Введение к работе
Актуальность темы. Обеспечение работоспособности и- технических характеристик аппаратуры вычислительной техники и систем управления в условиях воздействия ионизирующих излучений (МИ) непосредственно связано с уровнем радиационной стойкости (PC) входящей в состав аппаратуры элементной базы, прежде всего изделий полупроводниковой электроники (ИПЭ) - инте-іральїшх схем (ИС) и полупроводниковых приборов (ПП). Важнейшими показателями PC современных ИПЭ являются уровень бессбойной работы (УКР) и время потери работоспособности (ВИР) при воздействии импульсных ИИ (НИИ).
Методы оценки показателей PC ИПЭ по результатам испытаний регламентируются нормативными документами (НД). Однако практическое использование указанных методов показало, что они в недостаточной степени учитывают реальные условия проведения испытании (дистанционные измерения, большой уровень радиационных и электромагнитных наводок, ограниченный обьем экспериментальных данных, разброс показателен стойкости однотипных изделий и т. д.). D связи с трудностями моделирования всей совокупности характеристик реальных НИИ и распространения результатов испытаний на диапазоны заданных внешних условий (прежде всего, температуры) и возможные рабочие режимы, а также в-силу указанных недостатков регламентируемых НД методов, значения УБРчі ВПР, определенные при испытаниях, как правило относятся только к конкретным условиям моделирующих установок (МУ) и не трансформируются к реальным условиям эксплуатации ИПЭ. Оценки показывают, что различие показателен ГС щт испытаниях и в реальных условиях может достигать десяти и более раз, что обусловливает актуальность разработки расчетно-эксиериментальных методов моделирования УБР и ВИР.
Несмотря на широкое развитие методов статистической обработки экспериментальных рсзультат'О-в, в практике радиационных испытаний до последнего времени иепользоватисьтолько простейшие из них, что объясняется необходимостью адаптации этих методов к конкретным условиям испытаний. Адаптация заключается прежде всего в исследовании условий и методов проведения измерений и установлении на этой основе весовых функций и коэффициентов с учетом целей испытаний и риска заказчика. Это приводит к необходимости разработки методов определения вероятностных оценок, показателей PC и реализующего их программного обеспечения. Актуальность этих исследований обусловлена необходимостью оценки показателей стойкости по результатам испытаний ограниченной выборки.
Функциональная сложность современных ИС, новые требования НД по оценке PC с учетом комплексного воздействия радиационных факторов и внешних условий в заданных диапазонах, а также возможных электрических
режимов обусловили увеличение необходимого объема испытаний на МУ, более чем на порядок. С учетом низкой производительности МУ испытания ИС становятся недопустимо длительными и дорогими. Предлагаемым в качестве альтернативы лазерным испытаниям присущи ряд ограничений (влияние металлизации, ионизация только полупроводников и др.), определяющих необходимость калибровки результатов имитационных испытаний на МУ. Поэтому целесообразно проводить оценку показателей PC ИПЭ при совместном использовании МУ и лазерных имитаторов (ЛИ). Актуальность разработки методов совместного использования МУ и ЛИ диктуется требованием обеспечения достоверности результатов испытаний при сокращении сроков и затрат па их проведение.
Актуальность указанных задач определили тему и цели диссертации.
Целью диссертационной работы является разработка методов прогнозирования показателей стойкости'ИПЭ к воздействию И ИИ по результатам испытаний с учетом различий амплитудно-временных характеристик НИИ при испытаниях и в реальных условиях, особенностей испытаний па МУ и имитаторах, статистического разброса показателей стойкости, погрешностей измерений, рабочих режимов и условий эксплуатации ИПЭ.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
разработкой расчстно-окспсриментальных методик оценки показателей ра
диационной стойкости ИПЭ (УБР и ВПР) с учетом различий амплитудно-
временных характеристик НИИ при испытаниях и в реальных условиях, а
также дистанционного характера измерений в условиях помех;
* исследованием достоверности и областей применения имитационных ис
пытаний, а также методики дозиметрического сопровождения лазерных
имитационных испытании;
Научная монизм» полученных в работе результатов.
Разработаны и обоснованы расчетно-эксперименгалыгае методики оценки показателей PC ИПЭ с учетом различий амгшпудио-врсменпых характеристик ИИИ при испытаниях и в реальных условиях, особенностей испытаний на МУ и имитаторах, статистического разброса показателен стойкости, погрешностей измерений, рабочих режимов и условий эксплуатации ИПЭ:
впервые разработан метод определения "наихудшего" (минимально-
возможного) значения УІзР на основе введенной автором характеристики
отклика ИПЭ на НИИ - коэффициента расширения импульса (КРЙ), не
требующий определения раднационно-передаточной характеристики (РПХ)
испытываемых изделий, что снижает риск заказчика и сокращает необхо
димый объем испытаний;
* предложен и обоснован метод определения УБР при заданной форме НИИ для ИПЭ с непрерывным изменением параметров-критериев, основанный на восстановлении РПХ испытываемых изделий по их отклику на ИИИ МУ и не требующий, в отличие от известных методов, разложения этого отклика по системе простейших функций, разработана методика оценки зависимости УБР от длительности и формы ИИИ;
введено и обосновано общее релаксационное уравнение для оценки эффек
тивного времени релаксации (г) для пороговых сбоев и отказов (ПСО) по
результатам испытаний на двух МУ с различными длительностями и про
извольными формами импульсов, позволяющее снизить погрешности оце
нок г до двух раз, на этой основе разработана методика оценки уровнен
ПСО для заданной формы ИИИ;
. впервые разработаны методики определения вероятностных оценок УБР по результатам испытании для ИПЭ с непрерывным изменением параметров -критериев стойкости и для ПСО испытываемых изделий;
предложен и обоснован метод определения максимально-возможных зна
чений времени потерн работоспособности ИПЭ в реальных условиях по ре
зультатам испытаний, в отличие от методов определения частных значений
ВПР по типовым формам ИИИ;
ф впервые предложен метод оценки предельно допустимых уровней ИИИ для КМОП ИС на основе измерений зависимости интегрального отклика ИС по току потребления на воздействие ИИИ от его уровня; - . * на основании исследований областей применения лазерных имитационных испытаний, методики их дозиметрического сопровождения разработана, и "пробирована базовая методика радиационных испытаний ИПЭ на стойкость к воздействию ИИИ, основанная на совместном применении моделирующих установок и лазерных имитаторов, позволяющая в несколько раз
сократить длительность испытаний и затраты на их проведение при одно-
. временном повышении информативности и достоверности результатов ис
пытаний. - .
Достоверность научных положений и выводов подтверждена экспери
ментальными результатами., полученными при испытаниях широкой номенкла
туры ИС и ПП, а также результатами практического использования разработан
ных методик па ведущих предприятиях-разработчиках ИПЭ - АО "Ангстрем" и
АО НЛП "Сапфир". '
Основным практическим результатом работы является разработка, ме
тодик прогнозирования показателей стойкости ИГГЭ к воздействию реальных
ИИ.И по результатам испытаний на моделирующих установках и лазерных ими
таторах. ... .'' ..
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1. Разработан и внедрен комплекс методик прогнозирования и оценки по
казателей PC:
методика учета различий временных форм воздействия НИИ и излучения МУ при определении уровнен бессбойной работы электрорадиоизделий с непрерывным изменением выходных параметров;
« методика экспериментальной оценки зависимости уровней пороговых сбоев и отказов интегральных схем от длительности и формы ИИИ;
-
Полученные результаты использованы в комплексе государственных стандартов «Климат» - в части методов прогнозирования показателей стойкости ИПЭ при ограниченных возможностях МУ.
-
Результаты работы использованы в руководящем документе МО РФ: РДВ 319.03.22-97 «Микросхемы интегральные 11 полупроводниковые приборы. Методы контроля радиационной стойкости на этапах разработки, производства и поставки. Общие методики имитационных испытании».
4. Разработана, согласована в установленном порядке н внедрена ь
НИИП, ЭНПО СПЭЛС методика.совместного использования ЛИ и МУ при ис
пытаниях ИС, позволяющего повысить информативность и достоверность ре
зультатов испытаний с учетом заданных в НД рабочих режимов я внешних ус
ловий.
5. Созданы новые методы и технические средства дня проведения радиа
ционных испытаний ИПЭ:
метод прогнозирования предельно допустимых уровней НИИ для КМОП ИС па основе измерений зависимости КРИ от уровня ИЙИ;
методы измерений КРЙ с помощью специально изготовленного интегратора и с использованием цифровых осциллографов типа TDS 220;
метод задания и измерения температуры кристалла ИС при испытаниях на совместное воздействие НИИ и положительной температуры;
методика измерения вольт-амперной характеристики паразитных тиристорних структур (ПТС) в составе КМОП ИС, позволяющая идентифицировать различные ПТС;
метод оценки условий возникновения тиристорного эффекта в КМОП ИС при воздействии ИИИ с учетом напряжения питания, температуры и уровня ИИИ. .
-
Получены оригинальные экспериментальные результаты но исследованию адекватности лазерных имитационных испытаний ИС в процессе сравнительных испытаний на МУ и ЛИ.
-
Разработана и внедрена в НИИП, ЭНПО СПЭЛС и на предприятиях электронной промышленности методика дозиметрического сопровождения лазерных имитационных испытаний на основе калибровочных методов дозиметрии.
-
Разработано программное обеспечение для прогнозирования и оценки показателей стойкости ИПЭ по результатам испытаний (более 20 программ).
0. Результаты диссертации вошли в отчеты по НИР «Аспект», «Юпитер», «Ипструмент-НИИП», «Перенос-Ш'ШП», «Аттестация» «Калибровка», выполненные по государственному заказу, и внедрены в в/ч 25580, НИИП, ЭНПО СПЭЛС, АО «Ангстрем».и ДО «НПП Сапфир».
Автор защищает:
1. Методики определения уровней бессбойнон работы ИС и ПП для заданной формы ИИИ по результатам испытаний на моделирующих установках, в том числе минимально возможные значения этик уровней, обеспечивающие минимальный риск заказчика и снижение погрешностей (до нескольких раз) результатов испытаний.
2. Методики определения вероятностных оценок УБР но результатам испытании для ИС и ПП с непрерывным изменением параметров - критериев стойкости и для пороговых сбоев и отказов испытываемых изделий, снижающие риск заказчика и повышающие достоверность оценок результатов испытаний.
-
Метод определения максимально-возможных значений времени потери работоспособности ИС л ПП в реальных условиях по результатам испытаний, обеспечивающий оценку на наихудший случай.
-
Прикладные математические модели, реализованные в виде программ расчетно-экспериментальпых оценок показателей стойкости ИС и ПП к воздействию ИИИ по результатам испытаний, на порядок снижающие время обработки результатов.
-
Методику дозиметрического сопровождения лазерных имитационных испытаний ИС и ПП, результаты экспериментальных исследований достоверности и областей применения этих испытаний и методику рационального сочетания испытаний ИС и ПП на моделирующих установках и лазерных имитаторах, обеспечивающего повышение достоверности результатов при сокращении (її несколько раз) затрат на проведение испытаний
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: II Всесоюзной научно-технической конференции (г. Ленинград, 1.9S0 г.); 4 Всесоюзной научно-технической конференции (г. Ленинград, 1986 г.); 5 межотраслевом семинаре «Проблемы создания полупроводниковых приборов, МС и РЭА на их основе, стойких к ВВФ» (г. Петрозаводск, 1991 г.); 5 Всесоюзной научно-технической конференция (г.Челябинск, 1990 г.); V] межотраслевой конференции (г. Лыткарипо МО, 1994 г.); VII Международной научно-технической конференции «Лазеры в науке, технике, медицине» (г. Сергиев Посад МО, 1996 г.); Международной конференции по ядерным и космическим радиационным эффектам (IEEE Nuclear Space Radiation Effects Conference - NSREC'96, Мндцап Вэлс, 1996 г.); IV Европейской конференции по радиации и ее влиянию па элементы и системы (4th European Conf. on Radiations and Its Effects on Components and Systems - RADECS'97, Канны, 1997 г.); Российских научных конференциях «Радиационная стойкость электронных систем - Стоикость-98 и Стойкость-99» г. (Лыткарипо МО, 199S, 1999 гг.); научно-технической конференции «Электроника, микро - и ланоэлектроника» (г. Суздать, 1999 г.); научной сессии МИФ! 1-2000 (Москва, 2000 г.), па научном семинаре НИИЯФ МГУ (Москва, 2000 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 68 работах,: ,40 статьях (10 без соавторов) и 28 тезисах докладов (в период с 1986 по 2000 гг.).
Объем и структура диссертации. Диссертация содержит 233 страницы печатного текста, включая 30 таблиц, 40 рисунков, списка литературы in SO наименований и состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений.
