И РЕЗЕРВЫ ПРОИЗВОДСТВА — № 1/2(21], 2015, © Гнатовская А. А.
