Введение к работе
Актуальность темы. '.- Тенденции развития современной электроники определяют все более широкое применение в составе электронной аппаратуры больших интегральных схем (БИС), главный образом цифровых. При этом нередко выдвигаются требования долговременного автономного функционирования аппаратуры в условиях дестабилизирующих воздействий, вследствие чего в ней наиболее часто используются БИС, выполненные по КМОП технологии. *
Среди многочисленных факторов; влияющих на функционирование аппаратуры при ее долговременной эксплуатации, особое значение имеет воздействие полей ионизирующих, излучений - электронов, протонов, ядерные частиц, ^-квантов. С подобной проблемой приходиться сталкиваться при проектировании аппаратуры в условиях воздействия космической радиации, излучения электрофизических и ядерно-энергетических установок, естественного фенового излучения и т.п. При этом специфика радиационной обстановки связана с низкой интенсивностью ионизирующего излучения и широким спектром воздействующих частиц, что приводит к некоторым' отличиям механизмов радиационных отказов. В это;л случае происходит как непрерывная деградация параметров интегральных схем." так и конкурирующий с ней процесс отжига радиационных повреждений, из-за чего наблюдается "плавное" нарушение работоспособности устройств. При этом отказы устройств проявляются в первую очередь на функциональном уровне и трудно поддаются описанию с помощью стандартных средств электрического моделирования. ..'--
Экспериментальное определение отказов функционально-сложных цифровых устройств в натурных условиях сопряжено'со значительными материальными и временными затратами,' поэтому не вызывает сомнений целесообразность применения средств расчетно-экспери-ментального моделирования воздействия ионизирующих излучений на элементную базу и аппаратуру. .
, . Существующие в настоящее время математические модели описывают, как правило, физические процессы взаимодействия излучения с полупроводниковыми структурами. Применение . этих моделей для анализа радиационной чувствительности таких . сложных устройств, как БИС, с учетом реального режима функционирования, практически невозможно. Более того, эти модели не учитывают возможность возникновения одиночных сбоев, которые возникают в БИС при воздейс-
твии отдельных высокоэнергетичных ядерных частиц. Таким образом, возникает необходимость создания расчетно-экспериментальных методов и средств моделирования радиационных отказов цифровых БИС и устройств, работающих в условиях воздействия низкоинтенсивных ионизирующих излучений. Этим вопросам и посвящена настоящая ра-. бота.
Целью диссертационной работы является разработка методов расчетно-экспериментального моделирования стісазов цифровых КМОП ЯС и устройств при воздействии стационарных низкоинтенсивных ионизирующих излучений, а таїсже методов и технических средств для исследования стойкости и проектирования стойких цифровых электронных устройств.
Научная новизна работы.
Разработаны метода 'расчетного моделирования' функциональных отказов цифровых ИС и устройств при воздействии стационарного низкоинтенсивного излучения. Разработаны принципы построения функционально-логических моделей и методики идентификации их параметров при их постоянной деградации. .
Разработаны методы расчетного моделирования одиночных сбоев в БИС при воздействии отдельных ядерных частщ. Разработаны алгоритмы прогнозирования вероятности появления одиночных сбоэв Е БИС. ' .'...
Разработаны методики экспериментального имитационного моделирования долговременных радиационных отказов и одиночных сбоеЕ в лабораторных условиях. Определены области применимости имитационных методов.
Определен набор требований к диагностирующей.!! тестируйте! аппаратуре при проведении радиационных испытаний цифровых ;ИС ..і БИС. Разработано ядро аппаратно-программного комплекса для проведения радиационных испытаний. . '..'.-'...'
. Выявлены возможности традиционных аппаратно-алгоритаически: /методов повышения стойкости цифровых;КС при воздействии радааци; низкой интенсивности. Предложены системно-алгоритмические метод повышения стойкости аппаратуры для этих условий. --
Практическая значимость работы.
Разработана система расчетного моделирования функциональных отказов цифровых ИС, БИС и устройств при воздействии стационарных ионизирующих излучений низкой интенсивности.
Разработан и', внедрен комплекс автоматизированных технических средств для проведения радиационных испытаний цифровых ИС. БИС и устройств.
Разработаны и апробированы методики проведения испытаний цифровых ИС на имитаторах.
Обоснована возможность и доказана эффективность применения аппаратных и системно-алгоритмических методов повышения радиационной стойкости цифровой электронной аппаратуры.
Результаты диссертационной работы вошли в отчетные материалы по НИР Альфа, Андромеда. Антей. Воздействие. Диагональ-Т-С. ДУС-ДНГ, Инструмент. Клип/ Перенос-3. Роща. Связь, Такт-256. Юпитер-1 и ряд других.
Результаты диссертационной работы внедрены в АО "Ангстрем". НПО "Циклон". ЭНПО "Специализированные электронные системы".
Результаты, выносимые на защиту.
-
Методы и методики расчетно-экспериментального моделирования функциональных отказов цифровых КМОП ИС, БИС и устройств при воздействии ионизирующих излучений низкой интенсивности.
-
Функционально-логические модели и результаты моделирования радиационных отказов ИС и БИС.
-
Методы прогнозирования одиночных сбоев. БИС при воздействии отдельных высокоэнергетичных ядерных частиц.
4.. Методики экспериментальных исследований цифровых ИС при радиационном воздействии и аппаратно-программные средства для их проведения.
5. Аппаратные и алгоритмические методы проектирования электронной аппаратуры для работы в условиях воздействия низкоинтенсивного ионизирующего излучения.
Апробация работы. ' Основные результаты диссертационной работы докладывались на 5-ой межотраслевой конференции (Челябинск-70, 1990), 5-ом межотраслевом совещании-семинаре "Проблемы создания полупроводниковых
приборов. ИС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ" (Петрозаводск 1991), 5-ой межотраслевой научно-технической конференции ."Воз действие ИИ на РЭА, элементы и материалы.' Методы испытаний; исследований" (Лнткарино, 1993), П-ом российском научно-техни ческом семинаре "Методы и средства обеспечения качества и надеж ности электрорадиоизделий для комплектации космических аппара тов" (Звенигород. 1994), 6-ом межотраслевом семинаре."Радиацион ныэ процессы в электронике" (Москва. 1994).
Публикации.
Результаты диссертационной работы .опубликованы в сек статьях и девяти тезисах докладов.
Объем и структура диссертации.
Диссертация содержит 189 страниц, .в том числе 76 рисункоЕ
список литературы из 136 наименований и состоит из введения, ш
ти глав и заключения. ' '
