Способ неразрушающего контроля качества сверхбольших интегральных схем по значению критического напряжения питания
METHOD FOR NON-DESTRUCTIVE QUALITY CONTROL OF SUPER-LARGE-SCALE INTEGRATED CIRCUITS BASED ON CRITICAL VOLTAGE VALUE

Изобретение относится к микроэлектронике, а именно к способам обеспечения качества и надежности интегральных микросхем (ИМС), и может быть использовано для разбраковки цифровых ИМС по критерию потенциальной ненадежности как на этапе производства, так и на входном контроле на предприятиях-изготовителях радиоэлектронной аппаратуры. Существует большое количество методов неразрушающей диагностики цифровых ИМС, однако они разработаны для конкретных типов ИМС и трудно переносимы на ИМС других типов [1, 2, 3]. К тому же известные методы не учитывают особенности сверхбольших интегральных схем (СБИС) типа микроконтроллеров и микропроцессоров. К особенностям этих СБИС можно отнести наличие блоков, выполненных по разной технологии, наличие нескольких внутренних источников питания, стабилизаторов напряжения и т.п. Разрабатываемые производителями тесты, такие как JTAG (Joint Test Action Group; употребляется как ассоциация с аппаратным интерфейсом для программирования, тестирования и отладки печатных плат), позволяют осуществлять контроль работоспособности СБИС в определенных условиях, но не дают информацию о надежности. Разработка методов диагностики СБИС типа микроконтроллер является актуальной.
Известные методы определения потенциальной надежности или сравнения надежности ИМС, основанные на измерении критического напряжения питания (КНП), базируются на последовательном снижении напряжения питания с номинального до некоторого минимального значения, при котором ИМС еще сохраняют функционирование [1].
Известно применение прогнозирующего контроля на основе метода критического напряжения питания [2]. Метод заключается в понижении напряжения питания от номинального значения до того, когда произойдет первый сбой в работе электронного устройства при одновременном его контроле. За критическое напряжение питания принимается предыдущее значение напряжения, перед которым произошел первый сбой в работе. Многочисленные эксперименты на статистически значимых выборках электронных устройств показали, что такой параметр является информативным в отношении таких скрытых дефектов как токи утечки, нестабильность пороговых напряжений, задержка распространения сигналов. Метод пригоден для таких устройств как дешифраторы 74НС139, 74НС139, КМОП коммутатор, цифровые потенциометры.
По патенту №2365930 РФ, МПК G01R 31/26, публ. 28.08.2009, известен способ отбраковки полупроводниковых изделий, при котором измеряют КНП изделия при нормальной и повышенной температуре, не превышающей максимальную температуру кристалла ИМС, и осуществляют отбор ИМС из расчета относительной величины изменения КНП.
Но данный способ применим только для ИМС, состоящих из одного блока. Для диагностики современных СБИС (микроконтроллеров и микропроцессоров) методы, созданные для ИМС малой и средней степени интеграции, не подходят. Это связано с несколькими причинами. Так микроконтроллеры могут иметь встроенную систему питания, генерирующую для отдельных блоков СБИС напряжения питания, отличающегося от питания схемы. Также необходимо учитывать наличие защитных систем.
Техническая задача изобретения заключается в том, чтобы расширить функциональные возможности способа диагностики интегральных микросхем с возможностью неразрушающего контроля качества и надежности программируемых СБИС типа микроконтроллеры и микропроцессоры.
Поставленная задача решена заявляемым способом.
Способ неразрушающего контроля качества сверхбольших интегральных схем по значению критического напряжения питания, при котором измеряют критическое напряжение питания при нормальной и повышенной температуре, отличающийся тем, что СБИС типа микроконтроллер или микропроцессор предварительно программируют тестирующей программой с возможностью раздельного диагностирования ядра СБИС, периферийных блоков, блока ввода-вывода информации, измеряют критическое напряжение питания выбранного блока, при минимальном значении которого выбранный блок сохраняет нормальное функционирование, путем подачи однократных тактирующих импульсов при пониженном напряжении питания, а вывод результата последующими тактами осуществляют через блок ввода/вывода при нормальном напряжении питания, для представительной выборки СБИС измеряют зависимость критического напряжения питания от температуры в диапазоне 10÷85°С в отношении выбранного блока, на зависимости выделяют информативную область, ограниченную прямой, соответствующей минимально допустимому рабочему напряжению в соответствии техническими условиями на конкретный тип СБИС, и кривой измеренной зависимости критического напряжения питания от температуры, и по площади этой информативной области оценивают надежность СБИС типа микроконтроллер или микропроцессор из выборки тем выше, чем больше указанная площадь.
Фиг. 1 поясняет исследование зависимости критического напряжения питания СБИС от температуры и выделение информативной области.
Способ неразрушающего контроля качества СБИС, в частности, микроконтроллеров, по значению КНП поясняется и осуществляется следующим образом.
Надежность микроконтроллера будет определяться наиболее подверженным к критическому напряжению блоком. При помощи тестирующей программы можно исследовать отдельно различные функциональные блоки микроконтроллера (ядро, периферийные блоки АЦП, таймеры-счетчики, аналоговый компаратор и т.д.).
В исследуемый микроконтроллер загружается вычислительная операция. Согласно технической документации процессор выполняет ее за один такт тактирующего сигнала, и в течение этого же такта записывает результат в регистр. Последующими тактами из регистра информация выдается на порт ввода/вывода. Такты подаются однократно, процессы обработки внутренних команд и исполнение арифметико-логических операций происходят при пониженном напряжении питания, а вывод результата через блок ввода/вывода - при нормальном. Таким образом, методом КНП устанавливают, при каком минимальном напряжении питания ядро микроконтроллера может надежно функционировать.
Для получения большего числа информативных параметров на представительной выборке микроконтроллеров проводится измерение КНП блока с наименьшим КНП. КНП измеряют при разных температурах в пределах рабочих температур, например, от плюс 10°С до плюс 85°С, по крайней мере, в отношении ядра микроконтроллера и строится зависимость критического напряжения питания от температуры. На основании этого исследования определяют влияние температуры на КНП.
Для проверки и обоснования способа исследование зависимости КНП от температуры было выполнено в отношении шести образцов микроконтроллеров ATmega8a в диапазоне рабочих температур 10÷85°С. За КНП принимается значение напряжения, предшествующее значению напряжения, при котором произошел сбой в работе электронной схемы. Результаты измерения КНП для всех образцов представлены в таблице 1.
За минимально допустимое напряжение питания принято значение, указанное в технических условиях на исследуемый микроконтроллер - 4,5 В. Эксперимент показал, что КНП ядра микроконтроллеров ATmega8a имеет прослеживаемую зависимость от температуры. На зависимости, как показано на фиг. 1 (отображает исследование образца №6), выделяют информативную область S, ограниченную прямой, соответствующей минимально допустимому рабочему напряжению в соответствии техническими условиями, и кривой измеренной зависимости КНП от температуры.
Для оценки и разделения микроконтроллеров по надежности для каждого образца графическим способом находят площадь (в °С×В) информативной области S, ограниченной прямой, соответствующей напряжению 4,5 В, и кривой зависимости КНП от температуры в диапазоне от 10°С до 85°С. Значения площади информативной области для всех исследованных образцов представлены в таблице 2.
Надежность микроконтроллеров из выборки будет тем выше, чем больше площадь S информативной области на графике зависимости КНП от температуры. Такая оценка надежности объясняется следующим.
1. У основной массы МК площадь S имеет значение близкое к среднестатистическому значению по всей выборке.
2. У менее стойких МК площадь S будет в диапазоне от нуля (так как будет стремиться к номинальному значению нормы по техническим условиям) до среднестатистического значения (образец №6 наиболее чувствителен к понижению напряжения, см. таблицу 1).
3. У более стойких МК площадь S будет выше среднестатистического значения (это МК №4 с большей надежностью).
Заявляемый способ позволяет количественно выражает стойкость блоков СБИС, в частности, микроконтроллера, к понижению питающего напряжения в диапазоне рабочих температур от 10°С до 85°С.
Исследование по методу КНП для осуществления неразрушающего контроля качества СБИС при разных температурах позволяет выявить наиболее чувствительные к низкому напряжению питания конструктивные блоки СБИС, в частности, блоки ядра и периферии микроконтроллера, и затем на основании полученных данных диагностировать и разделять электронные устройства по надежности.
Список цитируемых документов:
1. Горлов М.И. Диагностика в современной микроэлектронике / М.И. Горлов, В.А. Емельянов, Д.Ю. Смирнов / Минск.: Интегралполиграф, 2011. - 375 с.
2. Алмина Н.А. Контроль микроэлектронных устройств методом критических питающих напряжений / Н.А. Алмина, В.Ю. Гаврилов, Н.Н. Номоконова // Надежность и техническая диагностика, 2010. №1. - С. 115-120.
3. Винокуров А.А. Диагностика интегральных схем по частотных характеристикам при различных напряжениях питания и температурах / А.А. Винокуров, М.И. Горлов, А.В. Арсентьев, Д.М. Жуков // Вестник ВГТУ, 2014. - №3-1. - С. 128-132.
4. Горлов М.И. Патент РФ №2365930. МПК G01R 31/26. Способ выделения ИС повышенной надежности / М.И. Горлов, Н.Н. Козьяков, Е.А. Золотарева; опубл. 28.08.2009.