Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Радиационные воздействия и конструктивно технологические методы повышения радиационной стойкости биполярных и кмоп схем 10
1.1 Основные радиационные эффекты в элементах интегральных схем 10
1.1.1 Классификация радиационных эффектов 10
1.1.2 Действие облучения на кремниевые биполярные транзисторы 12
1.1.3 Действие облучения на кремниевые униполярные транзисторы 12
1.2 Особенности технологии изготовления КМОП БИС с повышенной радиационной стойкостью 13
1.2.1 Технологические методы повышения радиационной стойкости КМОП БИС 13
1.2.2 Повышение устойчивости КМОП-схем к импульсам ионизирующего излучения большой мощности 19
1.2.3 Влияние технологии формирования подзатворного диэлектрика на радиационную стойкость ИС 20
1.2.4 Методика контроля радиационной стойкости МОП структуры 22
1.3. Методы повышения радиационной стойкости биполярных ИС 25
1.3.1 Конструктивно-технологические методы повышения радиационной стойкости ТТЛШ ИС 27
1.3.2 Увеличение радиационной стойкости ТТЛШ БИС с помощью метода радиационно-термической отбраковки з
Глава 2. Обоснование выбора схемотехнических и топологических решений при проектировании ис типа 1273ее2т с повышенной радиационной стойкостью 35
2.1 Специфика проектирования ИС типа 1173ЕЕ2Т с повышенной радиационной стойкостью 35
2.2 Проектирование радиационно-стойких усилительных и дифференциальных каскадов 42
2.2.1 Усилительные каскады 42
2.2.2 Дифференциальные каскады 43
2.2.3 Влияние гамма излучения на шумовые характеристики дифференциального каскада 47
2.3 Проектирование радиационно-стойких интегральных операционных усилителей 48
2.3.1 Влияние гамма-излучения на параметры интегральных операционных усилителей 48
2.3.2 Критериальные параметры для оценки стойкости интегральных операционных усилителей 50
2.3.3 Схемотехнические методы повышения радиационной стойкости ИОУ... 52
2.4 Выбор полупроводниковой структуры и состава необходимых элементов ИС
типаП73ЕЕ2Т 59
Глава 3. Анализ основных электрических параметров до и после испытаний на воздействие радиации на ис типа 1173ЕЕ2Т 68
3.1 Режимы и специфика работы ИС типа 1173ЕЕ2Т 68
3.1.1 Схема включения и блок-схема микросхемы 68
3.1.2 Импульсный источник питания +3,3 В 70
3.1.3 Импульсный источник питания +5 В 71
3.1.4 ШИМ-контроллеры источников питания +3,ЗВ и +5В 71
3.2 Характеристика разработанной ИС типа 1173ЕЕ2Т 74 3.3 Испытания на стойкость ИС типа 1173ЕЕ2Т к воздействию ионизирующего
излучения 80
3.3.1 Результаты испытаний ИС типа 1173ЕЕ2Т на стойкость к воздействию максимальной мощности экспозиционной дозы гамма-излучения 80
3.3.2 Результаты испытаний ИС типа 1173ЕЕ2Т на стойкость к воздействию экспозиционной дозы гамма-излучения 85
3.4 Оценка гамма-процентного ресурса ИС типа 1173ЕЕ2Т 87
3.5 Оценка гамма - процентного срока сохраняемости ИС типа 1173ЕЕ2Т 91
Глава 4. Способы отбраковки потенциально ненадежных интегральных схем 95
4.1 Способ неразрушающего контроля качества на примере ИС типа К561ЛН2 97
4.2 Способ отбраковки потенциально ненадежных схем с помощью динамических токов потребления на примере ИС типа КР1533ЛН1 100
Основные выводы и результаты 104
Список литературы
- Действие облучения на кремниевые униполярные транзисторы
- Усилительные каскады
- Импульсный источник питания +3,3 В
- Способ отбраковки потенциально ненадежных схем с помощью динамических токов потребления на примере ИС типа КР1533ЛН1
Введение к работе
Актуальность темы. Разработка радиационно-стойких интегральных схем (ИС) является не только одним из перспективных направлений в современной микро- и наноэлектронике, но также просто необходимой для поддержания работоспособности высокотехнологичного оборудования, например, в условиях освоения космоса или вблизи ядерных силовых установок Поэтому, как правило, такие ИС находят применение в составе аппаратуры на борту космических летательных аппаратов, а также в различной военной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА)
Анализ сравнительных данных по радиационной стойкости различных ИС показывает, что далеко не все типы ИС способны гарантированно обеспечивать работоспособность аппаратуры в условиях воздействия указанных реальных уровней ионизирующего излучения Так МОП ИС, обладая высокой стойкостью к потоку нейтронов (до 1013 см"2), отличаются весьма высокой чувствительностью к гамма-излучению, и лишь отдельные типы ИС сохраняют работоспособность при уровне гамма-излучения 10 рад
Повышенные требования по стойкости к радиации полупроводниковых изделий, а именно к потоку нейтронов порядка 1015 см" и гамма-излучению порядка 106 рад, определяют актуальность разработки радиационно-стойких ИС
Диссертация выполнена на кафедре полупроводниковой электроники Воронежского государственного технического университета в рамках госбюджетной программы ГБ-04 34 «Исследование полупроводниковых материалов (Si, А3В5 и др), приборов и технологии их изготовления», номер гос регистрации 0120 0412888
Цели и задачи работы. Цель работы состояла в исследовании известных и разработке принципиально новых конструктивно -технологических и других комплексных методов повышения радиационной стойкости биполярных и КМОП ИС и применению их в разрабатываемой ИС типа 1173ЕЕ2Т (контроллер источника питания), вьтолненной по БиКМОП технологии
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи
1 Изучить проблемы разработки радиационно - стойких
биполярных и КМОП ИС на современном этапе, а также возможности их
исполнения на территории РФ
2 Разработать и апробировать комплекс мер для повышения
радиационной стойкости как биполярных, так и КМОП ИС, в том числе и к
импульсам гамма-излучения большой мощности с учетом уже известных
<онструктивно-технологических методов и с применением новых
технологических, топологических и схемотехнических решений
3 Разработать радиационно-стойкий операционный усилитель (как
един из важнейших функциональных блоков контроллера источника
штания) и обосновать выбор схемотехнических решений для цифровых и
шалоговых блоков ИС
4 Внедрить предложенные методы увеличения радиационной
тойкости применительно к ИС типа 1173ЕЕ2Т, провести испытания (в том
числе и на радиационную стойкость), проанализировать изменения основных параметров ИС после воздействия радиации с целью оценки эффективности применяемых методов повышения радиационной стойкости
5 Рассчитать гамма-процентный ресурс и срок сохраняемости ИС
типа 1173ЕЕ2Т (после воздействия гамма-излучения)
6 Разработать методы отбраковки потенциально ненадежных ИС
Научная новизна работы. В работе получены следующие
новые научные и технические результаты
-
Спроектирован радиационно-стойкий операционный усилитель для ИС типа 1173ЕЕ2Т с учетом экспериментальных данных, с применением всех рассмотренных конструктивно-технологических методов, включая предложенные впервые топологические и схемотехнические решения для повышения радиационной стойкости ИС Разработанная ИС типа 1173ЕЕ2Т выполнена на основе коммерческого процесса по БиКМОП технологии
-
Разработано два способа отбраковки потенциально ненадежных интегральных схем методом измерения и анализа форм динамических токов потребления
Реализация результатов работы, практическая значимость.
-
Разработан радиационно-стойкий операционный усилитель (как один из важнейших функциональных блоков контроллера источника питания) с обоснованием выбора схемотехнических решений для цифровых и аналоговых блоков ИС
-
С применением комплекса мер для повышения радиационной стойкости как биполярных, так и КМОП ИС, с применением известных конструктивно-технологических методов и с использованием новых, в том числе проектирование схемотехники функциональных блоков ИС с учетом ухода пороговых напряжения транзисторов под действием гамма-излучения, секционирования и др, спроектирована радиационно-стойкая ИСтипаП73ЕЕ2Т
-
Проведены испытания ИС типа 1173ЕЕ2Т (в том числе и на воздействие радиации) и проанализированы изменения основных электрических параметров Показано, что схемы обладают стойкостью к максимальной мощности дозы гамма-излучения 1*107 рад/с и к накопленной дозе гамма-излучения 3,3*107 рад, что свидетельствует о пригодности применяемых комплексных мер по улучшению радиационной стойкости БиКМОП ИС
-
Рассчитанные значения наработки до отказа (Тнм) ИС типа 1173ЕЕ2Т при Т=25С и Т=85С удовлетворяют требованиям, приведенным в ТУ Рассчитанное значение гамма - процентного срока сохраняемости ИС типа 1173ЕЕ2Т при Т=25С равно Т^ ~ 658000 ч , что соответствует значению, приведенному в ТУ
-
Разработаны два способа отбраковки потенциально ненадежных схем на основе измерения и анализа форм динамических токов потребления на примерах ИС типа К561ЛН2 и КР1533ЛН1 (патенты РФ №2284538 и №2276378)
Основные положения и результаты, выносимые на защиту.
-
Радиационные эффекты в КМОП ИС Методы, основанные на использовании высоколегированных охранных р+-колец и тонкой эпитаксиальной пленки n-типа на высоколегированной подложке п-типа, обеспечивают отсутствие токов утечек и «защелкивания» схемы при воздействии гамма-излучения
-
Применение кольцевой конструкции п-р-п транзистора и метода радиационно-термической отбраковки позволяет получать ИС со стойкостью к потоку нейтронов порядка 1015 см"2
-
Схемотехнические методы увеличения радиационной стойкости функциональных блоков ИС типа 1173ЕЕ2Т, такие как радиационная стабилизация напряжения на выходе дифференциального каскада с применением приемов секционирования транзисторов и резистивных нагрузок
-
Результаты испытаний на стойкость к воздействию гамма излучения ИС типа 1173ЕЕ2Т, анализ, сравнение и изменение основных параметров до и после воздействия с целью подтверждения эффективности применяемых комплексных мер Расчет гамма - процентного ресурса и гамма - процентного срока сохраняемости ИС типа 1173ЕЕ2Т после воздействия радиации
-
Два способа отбраковки потенциально ненадежных ИС на основе измерения и анализа форм динамических токов потребления позволяют выявлять потенциально ненадежные схемы методом неразрушающего контроля
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международных научно-методических семинарах «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах» (Москва, 2004, 2005, 2006), 11-ой, 13-ой Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика» (Москва, 2004, 2006), 45-47 конференциях профессорско - преподавательского состава, студентов, аспирантов и сотрудников ВГТУ (Воронеж, 2005-2007)
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования изложены в 16 научных работах, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и двух патентах РФ
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежит [9] поиск и разработка конструкции биполярных n-p-n-транзисторов, обеспечивающих высокую стабильность характеристик ИС при воздействии радиационного излучения, [2, 14-16] разработка схемотехнических решений для отдельных блоков ИС типа 1173ЕЕ2Т, [1, 10, 12, 13] поиск и разработка принципов новых диагностических методов оценки технологического процесса изготовления МОП ИС, [3-8, 11] разработка двух методов отбраковки потенциально ненадежных ИС
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы Работа изложена на 115 страницах, включая 35 рисунков и 14 таблиц Список литературы содержит 92 наименования
Действие облучения на кремниевые униполярные транзисторы
Вторая задача получения КМОП схем, устойчивых к большим дозам гамма излучения, связана с получением рабочих транзисторов с малым дрейфом пороговых напряжений. Величина дрейфа порогового напряжения связана с величиной и полярностью напряжения, приложенного к затвору во время облучения. При положительном напряжении на затворе величина дрейфа порогового напряжения максимальна, при нулевом или отрицательном напряжении уход порогового напряжения минимален. Так как в схеме положительное напряжение подается только на п - канальные транзисторы, то именно они наиболее чувствительны к воздействию ионизирующего излучения. Поэтому большое внимание необходимо уделять отработке технологического процесса (выбора проектных норм, толщины подзатворного диэлектрика, режимов проведения операций).
Поскольку гамма-излучение главным образом влияет на подзатворный диэлектрик (тем самым ухудшая радиационную стойкость всей ИС), то для увеличения его радиационной стойкости необходимо определить зависимость сдвига напряжения плоских зон от режимов формирования оксида, от его толщины, от режимов отжига и от режимов последующих операций формирования ИС и выбрать оптимальные условия для технологического процесса изготовления пластины. На рис.6 приведена зависимость сдвига напряжения плоских зон после гамма облучения дозой 10 рад для «пирогенных» оксидов кремния разной толщины. Видна резкая зависимость напряжения плоских зон от толщины Si02.
На рис.7 приведена зависимость сдвига напряжения плоских зон после гамма облучения дозой 10 рад от температуры отжига подзатворного оксида после формирования. Видно, что при повышении температуры отжига выше 850С сдвиг порогового напряжения начинает резко возрастать [24-26].
Зависимость сдвига порогового напряжения п - канального транзистора с «пирогенным» подзатворным оксидом кремния от его толщины (для дозы гамма облучения 10 рад). Рис.7. Зависимость сдвига порогового напряжения п - канального транзистора с «пирогенным» подзатворным оксидом кремния от температуры отжига. Толщина Si02 равна ЗООА. Время отжига 1 час.
В работах [27, 28] исследовалось влияние операций нанесения поликремния, плазмохимического травления, напыления алюминия, вжигания алюминия и других операций технологического маршрута на сдвиг порогового напряжения. Установлено, что при оптимально выбранной толщине подзатворного оксида и режимов его формирования и отжига, последующие операции формирования схем не влияют на уход пороговых напряжений МОП транзисторов. Таким образом, при соблюдении описанных конструктивно-технологических решений, правил проектирования и технологии изготовления с учетом специфики, условий и режимов работы ИС, может быть получен технологический маршрут, обеспечивающий получение КМОП схем, устойчивых к гамма облучению.
Радиационная стойкость подзатворного оксида МОП структуры обычно определяется путем облучения структуры в активном режиме (с приложенным на затвор положительным напряжением). Чувствительность диэлектрика оценивается по сдвигу порогового напряжения МОП транзистора или по сдвигу напряжения плоских зон МОП конденсатора. Изменение этих характеристик МОП структур в сильной степени зависит от множества различных технологических факторов, причем влияние каждого из них не до конца понятно. Поэтому на этапе отработки технологии необходимо проведение многофакторных экспериментов с большим количеством оценочных измерений. В этом случае испытание МОП с помощью источников на основе Со60 не обеспечивает оперативного получения информации на большом количестве образцов. Для прогнозирования стойкости использовался электрический метод, основанный на лавинной инжекции электронов в оксид.
Суть метода состоит в следующем: исследуемый подзатворный оксид подвергается воздействию положительных импульсов высокого напряжения, во время которого происходит тунелирование электронов из подложки в оксид. Некоторая часть инжектированных электронов посредством ударной ионизации приводит к образованию электронно - дырочных пар в объеме оксида (рис.8).
Усилительные каскады
Сложно говорить в общем о радиационной стойкости (особенно о применении специальных схемотехнических приемов) ИС, вследствие разности специфики назначения схем. Это определяет особенности как при проектировании схемотехники, так и при выборе конструктивно-технологических решений в зависимости от выбранных проектных норм, технологического процесса, условий и режимов эксплуатации ИС. Поэтому целесообразно перейти от общего к частному: в первой главе были рассмотрены конструкции элементов, составляющих полупроводниковую структуру ИС, однако, применение таких конструкций является всего лишь необходимым, но не обязательно достаточным условием обеспечения требуемой радиационной стойкости разрабатываемой ИС. Все рассмотренные ранее методы повышения радиационной стойкости также были использованы при выборе технологии изготовления, проектных норм и отработке техпроцесса (выбор операций и режимов их проведения). Рассмотрим ряд специальных схемотехнических и топологических приемов на примере разработки радиационно-стойкой ИС типа 1173ЕЕ2Т.
ИС типа 1173ЕЕ2Т является контроллером источника питания. Предназначена для использования в качестве ШИМ - контроллера (широтно-импульсная модуляция) понижающего импульсного источника питания для аппаратуры с батарейным питанием от 5,5 В до 30 В. ИС позволяет построить источник питания на два напряжения: 3,3 В; 3 А и 5 В; 3 А. ИС типа 1173ЕЕ2Т выполнена по БиКМОП технологии (по 2-мкм проектным нормам).
В случае МОП транзисторов для исключения инверсии поверхности кремния под локальным оксидом под действием ионизирующего излучения предлагается использовать р+ - охранное кольцо, которое формируется под тонким оксидом и легируется одновременно с истоками и стоками р -канальных транзисторов (рис.11). Такой уровень легирования (более 10 см" ) полностью исключает инверсию типа проводимости при любых дозах облучения. Для исключения снижения пробивных напряжений стока рабочего транзистора охранное кольцо выполнено с зазором 2,5 мкм от стока (данные приведены для 2 мкм-технологии, зазор «охранное кольцо» - сток определяется проектными нормами).
Чтобы не возникало утечек исток - сток в области выхода затвора на локальный оксид затвор выводится на охранное кольцо по тонкому подзатворному оксиду. Такая конструкция п - канального транзистора обеспечивает пробивные напряжения стока более 20В и отсутствие утечек сток - исток под действием ионизирующего излучения с дозами не менее 10 рад. Рис.11. Топология n-канального транзистора с охранным кольцом
Для исключения эффекта тиристорного «защелкивания» в качестве подложки для ИС предлагается использовать тонкую низколегированную эпитаксиальную пленку п - типа с концентрацией примеси 1015 см"3 толщиной 8 мкм на высоколегированной подложке п - типа с концентрацией примеси более 1020 см" .
Для биполярных транзисторов устранение каналов утечки, возникающих при их облучении в активном режиме работы, обеспечивается следующими решениями. Коллектор n-p-п транзистора выполнен в форме кольца, причем n-область коллектора окружает эмиттерную область входного транзистора, а база этого транзистора также выполнена в форме кольца, расположенного между эмиттерной и коллекторной областями n-скрытых слоев под оксидом области изоляции (рис.12). Рис. 12. Топология радиационно-стойкого п-р-п-транзистора
Предлагаемое решение исключает условия образования паразитного транзистора (эмиттер-область n-скрытого слоя, база-подложка, коллектор -скрытый слой других элементов ИС, в том числе резисторов). Кольцевая конструкция входного транзистора ИС обеспечивает также дополнительный положительный эффект - объемную реализацию резистора, тело которого включено между базой и эмиттером. При входе транзистора в режим лавинного пробоя падение напряжения на нем обеспечивает отпирание входного транзистора и уменьшение (ограничение) рассеиваемой на нем мощности, что уменьшает вероятность отказа ИС при разряде статического электричества.
Применение указанных конструкций является необходимым, но не обязательно достаточным условием обеспечения требуемой радиационной стойкости, поэтому для разработки БиКМОП ИС типа 1173ЕЕ2Т дополнительно был рассмотрен ряд специальных приемов. Все аналоговые блоки на биполярных транзисторах, МОП-транзисторах и смешанного состава построены с использованием генератора тока типа "токовое зеркало". Такие генераторы тока и, собственно, аналоговые блоки работают в режиме постоянного тока, когда в каждом составляющем элементе протекающий ток не изменяется во время работы или же изменяется незначительно относительно некоторого режимного тока;
Все цифровые КМОП-блоки отличаются от аналоговых тем, что через КМОП - вентили ток протекает только в момент переключения. Поэтому ширину информационных шин и количество контактов можно выбирать практически в 10 раз меньше. Исключения составляют только шины питания и земли, в которых протекающий ток устанавливается постоянным для каждой рабочей частоты [61].
В цифровых блоках наиболее чувствительными к ИИ являются транзисторы и длинные соединительные шины. В схеме ИС типа 1173ЕЕ2Т все цифровые блоки построены на основе КМОП-вентилей, которые отличаются более высокой помехоустойчивостью по сравнению с обычными МОП-вентилями на транзисторах одного типа. Однако под воздействием гамма излучения помехоустойчивость КМОП-вентилей может ухудшиться вследствие дрейфа пороговых напряжений МОП- транзисторов. В п-МОП-транзисторах пороговое напряжение обычно уменьшается, а в р-МОП-транзисторах - увеличивается по абсолютной величине. При толщине подзатворного оксида ЗООА изменение пороговых напряжений составляет 0.2В (по экспериментальным данным измерений тестовых структур, подвергшихся радиационному воздействию). Поэтому для сохранения приемлемой радиационной стойкости КМОП-вентилей необходимо выбирать значения пороговых напряжений на уровне Vnnop= (0.6 - 1.0)В, Vpnop = - (0.4 0.8)В и проектировать схемотехнику с учетом возможного разброса пороговых напряжений под воздействием гамма облучения [62].
Импульсный источник питания +3,3 В
Напряжение +3,ЗВ генерируется стабилизатором на базе ШИМ с использованием двух N-канальных МОП ПТ, выпрямителя и выходного LC-фильтра. Сигнал управления затвором верхнего МОП ПТ может превышать по напряжению батарейное питание, что обеспечивается схемой вольтодобавки, использующей внешний конденсатор емкостью ЮОнФ, который подключается квыводуВБТЗ.
Синхронный выпрямитель ограничивает изменение напряжения на выводе LX3 при закрывании верхнего МОП ПТ благодаря открыванию выпрямительного диода. Максимально возможный выходной ток устанавливается с помощью внешнего низкоомного сенсорного резистора (слежения), который предотвращает чрезмерный ток дросселя при запуске и при коротком замыкании на выходе. С помощью установки внешнего конденсатора может быть задан программируемый плавный запуск ШИМ, что ограничивает резкие выбросы тока при запуске и дает возможность регулировать время установления выходного напряжения при включении питания.
Напряжение +5 В генерируется стабилизатором на базе ШИМ, подобным стабилизатору напряжения +3,3 В. При уменьшении входного напряжения на выводе V+ до 5В, выходное напряжение источника +5В плавно уменьшается в соответствии со снижением напряжения на входе V+ до того уровня, когда выходное напряжение внутреннего стабилизатора VL не достигнет своего порога блокировки 4В из-за недостатка входного напряжения на входе V+. В этой точке источник +5 В выключается. Рабочая частота обоих контроллеров на базе ШИМ по умолчанию равна ЗООКГц (вывод SYNC соединен с REF), но частоту можно изменить на 200КГц, отсоединив SYNC от REF и соединив его с GND или VL.
Два контроллера на базе ШИМ идентичны за исключением значения выходного напряжения. Блок-схема широтно-импульсного модулятора показана на рис.26. Компенсационное пилообразное напряжение
Блок-схема ШИМ Каждый широтно-импульсный модулятор работает независимо, за исключением того, что оба ШИМ используют один генератор, совместно используют опорное напряжение REF и источник питания внутренних логических цепей VL. Каждый ШИМ может быть включен отдельно посредством воздействия на выводы ON3 и ON5. Широтно-импульсные модуляторы представляют собой модуляторы прямого суммирования, не имеющие традиционных интегрирующих усилителей ошибки и связанных с ними схем сдвига фазы. Поэтому они не требуют никаких внешних элементов компенсационной обратной связи, если конденсатор выходного фильтра удовлетворяет требованию по значению эквивалентного последовательного сопротивления, которое приведено в разделе «Порядок разработки источника питания» [83].
Описываемый метод прямого суммирования позволяет создать идеальное управление «цикл за циклом» выходным напряжением. При большой нагрузке контроллер работает в режиме полной широтно-импульсной модуляции (без пропуска циклов). Каждый импульс синхрогенератора устанавливает верхний триггер-защелку и открывает верхний ключ на период времени, определяемый коэффициентом заполнения цикла (приблизительно, VOUT/VIN)- Когда верхний ключ закрывается, устанавливается триггер-защелка синхронного выпрямителя и через 60нс открывается нижний ключ (и остается в этом состоянии до начала следующего цикла, если режим работы без пропуска циклов, или до тех пор, пока ток, протекающий через дроссель, не достигнет нуля, если режим работы - «режим с пропуском циклов»). При ненормальной работе (неисправности, перегрузке и т.п.), когда ток через дроссель превышает пороговое значение (падение напряжения на сенсорном резисторе, с которого снимается напряжение обратной связи «резисторе слежения» превышает ЮОмВ), триггер-защелка верхнего ключа сбрасывается и верхний ключ закрывается.
При малых нагрузках ток через дроссель падает до значения, при котором падение напряжения на сенсорном резисторе уменьшается до значения ниже порога 25мВ, установленного компаратором минимальной величины тока. Когда это происходит, ШИМ переходит в «режим с пропуском циклов», в котором он пропускает большую часть импульсов генератора для того, чтобы уменьшить частоту переключения и сократить потери на переключениях. В такой ситуации импульсы управления затвором внешнего ключа (ПТ) блокируются вентилем, одним из входов которого является выход верхнего триггера-защелки, а другим - кратковременные импульсы сброса от генератора. Причиной этому то, что компаратор минимальной величины тока немедленно сбрасывает верхний триггер-защелку в начале каждого цикла, если только сигнал выходного напряжения на входе FB3(5) не упадет ниже заданного нижнего опорного уровня напряжения.
Способ отбраковки потенциально ненадежных схем с помощью динамических токов потребления на примере ИС типа КР1533ЛН1
Предельно допустимые, с точки зрения обеспечения радиационной стойкости, значения разбросов контролируемых параметров обычно регламентируются соответствующими техническими требованиями и контролируются в ходе изготовления ИС. Однако в силу групповых методов изготовления и выборочных методов контроля значения электрических параметров и электрофизических характеристик областей отдельных компонентов ИС могут выходить за установленные пределы. Можно утверждать, что существующие методы изготовления и контроля радиационной стойкости обеспечивают отбраковку потенциально ненадежных в условиях воздействия гамма излучения схем с высокой вероятностью, но полностью не гарантируют, что все схемы имеют одинаковый уровень радиационной стойкости. Количество таких потенциально радиационно-нестойких ИС в поставляемых партиях может существенно колебаться. Расчет вероятности отказов невозможен в силу чрезвычайного многообразия факторов, влияющих на возникновение отказов, и сложности учета формализованного описания зависимости отказов от каждого из них, отсутствия достаточно адекватных физико-математических моделей механизмов отказов ИМС вследствие ионизирующих воздействий. Известные конструктивно-технологические и схемотехнические методы повышения радиационной стойкости позволяют гарантировать работоспособность базовых элементов ИС и уменьшают (но не исключают) вероятность появления у потребителя отдельных образцов ИС с флуктуацией параметров за счет повышенной радиационной стойкости.
Естественно, что установление механизма разработки эффективного метода отбраковки потенциально ненадежных на этапе серийного изготовления ИС до отгрузки потребителям ИС с повышенной радиационной стойкостью является актуальной проблемой.
Известно [90, 91], что способом анализа форм (параметров) динамического тока потребления могут отбраковываться дефектные и потенциально ненадежные, как правило, цифровые интегральные схемы (ИС) малой, средней и большой степени интеграции, изготовленные по различным технологиям. Наличие аномалий в форме динамического тока потребления или его величины при обращении к заданному логическому элементу (или группе элементов) указывает на наличие дефектов ИС, что снижает потенциальную надежность данной схемы. Предлагается два способа отбраковки потенциально ненадежных схем методом анализа форм и параметров динамических токов потребления.
В первом способе на представительной выборке конкретного типа ИС набирается статистика значений измеряемого динамического тока потребления до и после воздействия электростатическим разрядом напряжением, равным предельно - допустимому потенциалу, указанному в технических условиях (ТУ), и после термического отжига при предельно -допустимой температуре, указанной в ТУ, в течение 1-8 часов. По полученным данным строятся поля корреляции по динамическому току потребления: первоначальное значение 1днач; значение после воздействия ЭСР 1дэсР и первоначальное значение 1д1ИЧ - значение после температурного отжига 1Дотж, по которым определяют два критерия для отбраковки потенциально ненадежных ИС: первый критерий: 1Днач, 1дэср А; второй критерий: 11Дотж - ІДнач А.
Во втором способе на представительной выборке конкретного типа ИС набирается статистика значений измеряемого динамического тока потребления в цепи питания и земли при выключении и включении инверторов схемы до и после воздействия электростатическим разрядом, напряжением, равным предельно - допустимому потенциалу, указанному в технических условиях (ТУ). По полученным данным определяют диапазон допустимых значений коэффициента К = Ідвь,кл/Ідвкл, где 1Двыкл -динамический ток потребления при выключении, а 1двкл - динамический ток при включении схемы, находят коэффициент А = KMAX/KMIN (КМАХ -максимальное значение К для одной ИС, КМш - минимальное значение К для той же ИС) для каждой схемы до и после воздействия ЭСР и определяют критерии для отбраковки потенциально ненадежных ИС: первый критерий: Анач 1,3; второй критерий: АЭСР 1,3., т.е. КМАх не должно превышать KMIN более чем на 30% как до воздействия (Анач) так и после воздействия ЭСР (АЭСР) для каждой схемы. ИС считается потенциально ненадежной, если она не удовлетворяет любому из этих двух критериев. Способ неразрушающего контроля качества на примере ИС типа К561ЛН2 Одним из методов неразрушающего контроля динамических параметров интегральных схем (ИС) является измерение динамических токов потребления.
Была поставлена цель - исследовать динамические токи потребления у ИС типа К561ЛН2, влияние воздействия электростатических разрядов и последующего отжига на величину этих токов.
При выключении инвертора наблюдались небольшие выбросы тока потребления, на порядок меньше токов потребления в выключенном состоянии, поэтому в дальнейшем они не рассматривались. В табл. 10 показаны типовые значения тока потребления ИС по инверторам, измеренные для обеспечения точности трижды.
На произвольно выбранных десяти ИС типа К561ЛН2 (шесть логических элементов «НЕ») измерили амплитуду динамических токов потребления с помощью стробоскопического осциллографа С7-8 для каждого из шести инверторов каждой схемы в момент его выключения. Результаты измерения для каждого инвертора каждой ИС представлены в
В на каждый вход и соответствующий вывод каждого инвертора, меняя полярность, после чего измеряем динамический ток потребления. Отжиг ИС проводили при температуре 100С в течение 1 часа. Затем строим графики -поля корреляции для значений динамических токов потребления: 1д„ач - Ідзср (рис.34 и 1днач - 1Дотж (рис.35. По данным полям корреляции установим критерии для потенциально ненадежных ИС:
На произвольно выбранных пяти ИС типа КР1533ЛН1 (шесть логических элементов «НЕ») измерили амплитуду динамических токов потребления с помощью стробоскопического осциллографа С7-8 для каждого из шести инверторов каждой схемы в момент его включения и в момент выключения до и после воздействия ЭСР. Результаты измерения до воздействия ЭСР для каждого инвертора каждой ИС представлены в табл.11, а рассчитанные значения К и Анач в табл.12. Минимальные и максимальные значения К в табл.12 отмечены шрифтом.
