Введение к работе
Актуальность темы. Для периода нормальной работы в отечественной практике установлено, что интенсивность отказов X для интегральных схем (ИС) высокой надежности характеризуется величиной от 10* до 10"9 1/ч и сверхвысокой надежностью от 10"' 1/ч и ниже. Учитывая линейную зависимость Л для этого периода от времени, получаем среднюю долговечность для ИС высокой надежности от 1 млн ч до 1 млрд ч и для схем сверхвысокой надежности более 1 млрд ч. Так как в календарном году 8760 ч.то это составит от 114 до 114155 лет и более.
В настоящее время в отечественных технических условиях (ТУ) на ИС установлены наибольшие показатели долговечности, равные 200 тыс.ч, и гамма-процентного ресурса сохраняемости - 25 лет при у - 95 %. Это практически сегодня полностью удовлетворяет все виды радиоэлектронной аппаратуры, в которых используются ИС. Но могут ли ИС практически сохранять свою работоспособность в течение 30 и более лег? Изменения каких составляющих конструкций схемы будут преобладать при длительной работе? Какими испытаниями можно подтвердить долговечность ИС? Возможно ли достоверно проптозировать по поведению основных электрических параметров долговечность ИС на основе длительных испытаний? Ответы на данные вопросы практически отсутствуют в научной литературе.
При прогнозировании долговечности высоконадежных ИС возможны два
подхода: исследование физико-химических процессов, протекающих в
элементах коїгструкции ИС, и составление выражений, отражающих
закономерности этих процессов (физические методы прогнозирования), и
математическое моделирование процесса деградации параметров ИС с
функциональным оператором, подобным функциональному оператору
исследуемого объекта (методы статистического прогнозирования).
Физические методы прогнозирования позволяют моделировать воздействие
одного или двух, максимум трех факторов, приводящих к ускорению
процесса старения схемы. Однако эти методы не позволяют прогнозировать
долговечность ИС в условиях эксплуатации рэдиоэлектротюй аппаратуры,
поскольку не удастся учесть влияние множества факгороп на их
долговечность. При прогнозировании долговечности высоконадежных ИС
методы статистического прогнозирования являются более
предпочтительными, однако нет единой точки зрения в выборе этих методов.
Спектр предлагаемых к использованию статистических методов
прогнозирования долговечности ИС по параметрическим отказам, базирующихся на позициях общих теорий, очень широк: имитационное моделирование, параметрическая надежность, распознавание образов, теория катастроф, анализ и прогнозирование временных рядов (метод Бокса-
Дженкинса) и т.д. Одним из преимуществ метода Бокса-Дженкинса перед другими методами прогнозирования является то, что он позволяет определить модели временных радов деградации параметров ИС, которые можно использовать для прогнозирования долговечности схем по параметрическим отказам. Но эти методы не доведены до практического использования в инженерной практике, поэтому в литературе отсутствуют конкретные практические примеры прогнозирования долговечности серийно выпускаемых ИС.
Данная работа выполнялась по теме ГБ 96-34 'Исследование и моделирование физических процессов в полупроводниковых материалах и приборах'.
Цель и основные задачи работы. Целью является решение научно-технической проблемы- прогнозирования долговечности серийно выпускаемых кремниевых биполярных ИС по параметрическим отказам, предназначенных дли эксплуатации в РЭА с длительным сроком активного существования. Для достижения этой цели определен комплекс основных работ, включающий:
анализ существующих методов прогнозирования долговечности ИС и долговечности элементов конструкции;
выбор метода прогнозирования долговечности биполярных ИС по параметрическим отказам;
определение минимального времени испытаний ИС, достаточного для получения достоверного прогноза по долговечности;
анализ и оценка долговечности кремниевых биполярных ИС, выпускаемых серийно Воронежским заводом полупроводниковых приборов (ВЗПП);
экспериментальное и теоретическое обоснование метода прогнозирования долговечности ИС по параметрическим отказам при длительных механических и климатических воздействиях.
Научная новизна. В результате выполнения диссертации получены следующие новые научные и технические результаты:
-
По данным наработки ИС типов 106ЛВІ и 134ЛБ1 в течение 70-120 тыс.ч разработан метод прогнозирования долговечности ИС по параметрическим отказам, основанный на методе Бокса-Дженкинса, применяемом для анализа и прогнозирования нестационарных случайных процессов и временных рядов различной природы.
-
Обоснована возможность использования разработанного метода для прогнозирования времени наступления параметрических отказов по данным наработки в течение времени, составляющего 20-30 % от гарантированной в ТУ долговечности.
3. Показано, что разработанный метод применим для прогнозирования процесса деградации электрических параметров ИС при длшельнмх механических и климатических воздействиях.
Реализация результатов работы. Практическая значимость
-
Разработан и реализован на ЭВМ мегод прогнозирования долговечности биполярных ИС по парамсірическим отказам, основанный на методе Бокса-Дженюшса.
-
Проведено прогнозирование времени наступления параметрических отказов ИС типов 106ЛЕ1, 134ЛБ1, 134РУ6, 1804ИР1, 582ИК1 поданным испытаний на долговечность продолжительностью 25 - 120 тыс.ч.
-
На основании предложенного метода прогнозирования долговечности ИС по парамсірическим отказам синтезирован класс моделей АРПСС для описания процесса деградации параметров U0l и Uoh ИС типов 106ЛБ1, 134ЛБ1, 134РУ6, 1804ИР1, 582ИК1, серийно выпускаемых ВЗПП. Деградация наихудших значений параметров при различных видах испытаний адекватно описывается обобщенной моделью APIICC(0,d,q) (для параметра Uoi.) и моделью АРПСС(рД0) (для параметра U0n). где d, q и р принимают значения 1 или 2.
-
Определена долговечность ИС типов 106ЛБІ, 134ЛБ1 по параметрическим отказам в условиях длительных механических и климатических воздействий.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Метод прогнозирования долговечности кремниевых биполярных ИС по параметрическим отказам на основе метода Бокса-Джснкинса.
-
Обоснование замены длительных испытаний ИС на долговечность их моделированием на ЭВМ на примере ИС типов 134РУ6, 1804ИР1, 582ИК1, имеющих наработку, составляющую 20-30 % от гарантированной в ТУ долговечности.
-
Использование данного метода для прогнозирования процесса деірадации электрических параметров ИС в условиях механических и климатических воздействий
Апробация работы. Рсзулыаты диссертации, полученные в рабоге, докладывались на ежегодных научно-технических семинарах: 'Шумовые и деградационные процессы и полупроводниковых приборах' (Москва, МЭИ, 1995-1996); на ежегодных межвузовских научно-технических конференциях." 'Микроэлектроника и информатика' (Москва, МГИЭТ, 1995-1996); на IX и X отраслевых научно-технических конференциях: 'Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов' (Воронеж, 1995-1996), на Международной научной конференции 'Системные проблемы теории
надежности, математического моделирования и информационных 1СХНОЛОІИЙ' (Москва-Сочи, 1996); на Международном семинаре 'Релаксационные явления в твердых телах' (Воронеж, 1995); на 35-37 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов (Воронеж, ВІТУ, 1995-1997).
Публикации. Но теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи в центральных журналах и монография. В работах, опубликованных с соавторами, диссертанту принадлежат проведение экспериментов, выбор модели, разработка алгоритмов и программ, расчет на ЭВМ, обсуждегше полученных результатов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и -приложения. Работа содержит 157 страниц, в том числе 26 таблиц, 44 рисунка, включая список литературы из 166 наименований.
