Введение к работе
Актуальность проблемы. Расширение сферы применения элементной базы в различных система»: /пряилеш'.я і i'<:h""vciji4 на космических летательных аппаратах, в ядернь.х эпергпнчеекги yen ft! к вке.х на судах, космических кораблях и т.п., атомных электростанции* (АЭС), для которых возможны, кроме нормального режима работы, и пгштатные с:лтуаі,ди, треб>ст создадим полого класса радиаг-нонко-стойких ИМС.
Известные отечественные и зарубе»ные программные комплексы, системы и подсистемы пред «значении; д;іv іітоматтіфиваі!.но"о проектирования ИМС, или не позволяют г.рсітнззнрсвать раСотоспосибность ИМС а услоалях воздействия ионизирующего излучения (ИИ), или прогнозируют ее не полностью. Это связано прежде всего с тем, что таі::іс САШ' и: имеют проблемьо-эрмелтпрс-вашшх подсистем с соответствующей информационной базой, математическим и программным обеспечением.
Кроме того, постоянно уточняются требования по составу и параметрам ИИ. Недавно проведенный анализ внешней дестабилизирующей обстановки реальных условий эксплуатации ИМС в космическом пространстве, на АЭС и т.п. показал, что требуется существенная корректировка параметров ИИ по спектрально-энергетическим и амятитудио-временным характеристикам. Это приводит к модификации, а в некоторых случччх и пересмотру физических vодолей, определяющих воздействие радиации на ИМС, с о зе.чгг к необходимости соо-'встілвующей модификации различных вигоні аоесглічечінії САПР з части учета алняндя ИИ.
Одним из кгк'і і;і'.ь:іі n»om нтов модификации CAf і? і втчется новый подход к физической стране ((-[Чмессск і дх'Ч'.ьаюш.і- х в ИМС, Иссшю (амия, проведенные в последнее врр.'л::, г .од і з"р.зи.чі, что сущесті.уеа глубока;. се:ї:іь vex.iv процессами, связанными с ди-рЗД1Н!,и:й зл:іптігл\ар.і!чг-фс.в от радиации и естеслпенного старения. Это проявляется гни чоцедяр ч,;;аіііЧ! Д акгс>р> чі косми'-л'оого гространстм, для которого характерне, и-г.и.-ая пі г, с: хдедюети воздействии радиации. В существующих САПР практически отсутствуют средства моделирования, которые способны модели-ропатъ комп.т:т:счпг вогденстглс петгетпечного старения иргдиацин.
Следует <пм:і,пі>, чті> миске дедекгаточно освещены вопросы моделирования тепловых и термомеханических эффектов, характерных для рентгеновского излучения. Комплексное моделирование теплолых эффектов и эффектов, связанных с процессами ионизации м необратимой деградацией ларамегрев, решено не достаточно полно на уровне фі'зичесюїч мо/клиротания и им Ролсе ^ а математическом и программном урочне іі гкілемс ангомл ппароваыисто "проектирования.
Недостаточно отработаны методы проектирования на схемотехническом уровне БИС и СБИС, учігіїар.ЮіШ!'. npoiicai,; радиационной) воздействия и естественного старения. Это стлано, с одной стороны, с увеличением числа компонентов систем и функциональных связей между ними, а с другой стороны, с постоянным уточнением характеристик радиационного воздействия. В этой связи следует отметить то, что увеличение степени интеграции и функциональной сложности ИМС поставило задачу совершенствования технических средств проектирования.
Проектирование ИС на функционально-логическом уровне также требует своего решения в части учета необратимых эффектов радиации и переходных эффектов. В
настоящее время для этой цели применяются различные подходы, но они не учитывают комплексного характера изменений характеристик логических параметров, вызванных различными процессами деградации.
Таким образом, для создания радиационно-стойких ИМС в области теории и разработки САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали комплексного подхода к их развитию, начиная от совершенствования технических средств и физических моделей процессов и заканчивая математическим обеспечением и программной реализацией.
Цель работы: создание и исследование автоматизированной подсистемы моделирования ИМС при их эксплуатации в полях ионизирующего излучения, которая обеспечивает комплексный подход к радиационному воздействию и учитывает последние требования в части характеристик воздействия ИИ. Эта подсистема должна прогнозировать показатели радиационной стойкости и параметрической надежности в различных режимах эксплуатации и проводить анализ работоспособности ИМС в условиях воздействия радиации.
Для решения поставленной цели должны быть решены следующие основные задачи:
формирование методологии единого системного подхода при прогнозировании работоспособности ИМС в условиях ИИ;
разработка моделей физических процессов, происходящих в конструкции ИЭТ при воздействии ИИ с сильной степенью поглощения (рентгеновское излучение), которые учитывают изменение тепловых и термомеханических процессов во времени и в зависимости от габаритных размеров конструкции;
разработка модели деградации электропараметров ИМС при воздействии статических видов ИИ с учетом мощности дозы, температуры среды и режима работы ИМС;
разработка моделей активных компонентов биполярных ИМС, которые зависят от конструктивно-технологических особенностей исполнения, режимов работы ИМС, спектрально-энергетических и амплитудно-временных характеристик гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений с учетом последних требований к параметрам воздействующей радиации;
разработка алгоритмов и программного обеспечения для моделирования реакции ИМС на импульсное ИИ;
разработка алгоритмов и программного обеспечения, позволяющих моделировать тепловые и термомеханические процессы, происходящие в конструкция ИЭТ при импульсном ИИ;
разработка алгоритмов и программного обеспечения, позволяющих моделировать поведение электропараметров ИМС к статическим видам ИИ;
разработка программного и информационного обеспечения для комплексного автоматизированного моделирования работоспособности ИМС в составе САПР;
разработка АРМ для проектирования ИМС в условиях, воздействия ИИ и интеграция программно-технического комплекса в состав автоматизированных средств сквозного проектирования.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы физические методы исследования поведения ИМС в условиях ИИ, элементы теории системного анализа, методы вычислительной математики, структурного и системного программирования, теории цепей, методы теории графов, а также новые информационные технологии.
На защиту выносятся следующие: основные няуч.ше положения:
-
Методология единого системного подхода при прогнозировании поведения ИМС в условиях ноздейсгзлл ИИ, осношпш на комплектном подходе < процессам: знері"ові.іде."еішя и:ііі!іи07Єйсі'іімя процессе1.! естественного старения и радиационной деградации. Разработка методики поетапного подхода к прогнозированию поведения ИМСвуслопия'х НИ
-
Модели тепловых и терлюмеханлческих процессов, происходящих в конструк-иии ИЭТ при іш действии V И с сильней степенью поглощения (рентгеновское излучение), ксториг 'ч.'П'мзаіст изменение і ара гп.pa этих п рсцесгов по времени и в зависимости от габаритных размеров конструкции, а также возможность определения температуры активных компз-шг.ол е „мс-биїї ашмсш л{.смі;ші для моделирования ра-ботсспособпссгп ИМСш схімоїи.шкеахм уродие.
-
Модель деградации злектропараметроп ИМС при воздействии статических видов ИИ с учетом мощности дозы, температуры среды и -режима работы ИМС, а также взаимного влияни я г роцессэи дегрздаци л от радиации и естественного старения.
-
Модель активных компонентов биполярных ИМС и макромодель выходного биполярного элемента цифровых логических ИМС ТТЛ и ТТЛШ, определяющие работоспособность в полях ИИ, учитывающие консгруктивно-технологичесхие особенности исполнения, режимы работы ИМС, спектралшо-энергетичхжне и амплитудно-временные характеристик! ИИ, включи vcc:-?wvc ірс>.>вй.!т>я >: параметрам радиации.
-
АлП'рі.тмнчссше пс мл'Л'Н'и и іроірачучое/і&.тлечение автемагшировашю-гэ опредеііат.ія когсизте.зен еі'ош.оег'і и т/имсниетп. а га).ж; их зависимостей от ам-іілитудно-врсчлені-иїх v. сп;л'і'раль:'і.)-'іН'..ргеіических н.іракт.'р'їст ик ИИ.
-
Пэдшсг'ка і,*одс,М!Н!і!.іні!Я характс^меык ИМС, применяемых в полях ИИ, которая об'.'слечішас; комн. vwn їй ладхоа к радиационному воздействие и учитывает последни ; тре оси: эния is ч -\<яа хлрак іерилнк воздействия ИН.
Научная невтпя состоит і? с.т.'ду<>дгм:
1. Разлита методологии сдикого системного подхода при прогнозировании пове
дения ИМС в условиях ИИ, которая использует предложенные принципы: единства
процессов ::'!іє?гсіііь ,:і;лечіиі ргпл.нчы;. т.игл ИИ и едина па рассмотрения процессов
деірздаииг ИМС о : їсТ'.'отгєшіоі'о стяраня н рндиацн.і с учетом зависимости от ши
рокого набора входных воздействий, шлючая радиационное воздействие, состоящее
из нескольких видов ИИ, разнесенных но времени.
-
Разработаны модели физичесчих ттроцесегт, происходящих в конструкции ИЭ'Г при виздсі'іпвни ИИ с сі.ільчтіі степенью поглощения (рентгеновское излучение), которые оіличікітся учетам димшкк і тепловых и термомеханических процессов и з.чеіісимосіью тср'Моме)аьпческн о гїітрнжекяу от габаритных размеров конструкции, а также е.спможносґьп олреазепения температурь активны* элементов » любой момент времени.
-
Разработана модель деградации электропараметров ИМС при воздействии статических видов ИИ, в которой предложен принцип учета мощности дозы, температуры среды и режима работы ИМС. включая взаимодействие процессов естественного старения и деградации электропараметров от радиации.
-
Разработаны модели активных компонентов биполярных ИМС и предложена макромодель выходного биполярного элемента цифровых логических ИМС ТТЛ и
ТТЛШ, отличающиеся не только учетом конструктивно-технологических особенностей исполнения и режимов работы ИМС, но и влиянием спектрально-энергетических и амплитудно-временных характеристик ИИ на показатели стойкости, включая последние требования к характеристикам воздействующей радиации.
-
Разработаны алгоритмы для прогнозирования поведения ИМС в условиях ИИ и программное обеспечение автоматизированного определения показателей стойкости и надежности, а также их зависимостей от амплитудно-временных и спектрально-энергетических характеристик ИИ.
-
Модифицированы технические средства и создана подсистема САПР для анализа и проектирования радиационно-стойких ИМС.
Практическая ценность работы.
Разработанный комплекс методов, алгоритмов и созданная автоматизированная подсистема позволяют существенно расширить класс решаемых прикладных задач по радиационной стойкости ИМС. Основной практический вывод диссертационной работы заключается в создании единой методологии анализа радиационной стойкости ИМС при воздействии различных видов ИИ и разработке на ее основе инструментария для заказчиков и инженеров служб, отвечающих за радиационную стойкость ИМС.
Методы, алгоритмы и комплексы программ, взаимодействующих в автоматизированной подсистеме, разработанные в диссертации, внедрены на ряде предприятий, выпущены отраслевые руководящие материалы (РМ) и руководящие документы (РД), которые позволяют не только определить показатели стойкости ИМС, но и проектировать радиационно-стойкие ИМС. Использование этих методов дает ценную информацию по анализу поведения компонентов ИМС в условиях ИИ, которую практически невозможно получить в эксперименте.
Данная подсистема моделирования более адекватно отражает реакцию ИМС на ИИ, так как в нее включены уточненные характеристики ИИ и физические модели, которые наиболее точно соответствуют реальным процессам. Внедрение этих методов позволило разработать ряд новых серий ИМС, обладающих повышенной радиационной стойкостью, в НИИ электронной техники.
Реализация и внедрение результатов работы.
Представленные в диссертации исследования являются результатом научной работы, проведенной на ряде научно-исследовательских институтов, предприятий и организаций (НИИ электронной техники, Воронежском заводе полупроводниковых приборов, НИИ приборов, Нововоронежской атомной станции, Ужгородском государственном университете, Ташкентском институте ядерной физики и др.). Работы выполнялись в рамках более чем 80 научно-исследовательских работ, выполняемых по заказам Министерства электронной промышленности. Реализацию данной работы также можно представить двумя направлениями: первое связано с определением показателей стойкости, второе, - с разработкой радиационно-стойких ИМС.
Результаты проведенных исследований по первому направлению позволили разработать ряд методик для прогнозирования стойкости и параметрической надежности биполярных ИМС. Данные методики согласованы с НИИ приборов, утверждены РНИИ "Электронстандарт" и внедрены в НПО "Электроника". Кроме того, разработана типовая методика испытаний и оценки стойкости ИМС биполярного технологического исполнения, которая конкретизирует госстандарт в части определения показателей стойкости.
Расчетные значений показателей стойкости нашпн отражение в отрасіквом справочнике.
Исследования, емзашпы;; с проектированием радиадионно-стойких ИМС, применялись в НИИ электронной техники, гти разработке ряда серий биполярных ИМС - 150:5, 1504,Ы50-, Б15С4, Мй, 1:0-1, 1Ю", ъегто tense IOC тилоночиналов. Основные рекомендации и правила создания радиациоино-стойкю. ИМС нашли отражение в ряде ?Д, выпущеянь;х как Н.ПО "Э:ч ктрсника", тлк и ограеллс в целом.
Кроме того, научные результати работы пиите кы и мяо.іда-гссісое пособие "Методи прогнозирования и оценки стойкости и надягностм итделий ппгктрогеюй техппш в условиях,алителькоп.) НИИ", И'цашэ.-ГНкП "3:>:щ!0п;тд!іщ) f.
Апробации pmkwiu. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях по вьшсліеаі:;:о Соки: -їси 6С ІПІР н ОКР л РІШИ 'Электоонетанларт", н НИИЇ1 и на предприятиях электронной промышленности за период с 1985 по 1998 год.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, в том числе: на II межотраслевой научно-технической конференции "Влияние кизкоинтсиекпимх излучений космического пространства и атсмлых станций на элементы и устройства радиоэлектроники и электротехники" (199бг); на Ш межотраслевой научно-технической конференции "Влияние иизкоинтенсивных излучений космического пространства и атомных станций на элементы и устройства радиоэлектроники v. хккгротехнтки" -IIP??), на Рслж-ійскоі' конференцій "Радиационная сгой-косп. электраины:: .'.і",сісм (С:онкс;"П, 9.'!)' (,199:!); Ме>ыу тар одной нзучно-іехпи'іеской конберенцмм "Актуапі-чь1'.: лрч'Ятсмм ачалі.'за я ;ібі.'.т:еч;н і я надежности и качества пр-(боров, у'( '-рейсів іг си'-гсм'1 (Пала, !')98 на '.1-ї-: научі з-тсхші'-сисой кгнреренции » Институте рт;іиочекгоон.і» (Вогиїтх, \% 5); на XXXV отчетной научной конференции і) ЗЛА Ііїор'їне:-!, І9'в).
Публикации <П'зу.ъ>тт< ра&епш. По т:"ме' диссертации опубликовано 47 печатных рмбог, i;, tov числе ^о-нм ра4іі.я "С«т:ма ирое<иір:>.і<".ния биполярных радиаци-оннэ-стойкнх ИМС ".
Структура а объем диссертация. Диссертация состоит из «ведения, шести глав, заключения, лпч.ка nnT«-]?.Vi У|'ч=і і' прнтжеклн. Mi.:'epua.i диссертации изложен на ?.48 страница ;., вкшечая илд :л:тр&; ниш. и материал.
