CC BY
32УДК 621.38
Рациональный состав испытаний электронной компонентной базы на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц
А.С. Тарараксин, А.В. Яненко Институт экстремальной прикладной электроники НИЯУ МИФИ
А.И. Чумаков
ОАО «ЭНПО «Специализированные электронные системы» (г.Москва)
Представлены основные применяемые в настоящее время методы и средства испытаний электронной компонентной базы на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц по одиночным эффектам. Рассмотрены ограничения применимости этих методов и средств. Даны рекомендации по выбору состава и последовательности испытаний с учетом этих ограничений.
Ключевые слова: одиночные эффекты, отдельные ядерные частицы, лазерный имитатор, ускоритель ионов, ускоритель протонов, методы и средства испытаний.
Испытания изделий электронной компонентной базы (интегральные микросхемы, высоковольтные полевые транзисторы, микросборки и др.) на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц (ОЯЧ) по одиночным эффектам проводят с целью определения их показателей стойкости (вероятности или частоты сбоев или отказов) или подтверждения требований по стойкости к воздействию ОЯЧ в соответствии с моделью внешних воздействующих факторов для конкретных условий применения.
Основной задачей при проведении испытаний является получение параметров чувствительности изделий к воздействию ОЯЧ, под которыми обычно понимают пороговые линейные потери энергии (ЛПЭ) тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) или пороговые энергии высокоэнергетичных протонов (ВЭП) для определенных одиночных эффектов и сечения насыщений [1, 2].
Разработчиков радиоэлектронной аппаратуры интересуют эффекты отказов (тири-сторный эффект, прокол диэлектрика и вторичный пробой в мощных полевых транзисторах и др.) и связанные с ними электрические параметры изделия. Это важно для принятия мер по парированию последствий от проявления эффекта отказов, в частности сохранение работоспособности после выдержки изделия в состоянии тиристорного эффекта (ТЭ) заданное время, оценка вероятных значений токов потребления в состоянии ТЭ, напряжения срыва ТЭ, вольт-амперной характеристики изделия в состоянии ТЭ и др.
Выбор конкретных целей и задач испытаний определяет объем информации об изделии, который необходимо получить в ходе их проведения, влияет на рациональный состав испытаний (выбор методов, технических средств, объемов). Рациональный состав испытаний изделий на стойкость ОЯЧ определяется также их конструктивными особенностями, доступностью и возможностями испытательных установок, установленными сроками испытаний. Средства испытаний изделий на стойкость к воздействию ОЯЧ по одиночным эффектам - это моделирующие установки: ускорители протонов (синхроциклотрон ПИЯФ в г. Гатчине, синхротрон ИТЭФ в г. Москве) и ионов (У-400 и У-400М в ОИЯИ в г. Дубне), имитаторы на основе сфокусированного лазерного
© А.С. Тарараксин, А.В. Яненко, А.И. Чумаков, 2012
излучения (Радон-9Ф, ПИКО-3, ПИКО-4 в НИЯУ МИФИ, ОАО «ЭНПО СПЭЛС», г. Москва). Методы испытаний с использованием этих средств стандартизованы [3].
Испытательные установки имеют преимущества и ограничения. Например, ускорители ионов и протонов подразумевают воздействие непосредственно частицами, а имитаторы позволяют многократно повышать информативность испытаний, так как испытания проводятся в лабораторных условиях, без больших электромагнитных помех, жестких ограничений по времени и объему испытаний. Поэтому комплекс достоверных данных в большинстве случаев возможно получить только в сочетании установок [4].
Влияние целей и задач испытаний на выбор рационального состава. Объем поставленных задач определяет выбор необходимых методов и средств испытаний (таблица). Важное значение имеет вид испытаний по ГОСТу 16504. В рамках определительных испытаний необходимо получить не только значения параметров чувствительности изделия, но и дополнительные данные, характеризующие поведение изделия при ТЭ или одиночных сбоях от ОЯЧ (например, зависимость сечения одиночных эффектов от значения ЛПЭ) (рис.1).
Одиночные эффекты при воздействии ВЭП в изделиях становятся вероятны при значениях пороговых ЛПЭ ТЗЧ менее 14 МэВсм /мг. В этом случае для повышения достоверности определения параметров чувствительности изделия к этим эффектам рекомендуется проводить испытания на ускорителях протонов при различных энергиях протонов или в минимальном объеме при энергиях протонов около или более 200 МэВ для определения сечения насыщения.
Влияние целей и задач испытаний на состав рекомендуемых испытательных установок
Типовые цели испытаний Типовые задачи испытаний Набор рекомендуемых испытательных установок1
Квалификационные испытания с требованиями по пороговому значению ЛПЭ Наличие или отсутствие факта возникновения эффекта Ускоритель ионов или лазерный имитатор
Квалификационные испытания с получением дополнительной информации Оценка порогового значения ЛПЭ; дополнительно: определение сохранения работоспособности изделия при выдержке в состоянии ТЭ в течение заданного времени Ускоритель ионов совместно с лазерным имитатором2 или ускоритель протонов и, при необходимости, ускоритель ионов3
Определительные испытания для оценки показателей стойкости Получение параметров чувствительности (зависимость сечения одиночного эффекта от ЛПЭ ТЗЧ) и дополнительных данных изделий об их радиационном поведении Ускоритель ионов совместно с лазерным имитато-ром2 и, при необходимости, ускоритель протонов
Определительные испытания для уточнения стойкости изделий Получение статических и динамических электрических характеристик эффекта, исследования влияния режима, условий эксплуатации и т.п. Лазерный имитатор
1 Без учета ограничений, обусловленных конструкцией изделия.
2 В технически обоснованных случаях допускается применение только лазерного имитатора.
3 Применение только ускорителя протонов рекомендуется при пороговых значениях ЛПЭ не более 10 МэВсм2/мг.
Рекомендация применения лазерных имитаторов на первой стадии испытаний обусловлена сеансовостью работы ускорителей ионов и протонов. Для квалификационных испытаний на подтверждение уровня стойкости лазерные имитаторы могут в большинстве случаев дать ответ о соответствии требованиям, если изделия имеют низкий или высокий (с запасом) уровень стойкости. Кроме того, лазерные имитаторы имеют неоспоримое преимущество для решения задач по получению дополнительных данных о свойствах изделия в части одиночных эффектов, например сохранение работоспособности в состоянии ТЭ, определение времени выдержки в состоянии ТЭ, не приводящее к катастрофическому отказу, исследование влияния режима работы на параметры чувствительности, получение карты чувствительных к ТЭ зон на кристалле (рис.2).
Рис.2. Фотография кристалла ИС 1С_Мр (преобразователь угол-код, ф.ГС-ИЛШ). Знаком «+» отмечены области, чувствительные к ТЭ, определенные в результате сканирования лазерным имитатором с диаметром оптического пятна 20 мкм
Некоторые дополнительные данные, например гистограмму амплитуд токов тиристор-ного эффекта (рис.3), можно получать и на лазерных имитаторах, и на моделирующих установках. С учетом известных ограничений лазерных методов второй способ является более предпочтительным. Для квалификационных испытаний может оказаться предпочтительным использование на первом этапе ускорителя протонов, особенно если изделие имеет сложное конструкционное исполнение. Преимущества ускорителя протонов заключаются в высокой проникающей способности протонов с энергиями 200-1000 МэВ, что позволяет облучать изделия в атмосфере с возможностью оперативного изменения, например, температуры окружающей среды [5]. Ускорители протонов позволяют оценить параметры чувствительности при воздействии ВЭП, а также дать консервативную оценку по стойкости к воздействию ТЗЧ, так как продукты ядерных реакций, посредством которых происходят одиночные эффекты от ВЭП, имеют эквивалентные значения ЛПЭ до 14 МэВ-см /мг.
Задача по оптимизации испытаний относится не только к выбору состава, используемых методов и средств испытаний, но также и к планированию испытаний, что в
Рис.1. Типовая зависимость сечения ТЭ от ЛПЭ ТЗЧ
Рис.3. Изменение тока потребления БИС PIC18F8723-I/PT при облучении протонами 1 ГэВ (а) и построенная на основе экспериментальных данных гистограмма токов потребления в состоянии ТЭ (б)
большинстве случаев позволяет повысить их эффективность. Даже при квалификационных испытаниях на подтверждение уровня стойкости, которые подразумевают минимальный объем облучений изделия, для повышения надежности данных требуется (с учетом возможного влияния конструкции изделия) оптимально организовать испытания с использованием нескольких методов.
При испытаниях на ускорителе ионов важен выбор последовательности вывода ионов, которая позволяет правильно организовать алгоритм принятия решений по результатам испытаний (рис.4). Использование нескольких облучений при различных значе-
Рис.4. Алгоритм последовательности испытаний на ускорителе ионов для минимизации числа облучений при квалификационных испытаниях изделий с требованием пороговых ЛПЭ ЬЛ по ТЭ не менее 45 (значения ЛПЭ даны в МэВ-см2/мг)
ниях ЛПЭ позволяет более достоверно судить о параметрах чувствительности и получать дополнительные данные. Тем не менее при отсутствии эффектов рекомендуется дополнительное использование лазерных имитаторов для исключения влияния конструктивных особенностей изделий.
Следует также отметить, что количество испытываемых изделий с учетом их возможных потерь на этапе декапсуляции влияет на выбор рационального состава испытаний. Опыт показывает, что при небольших объемах испытаний на первом этапе их полного цикла предпочтительно использование лазерных имитаторов.
Производительность испытаний на ускорителях частиц выше, чем на лазерных имитаторах, но и ресурсоемкость также существенно выше. Некоторые задачи, например определение безопасного времени выдержки в состоянии ТЭ, на ускорителях решать нерационально. Кроме того, наличие информации о поведении изделий при лазерном воздействии позволяет существенно повысить производительность испытаний в целом.
Влияние конструктивных особенностей изделий на состав испытаний. Конструкция испытываемых изделий и их особенности являются основными факторами, которые необходимо учитывать при определении рационального объема испытаний. Это связано с ограниченной глубиной проникновения ионизирующего излучения и необходимостью обеспечения доступа к активному слою полупроводникового кристалла при испытаниях доступными методами.
Испытания на лазерных имитаторах и ускорителях ионов требуют предварительной декапсуляции, которая подразумевает открытие поверхности кристалла либо со стороны активного слоя (для испытаний на ускорителях ионов или лазерных имитаторах) либо со стороны подложки (для испытаний на лазерных имитаторах).
При воздействии на кристалл со стороны активного слоя оба метода имеют ограничения, связанные с проникновением излучения в активные области. Нередки случаи, когда поверхность кристалла покрывается дополнительными слоями защиты на основе гелей и компаундов, толщина которых может быть непостоянной по поверхности кристалла, что ставит под сомнение применимость ионов с относительно небольшими пробегами. Поэтому для современных СБИС требуется обязательный предварительный анализ технологии и контроль поверхности кристалла.
При испытаниях на ускорителях ионов образцы должны размещаться в вакуумной камере, что усложняет процесс подготовки таких испытаний, затрудняет отвод тепла от образцов, а также налагает ограничения на габаритные размеры испытываемых изделий.
Для зарубежных СБИС информация о структуре пассивных слоев отсутствует. Полагая, что толщина пассивных слоев составляет не более 10-15 мкм, испытания на ускорителях ионов рекомендуется проводить при отсутствии дополнительных покрытий на кристалле. Наличие одиночных эффектов при воздействии ионов в этом случае свидетельствует о том, что толщина пассивных слоев позволяет для данного типа изделий применять ускоритель ионов в качестве средства испытаний, однако отсутствие этих эффектов не позволяет однозначно говорить о низкой чувствительности изделия к воздействию ОЯЧ. Уменьшение чувствительности изделия при косых углах влета ионов свидетельствует об относительно большой толщине защитного слоя, что затрудняет проведение корректных оценок ЛПЭ даже при нормальном падении ионов. В этом случае необходимо привлекать другие методы и средства для получения дополнительных данных и верификации результатов - лазерные имитаторы.
Для лазерных имитационных методов ограничения будут связаны с экранировкой излучения слоями металлизации, ослаблением и рассеянием лазерного излучения. Дополнительные покрытия на кристалле, как правило, прозрачны для лазерного излучения с используемой длиной волны порядка 0,8-1,06 мкм. Поэтому их наличие не является препятствием для использования лазерных имитаторов. Однако сильное поглощение лазерного излучения в слоях поликремния потенциально может привести к повреждениям изделия.
Ограничения, связанные с экранировкой лазерного излучения металлизацией удается обойти, используя локальное лазерное воздействие [6] или облучение с тыльной стороны подложки. Для изделий, выполненных по технологии «flip-chip» и BGA, т.е. когда кристалл контактирует с несущей платой со стороны активного слоя, доступ к кристаллу со стороны активного слоя невозможен в принципе, и лазерные методы являются практически единственной альтернативой ускорителям ионов в этом случае.
Воздействие со стороны подложки короткопробежными ионами возможно, но требует специальной подготовки кристалла, связанной с уменьшением толщины подложки до приемлемой величины, однако эти технологии пока недостаточно развиты для их широкого практического применения.
Таким образом, если доступ к кристаллу удается получить со стороны подложки или со стороны активного слоя, для испытаний на стойкость к воздействию ОЯЧ (ЛПЭ >14 МэВсм /мг) можно использовать с учетом ограничений ускорители ионов и лазерные имитаторы. Однако для ряда изделий конструктивные особенности затрудняют получение доступа к кристаллу без нарушения работоспособности изделия. Это в основном относится к микросборкам и микромодулям, в которых кристаллы активных элементов расположены «в глубине» корпуса изделия и «неудобно» ориентированы. Зачастую доступ к кристаллам ограничен и заполняющими пустоты корпуса герметиками и компаундами.
Известны случаи, когда из-за отсутствия защитных покрытий на медных проводниках декапсуляция изделий химическими методами невозможна из-за неизбежного разрушения незащищенных проводников. Тогда единственным средством испытаний оказывается ускоритель протонов с применением наиболее жестких режимов облучения (повышенное напряжение питания, температура и т.п.).
Наличие эффектов при воздействии протонами позволяет делать пересчет к параметрам чувствительности при воздействии ТЗЧ [7], а при отсутствии эффектов возможно получение только консервативной оценки по уровню стойкости.
Дополнительным методом получения информации о стойкости в данном случае может являться разрушающий анализ изделия с получением информации о типе используемых в его составе активных элементов, технологии их производства на основе анализа кристаллов. Такой подход в ряде случаев позволяет дать достоверную оценку стойкости изделия, например по тиристорному эффекту при отсутствии потенциально чувствительных к ТЗЧ элементов в составе изделия.
Таким образом, выбор рационального состава и построение плана испытаний электронной компонентной базы на стойкость к воздействию ОЯЧ являются нетривиальной задачей, которая должна учитывать множество факторов, в первую очередь тип ЭКБ, его технологию, режимы функционирования, условия эксплуатации, конструктивное исполнение и т.п. Ни один из существующих методов испытаний и технических средств не дает в полной мере гарантированную необходимую и достоверную инфор-
мацию о стойкости изделий к воздействию ОЯЧ. Только совместное их использование с учетом присущих каждому методу ограничений позволяет получить сведения о стойкости изделия.
Литература
1. РД В 319.03.24-97. Микросхемы интегральные. Методы испытаний и оценки стойкости больших и сверхбольших интегральных схем к одиночным сбоям от воздействия отдельных высокоэнергетичных тяжелых заряженных частиц и протонов космического пространства. - Мытищи: 22 ЦНИИИ МО РФ, 1997.
2. РД В 319.03.58-2010. Комплексная система контроля качества. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы испытаний и оценки стойкости интегральных схем и МДП-транзисторов по эффектам отказов от воздействия отдельных высокоэнергетичных тяжелых заряженных частиц и протонов космического пространства. - Мытищи: 22 ЦНИИИ МО РФ, 2010.
3. ОСТ 11.073.013-2008, ч.10. Микросхемы интегральные. Методы испытаний. Испытания на стойкость к воздействию специальных факторов и импульсную электрическую прочность. - Мытищи: 22 ЦНИИИ МО РФ, 2010.
4. Сравнительный анализ испытаний электронной компонентной базы на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц на лазерных имитаторах и ускорителях ионов / А.В. Яненко, А.И. Чумаков, А.А. Печенкин, Д.В. Савченков и др. // Спецтехника и связь. - 2011. - № 4-5. - С.4-7.
5. Артамонов А.С. Установка для задания и стабилизации температуры I II I и ИС при проведении имитационных испытаний // Сб. научн. тр. «Радиационная стойкость электронных систем». Вып. 6. -М.: МИФИ-СПЭЛС. - 2003. - С.159-160.
6. Методика оценки параметров чувствительности ИС к тиристорному эффекту при воздействии отдельных ядерных частиц / А.И.Чумаков, А.А.Печенкин, А.Н.Егоров и др. // Микроэлектроника. - 2008. -Т.37. - № 1. - С.45-51.
7. РД В 319.03.38-2000. Изделия электронной техники. Микросхемы интегральные. Методы взаимного пересчета параметров моделей одиночных сбоев больших и сверхбольших интегральных схем при воздействии отдельных высокоэнергетичных заряженных частиц галактических и солнечных космических лучей и протонов космического пространства. - Мытищи: 22 ЦНИИИ МО РФ, 2000.
Статья поступила 26 апреля 2012 г.
Тарараксин Александр Сергеевич - инженер ИЭПЭ НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: разработка методов и средств испытаний изделий микроэлектроники на стойкость к воздействию отдельных ядерных частиц по локальным радиационным эффектам. E-mail: astar@spels.ru
Яненко Андрей Викторович - кандидат технических наук, ведущий специалист ИЭПЭ НИЯУ МИФИ. Область научных интересов: исследование радиационной стойкости электронной компонентной базы при воздействии отдельных ядерных частиц по локальным радиационным эффектам.
Чумаков Александр Иннокентьевич - доктор технических наук, профессор, технический директор ОАО «ЭНПО СПЭЛС». Область научных интересов: разработка методов моделирования доминирующих радиационных эффектов в изделиях электронной техники, методическое обеспечение испытаний и исследований их стойкости к воздействию радиационных факторов.
