CC BY
105
УДК 621.382
РАЗДЕЛЕНИЕ ПАРТИЙ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ПО НАДЁЖНОСТИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КРИТИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ
М.И. Г орлов, А.А. Винокуров
Предложены способы отбора интегральных схем по стойкости к электростатическим разрядам и выделения интегральных схем повышенной надёжности с использованием критического напряжения питания
Ключевые слова: критическое напряжение питания, электростатический разряд, электрический информативный параметр
Одним из перспективных подходов к решению задачи неразрушающего обнаружения дефектов являются методы критических напряжений питания (КНП) или критического напряжения
функционирования (КНФ) [1].
Критическое напряжение питания - это минимальное напряжение питания, при котором интегральная схема сохраняет свои параметры в пределах норм.
Способы, использующие изменение
критического напряжения питания, сопряжены с большой трудоёмкостью [2,3]. Предлагаются
способы, позволяющие снизить трудоёмкость измерений.
Если КНП имеют изначальный значительный разброс, то следует применять методы, использующие непосредственно значения КНП.
В том случае, если разброс значений КНП ИС находится в пределах погрешности измерений, а также, когда КПН нечувствительны к внешним воздействиям, для разделения ИС по надёжности можно использовать значения электрических
информативных параметров, измеряемых при критическом напряжении питания (минимальное, максимальное напряжения логического нуля, логической единицы, время задержки переключения схемы и т.д.).
СПОСОБ ОТБОРА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ПО СТОЙКОСТИ К ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИМ РАЗРЯДАМ
Известен способ [4] разделения интегральных схем по надежности, включающий измерения значений критического напряжения питания до и после ста воздействий электростатическими разрядами допустимой по техническим условиям величиной. Недостатком способа является большой объём испытаний.
Согласно способу [5] разделения ИС, ИС подвергают предварительному разделению методом критического напряжения питания (КНП) и
Горлов Митрофан Иванович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (473) 2437695
Винокуров Александр Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. (473) 2437695, e-mail: [email protected]
воздействуют на нее электростатическим разрядом (ЭСР) потенциалом, составляющим половину опасного, при этом после воздействия ЭСР методом КНП выделяют дополнительную партию ИС с повышенной надежностью. Недостатком способа является большая трудоёмкость и вычисление площадей под кривыми зависимостей КНП от температуры в интервале 10-100 оС.
В предлагаемом способе на представительной выборке из партии измеряют значение критического напряжения питания, затем на схемы, имеющие минимальное и максимальное значения КНП, воздействуют электростатическими разрядами обеих полярностей потенциалом, допустимым по ТУ споследующим увеличением, на каждую пару выводов «вход-выход», «вход-общая точка»,
«выход-общая точка», «питание-общая точка» до появления параметрического отказа. По полученным значениям строят прямую в координатах «значения ЭСР - значения КНП» и на прямой определяют значение КНП, по которому определяют стойкость ИС к ЭСР. Схемы, имеющие КНП не более выбранного, имеют необходимую стойкость к ЭСР.
Для эксперимента было отобрано 10 ИС К561ЛН3 (бповторителей напряжения),
выполненные по технологии КМОП. У них были измерены КНП (табл. 1).
На схемы осуществлялось по 5 воздействий ЭСР допустимого потенциала (500 В) обеих полярностей по выводам «вход-выход», «вход-общая точка», «выход-общая точка», «питание-общая точка». Затем измерялись параметры ИС и значения КНП. Далее напряжение ЭСР увеличивалось на 250 В и измерения повторялись. Напряжение ЭСР увеличивалось до значения, при котором наблюдался параметрический отказ ИС. Отказавшей считаласьсхема, у которой при напряжении питания исс=10 В и входном напряжении и1Ь=3 В значение выходного напряжения низкого уровняИ0ьпревышало 0,5 В.
Значения максимальных напряжений ЭСР, после воздействия которых, ИС сохраняли свои параметры в пределах ТУ, представлены в табл. 2.
Т аблица 1
Значения КНП ИС типа К561ЛН3
№ ИС 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
КНП, В 6,1 5,3 6,4 6 6 5,4 5,4 6,1 5,4 6
Таблица 2
Значения максимальных напряжений ЭСР, после воздействия которых ИС типа К561ЛН3 сохраняли свои ______________________________________параметры в пределах ТУ________________________________________
№ ИС 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Uэcp, В 1500 3000 1000 2000 2250 2500 2500 1500 2750 1500
кнп, в
500 1500 2500 3500
Рис. 1. График зависимости значений КНП ИС типа К561 ЛН3 от напряжения ЭСР
Далее строится прямая. Из полученной зависимости видно, что при исключении всех точек, кроме точек, полученных для ИС с минимальным и максимальным значениями КНП, вид прямой не изменится. Следовательно, для построения прямой можно использовать только минимальное и максимальное значения КНП измеренных ИС.
По полученной зависимости определяется потенциальная стойкость ИС к ЭСР. Например, ИС имеющие КНП < 5,8 В потенциально могут выдерживать ЭСР потенциалом до 2000 В (рис. 1).
Известно [1], что КМОП ИС более чувствительны к воздействию ЭСР, однако предложенная методика справедлива и для аналоговых схем.
Рассмотрим влияние ЭСР на аналоговые ИС, а также покажем изменение КНП при воздействии ЭСР.
Испытания осуществлялись на ИС типа КР142ЕН1А (регулируемый стабилизатор напряжения). Для ИС были определены значения критического напряжения питания. Напряжение питания последовательно снижалось от 5 В с шагом 50 мВ при входном токе, равном 50 мА. Контролируемый параметр - минимальное выходное напряжение (> 3 В).
На ИС осуществлялось по 5 воздействий ЭСР допустимого потенциала (2кВ) обеих полярностей по выводам «вход-выход». Затем измерялись параметры ИС и значения КНП. Далее напряжение ЭСР увеличивалось на 250 В и измерения повторялись. Напряжение ЭСР увеличивалось до значения, при котором наблюдался
параметрический отказ ИС. Все ИС сохранили
параметры в пределах норм после воздействия ЭСР потенциалом 2500 В. Значения КНП после воздействия ЭСР потенциалами 2000 В, 2250 В, 2500 В представлены в табл. 3. Наблюдается увеличение КНП, но оно не позволяет сделать вывод о потенциальной стойкости ИС к ЭСР.
По полученной зависимости определяется потенциальная стойкость ИС к ЭСР. Например, ИС имеющие КНП < 4,35 В потенциально могут выдерживать ЭСР потенциалом до 2750 В (рис. 2). Однако, очевидно, что на данном объёме выборке и шаге, с которым снижалось напряжение, прогноз имеет недостаточную точность. Для получения лучшей оценки необходимо более точное измерение значений КНП.
Рис. 2. График зависимости значений КНП ИС типа КР142ЕН1А от напряжения ЭСР
СПОСОБ ВЫДЕЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ПОВЫШЕННОЙ НАДЁЖНОСТИ
На представительной выборке ИС, как логических, так и аналоговых, проводится
измерение значения информативного
электрического параметра схемы при напряжении, равном КНП, номинальному и максимально допустимому по ТУ напряжению питания, после чего находится коэффициент, характеризующий надёжность ИС:
АЦмакс~АЦном
Аином"АиКНП
где Аимакс, Аином, АШнп - значения информативного электрического параметра при напряжении питания,
Т аблица 3
Изменение КНП ИС КР142ЕНА после воздействий ЭСР______________________________________
иэср, В № ИС
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
КНП, В
2000 4,3 4,25 4,25 4,3 4,45 4,3 4,3 4,35 4,25 4,3
2250 4,3 4,25 4,25 4,3 4,5 4,35 4,35 4,35 4,3 4,3
2500 4,4 4,3 4,35 4,4 4,6 4,35 4,4 4,55 4,4 4,35
Таблица 4
Значения максимальных напряжений ЭСР, после воздействия которых, ИС типа КР142ЕН1А сохраняли свои
параметры в пределах ТУ
№ ИС 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
КНП, В 4,3 4,25 4,25 4,3 4,45 4,3 4,35 4,35 4,25 4,3
иэср, В 2750 3250 3250 3000 3000 3000 2750 2750 3250 3000
соответственно максимальном, номинальном и КНП.
Таблица 5
Значения UOL и параметра К ИС типа К1561ТЛ2
№ ИС Значения UOL, мВ, при напряжении Значение К
1 В 4,5 В 6 В
1 2,3 7,8 18,7 1,89
2 1,7 7,0 15,9 1,68
3 0,5 7,8 17,5 1,33
4 1,7 7,6 17,2 1,63
5 1,5 7,1 17,2 1,80
6 1,8 8,0 17,9 1,60
7 0,8 7,2 16,8 1,50
8 1,4 6,8 16,2 1,74
9 1,4 7,4 16,9 1,58
10 1,4 7,1 16,6 1,67
В зависимости от значения критерия К, устанавливаемого для каждого типа ИС экспериментально, можно разделить партию ИС по надёжности.
Для эксперимента методом случайной выборки было отобрано 10 ИС типа К1561 ТЛ2 (шесть инвертирующих триггеров Шмидта, выполненных
по технологии КМОП), и измерены значения информативного параметра (выходное напряжение логического нуля и0Ь при напряжениях ипит ном=4,5
В, U,
пит макс
=6 В, иКНП=1 В и экспериментально
для каждой
определён коэффициент К= АЦмакс Аином
AUhqm-AU
иКНП
схемы.
Результаты измерений значений выходного напряжения логического нуля И0Ь при трёх напряжениях питания и значения параметра К представлены в табл. 5.
Если задать критерий для надёжности ИС К >1,5, то из таблицы видно, что ИС №3 является менее надёжной.
Литература
1. Горлов М.И. Технологические отбраковочные и диагностические испытания полупроводниковых изделий / М.И. Горлов, В.А. Емельянов, Д. Л. Ануфриев. - Мн.: Бел. наука, 2006. - 367 с.
2. Патент РФ 2365930. 001К 31/26. Опубликован 27.08.2009.
3. Патент РФ 2311653. 001К 31/26. Опубликован 09.03.2006.
4. Патент РФ2290652 001И31/26. Опубликован 27.12.2006
5. Патент РФ 2230334 001К 31/26. Опубликован 10.06.2004.
Воронежский государственный технический университет
SEPARATION OF PARTY INTEGRATED CIRCUIT RELIABILITY WITH THE USE
OF THE CRITICAL VOLTAGE POWER
M.I. Gorlov, A.A. Vinokurov
A method of selection of integrated circuits for resistance to electrostatic discharge and the method of extraction of high reliability integrated circuits with critical voltage supply
Key words: critical voltage, electrostatic discharge, electrical information parameter
