Сравнительный анализ методов оценки надежности полупроводниковых интегральных микросхем Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Сравнительный анализ методов оценки надежности полупроводниковых интегральных микросхем

Жаднов В.В.

Кафедра Радиоэлектроники и телекоммуникаций, Московский институт электроники и математики национального исследовательского университета «Высшая школа экономики», Москва

Исследование осуществлено в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ в 2013 году. Интегральные микросхемы (ИС) широко применяются в современных электронных средствах (в.ч. и в бортовой электронной аппаратуре для диагностики и мониторинга технического состояния распределенных систем) и в значительной степени определяют их показатели надежности.

По классификации ГОСТ 27.003 [1] ИС относится к изделиям общего назначения вида I (высоконадежное комплектующее изделие межотраслевого применения), непрерывного длительного применения, невосстанавливаемое, необслуживаемое, переход которого в предельное состояние не ведет к катастрофическим последствиям, изнашиваемое, стареющее при хранении. Для таких изделий нормируются следующие показатели надежности:

• интенсивность отказов - X

• средний ресурс до списания (полный) - Тр ср сп

• средний срок сохраняемости - Тс ср

Поскольку свойство надежности проявляется при эксплуатации ИС, то для оценки его показателей на ранних этапах проектирования бортовой электронной аппаратуры для диагностики и мониторинга технического состояния распределенных систем применяются расчетные методы. Для обеспечения достоверности и воспроизводимости результатов расчетов, в соответствии с требованиями ГОСТ 27.301 [2] и РДВ 319.01.20 [3], эти методы стандартизованы.

Так, ГОСТ 27.301 [2] для расчета интенсивностей отказов серийно выпускаемых и новых электронных и электротехнических элементов разных типов (в т.ч. ИС) с учетом уровня их нагруженности, качества изготовления, областей применения аппаратуры, в которой используются элементы, рекомендует методики, приведенные в американском военном стандарте MIL-HDBK-217 [4] и в отечественных справочниках по надежности электрорадиоизделий [5, 6].

В справочнике «Надежность ЭРИ» [5] приведены математические модели для расчета эксплуатационной интенсивности отказов отдельных групп (типономиналов) интегральных микросхем (см. табл. 1).

Модель (1), а также значения базовой интенсивности отказов группы интегральных микросхем (Вб.с.г) используются при расчете эксплуатационной интенсивности отказов Вэ всех типономиналов интегральных микросхем. Модель (2) используется при расчете эксплуатационной интенсивности отказов Вэ тех типономиналов интегральных микросхем, которые имеют повышенные значения интенсивности отказов.

Значения коэффициента Кст, учитывающего сложность (степень интеграции) ИС и температуру окружающей среды рассчитываются по модели:

КСТ =А■е

В-(г+273)

где: А - коэффициент, зависящий от группы ИС и количества элементов, бит (для ЗУ); В - постоянный коэффициент модели; t - температура окружающей среды.

Математические модели Вэ, приведенные в справочнике «Надежность ЭРИ ИП» [5] аналогичны методам стандарта М1Ь-НБВК-217Б [4] - см. табл. 2.

Таблица 1. Математические модели эксплуатационной интенсивности отказов ИС

№ п.п. Группа ИС Вид математической модели Примечани е

1 2 3 4

Микросхемы интегральные

полупроводниковые цифровые: логические, арифметические,

1 микропроцессоры и

микропроцессорные комплекты,

пограммируемые логические матрицы, регистры сдвига, базовые Вэ = Вб.с.г'Кс.т'Ккорп'Ку'Кэ'Кпр (1)

матричные кристаллы и др. или (2)

2 Оперативные запоминающие Вэ _ Вб'Кс.т'Ккорп'Ку'Кэ'Кпр

устройства (ОЗУ)

3 Постоянные запоминающие

устройства (ПЗУ, ППЗУ, РПЗУ)

4 Микросхемы интегральные

полупроводниковые аналоговые

Таблица 2. Математические модели эксплуатационной интенсивности отказов ИС

№ п.п. Группа ИС Вид математической модели

1 2 3

1 Микросхемы цифровые Вэ - (Вкр'К + Вкорп'Кэ)'Кпр (3)

2 Микросхемы аналоговые

3 Микросхемы памяти

4 Программируемые логические интегральные схемы

5 Микропроцессоры

Значение Вкр зависит от сложности ИС. Значения коэффициента Кь учитывающего температуру окружающей среды рассчитываются по модели:

К — 0,1-е

1___

к I Т: +273 298

где: Еа - энергия активации; к - постоянная Больцмана; Т - температура кристалла ИС.

Область применения моделей (1), (2) и (3) ограничена сложностью ИС, для которой приведены значения коэффициентов А (или Вкр). Для сверхбольших КМОП ИС, сложность которых выходит за ограничения этих моделей, в стандарте М1Ь-НБВК-217Б [4] приведена следующая математическая модель интенсивности отказов:

Ар — Лво ■ Пмор • ПТ ' ПОВ + ^ВР ' ПЕ ' П<2 ' ПРТ + ^БОЗ (4)

В модели (4) первое слагаемое характеризует интенсивность отказов кристалла, второе - интенсивность отказов корпуса, а третье - стойкость СБИС к воздействию электростатического разряда (ЭСР).

Значения коэффициента я^, учитывающего сложность СБИС, рассчитываются по модели:

Г А

псэ =

( 2 >

0,21

V у

■0,64

+ 0,36

(5)

где: A - площадь кристалла; Xs - топологический размер.

Однако, как следует из стандарта MIL-HDBK-217F [4], эмпирические коэффициенты модели (5) получены для СБИС с топологическим размером не менее 0,8 мкм.

Общим свойством моделей (1)-(4) является то, что они позволяют рассчитать Вэ периода «нормальной работы» (см. рис. 1), в предположении, что справедлива экспоненциальная модель отказов:

F(г) = 1 - е~х'. (6)

Рис. 1. Зависимость 9 от времени

Вместе с тем, в ГОСТ 27.005 [7] наряду с моделью (6) рекомендован еще целый ряд моделей (логнормальное, Вейбулла и др.), обоснование выбора которых может основываться не только на статистических критериях согласия, но и на анализе процессов, протекающих в конструкции ИС и приводящих к отказам (на методах «физики отказов»).

Характерными механизмами отказов КМОП ИС являются [8]:

- пробой подзатворного диэлектрика;

- электромиграция;

- генерация «горячих носителей»;

- межслойные дефекты изоляционных диэлектриков;

- дефекты p-n переходов;

- дефекты маскирования;

- образование пустот.

Эти механизмы обусловленными процессами деградации, которые могут быть аппроксимированы марковскими процессами диффузионного типа с немонотонными реализациями (рис. 2).

Для таких процессов в ГОСТ 27.005 [7] приведена модель отказов распределение) вида:

F (г ) = Ф

а ■ г

■ л/аг

V

1 ^ + ) фФ

г +1

V

■ л/аг

(7)

где: Ф - функция нормированного нормального распределения; а - средняя скорость процесса деградации (изменения определяющего параметра X); V -коэффициент вариации процесса деградации (скорости деградации).

Рис. 2. Реализации случайного процесса изменения определяющего параметра X (П - предельное значение X) и плотность вероятности наработки f

Однако, как следует из (7), эта модель может применяться для «обобщенного» процесса деградации ИС (обобщенного определяющего параметра). В «Appendix В» стандарта MIL-HDBK-217F [4] приведена математическая модель интенсивности отказов КМОП ИС, учитывающая каждый из отказовых механизмов:

Лp (t) = AOX(t) + AMET(t)+AHC(t) + ACON(t) + ^MIS (t) + APAC + AEOS , (8)

где: BOX(t) - интенсивность отказов кристалла, обусловленная эффектом пробоя подзатворного диэлектрика; BMET(t) - интенсивность отказов кристалла, обусловленная эффектом электромиграции; BHC(t) - интенсивность отказов кристалла, обусловленная эффектом горячих носителей; Bcon(0 - интенсивность отказов кристалла, обусловленная эффектом точечных дефектов; BMIS(t) - интенсивность отказов кристалла, обусловленная прочими эффектами; BPAC - интенсивность отказов корпуса; BEOS - интенсивность отказов ИС, учитывающая стойкость к воздействию ЭСР.

Подробное описание слагаемых модели (8) и методов их расчета приведено в RADS-TR-89-177 [9]. Кроме того модель (4) представляет собой упрощенную модель (8), позволяющую получить верхнюю оценку значения B. Как следует из (8), B является функцией времени, поэтому в этом случае в качестве модели отказов (функции распределения наработки) следует использовать общую формулу:

F (t ) = 1

"JAp (t )dt

- t

(9)

Очевидно, что использование моделей (8) и (9) целесообразно при проектировании СБИС, но мало пригодно при расчетах надежности аппаратуры, что обусловлено не столько сложностью и трудоемкостью расчетов, сколько практическим отсутствием в нормативно-технической документации (ТУ и Data Sheet) данных о конструктивных, технологических и др. параметрах СБИС, необходимых для расчетов слагаемых модели (8), за исключением слагаемых BPAC [10] и Beos [11].

Это подтверждается и методологией 217Plus [12] прогнозирования безотказности аппаратуры. Так, в RIAC-HDBK-217Plus [12] приведены модели интенсивности отказов ИС (отдельно для ИС в герметичных и негерметичных

корпусах). Например, модель интенсивности отказов ИС в негерметичном (пластиковом) корпусе имеет вид:

ХР = ПG ■ (Х0В ■ ПБСО ■ ПТ0 + ХЕВ ■ ПDCN ' П ШТ + ХТСВ ' ПCR ' ПБТ ) + XSJB ■ ПSJDT + XEOS . (10)

В модели (10) первое слагаемое характеризует интенсивность отказов в режиме работы, ожидания и термоциклирования, второе - интенсивность отказов выводов, а третье - стойкость ИС к ЭСР. Не вдаваясь в подробное рассмотрение модели (10) можно отметить следующее:

• во-первых, В в этой модели не зависит от времени

• во-вторых, все данные, необходимые для расчетов составляющих модели (10), приведены в соответствующих разделах RIAC-HDBK-217Plus [12].

Следует отменить, что в справочниках [4-6, 12] приводятся «усредненные» значения базовой интенсивности отказов (Вб) для групп (подгрупп) ИС. Вместе с тем, ведущие фирмы-производители ИС регулярно публикуют отчеты о надежности своей продукции, полученные по результатам испытаний. На рис. 3, в качестве примера, приведены выдержки из такого отчета фирмы XILINX [13].

Table 2-24: HTOL Test Results for 0.09 ym Si Gate CMOS Device Type XC4VxXxxx

Device Lot Quantity Fail Quantity Device Quantity Actual Device Hours at Tj> 125"C Equivalent Device Hours at Tj = 125°C Failure Rate at 60% CL and Tj = 55X (FIT)

XC4VLX60 3 0 136 230,316 531,451

XC4VLX80 1 0 75 150,525 410,767

XC4VLX100 1 0 45 90,855 254,245

XC4VLX160 2 2d) 89 174,132 721,939

XC4VFX12 1 0 45 <30,000 116,627

XC4VFX60 1 0 42 84,630 182,316

XC4VxXxxx 9 2 432 820,458 2,222,345 18 FIT

Notes:

1. Failure due to substrate defect. New process improvement has been implemented.

Рис. 3. Интенсивность отказов кристаллов ИС семейства ХС4УхХххх Значение интенсивности отказов рассчитано на основе следующего

соотношения:

Л = Z4P,m) -109.

(11)

2 ■ N АгА

2

где: х - распределение хи-квадрат; Р - доверительная вероятность; N - общее число испытуемых ИС; А - ускоряющий фактор; Дt - время испытаний.

Применение формулы (11) для расчета интенсивности отказов возможно только для случая, когда «ранние» отказы исключены тренировкой ИС, поэтому оценка интенсивности отказов ИС, полученная с использованием статистики х2, справедлива только для периода «нормальной работы» (см. рис. 1).

Пересчет значения В к «нормальной» температуре может быть проведен по модели ускоряющего фактора А:

A = exp

E

1

1

k 1298 Т} + 273j

Таким образом, очевидно, что использование экспериментальных данных фирм-производителей позволит повысить точность оценки надежности СБИС. Однако

следует помнить о том, что ряд коэффициентов моделей (1)-(4) и (10), учитывающих влияние соответствующих факторов на интенсивность отказов кристалла ИС, «автоматически» войдет в значение B, полученное по результатам испытаний.

Исходя из вышеизложенного можно сделать вывод о том, что рассмотренные выше методы расчетной оценки надежности полупроводниковых ИС могут применяться для расчетной оценке надежности бортовой электронной аппаратуры диагностики и мониторинга технического состояния распределенных систем при условии использования экспериментальных данных о характеристиках надежности, публикуемых фирмами-производителями [14].

Список литературы

1. ГОСТ 27.003-90. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности.

2. ГОСТ 27.301-95. Надежность в технике. Расчет надежности. Основные положения.

3. РДВ 319.01.20-98. Положение о справочнике «Надежность электрорадиоизделий».

4. MIL-HDBK-217F. Reliability prediction of electronic equipment.

5. Справочник «Надежность ЭРИ». - М.: МО РФ, 2006.

6. Справочник «Надежность ЭРИ ИП» - М.: МО РФ, 2006.

7. ГОСТ 27.005-97. Надежность в технике. Модели отказов. Основные положения.

8. Сетун А.Н. Физика отказов приборов микро- и наноэлектроники. - Минск: БГУ, 2010. - 125 с.

9. RADS-TR-89-177. VHSIC/VHSIC-LIKE. Reliability prediction modeling.

10. Жаднов В.В., Полесский С.Н., Якубов С.Э. Прогнозирование безотказности микросхем для военной и аэрокосмической электроники. / Электронные компоненты. № 3, 2007. - с. 39-48.

11. Абрамешин А.Е., Жаднов В.В., Жаднов И.В. Расчетная оценка надежности электронных модулей аппаратуры космических аппаратов. / Технологии ЭМС, № 1 (40), 2012. - с. 29-33.

12. RIAC-HDBK-217Plus. Handbook of 217PlusTM reliability prediction models.

13. UG116 (v 9.1). Device reliability report: Second quarter 2012. - XILINX, 2012.

14. Абрамешин А.Е., Жаднов В.В., Полесский С.Н. Информационная технология обеспечения надежности электронных средств наземно-космических систем: научное издание. - Екатеринбург: Форт Диалог-Исеть, 2012. - 565 с.