Моделирование изменения параметров-критериев годности при воздействии малой мощности

При эксплуатации ИС в космических летательных аппаратах на них воздействуют следующие внешние факторы: длительное ниизкоинтенсив-ное радиационное воздействие, различные температурные и электрические режимы. Специфичность этих процессов обусловлена не только радиационными воздействиями, но и естественным старением, возникающим в том случае, если мощность воздействия мала, т.е. возрастает длительность воздействия. Такое совместное воздействие радиации и естественного старения изменяет надежность изделий и, что особенно важно, влияние температуры и электрического режима на скорость деградации электропараметров не аддитивно. Важность прогнозирования поведения ИС в этих условиях определяется не столько даже стоимостью испытаний, сколько их продолжительностью. Достаточно сказать, что продолжительность испытаний для определения надежности при мощности воздействия Шс для некоторых ИС составляет более 30 лет. И поэтому единственной возможностью оценки работоспособности ИС является прогнозирование его на ЭВМ.

При исследовании надежности полупроводниковых ИМС используются следующие показатели: вероятность безотказной работы Щ^, интенсивность отказов (0, среднее время наработки до отказа (Т), гаммапроцентный ресурс и т.п. В значение этих показателей вносят вклад внезапные и постепенные (дрейфовые) отказы. Внезапные отказы зависят от множества случайных факторов - производственно-технологических и эксплуатационных. Причины появления внезапных отказов трудно формализовать и оценить посредством какой-то математической модели. Поэтому целесообразно рассмотреть только постепенные дрейфовые отказы или оценить параметрическую надежность. Изменение надежности изделий, обусловленное действием этого фактора, проявляется преимущественно в дрейфе характеристик и постепенных отказах приборов. Критерием отказа

является выход электропараметра за норму ТУ.

Таким образом, областью определения данной модели является параметрическая надежность.

В общих чертах физическая картина деградационного процесса сводится к следующему [1]. Рассматривается область приборной структуры, содержащая выход эмиттерного р-п-перехода к поверхности кремния и толстый полевой оксид кремния над ним. В результате воздействия статического излучения малой мощности в оксиде генерируются электронно-дырочные пары, которые мигрируют в БЮ2 под действием градиента концентрации и электрического поля. Электроны, имея гораздо большую подвижность, чем дырки, быстро покидают оксид, а дырки захватываются ловушками, образуя таким образом радиационно-индуцированный заряд. Накапливаемый в оксиде заряд, в свою очередь, вызывает увеличение поверхностного потенциала в месте выхода р-«-перехода к поверхности кремния, увеличение скорости поверхностной рекомбинации и, как следствие этого, увеличение поверхностных рекомбинационных потерь носителей заряда в р-п-переходе и снижение коэффициента усиления транзистора.

Специфика воздействия статического излучения низкой мощности заключается в том, что характеристическое время термического освобождения захваченных дырок с ловушек соизмеримо со временем облучения в диапазоне мощностей дозы Р = (0.01-100) Р/с. Поэтому в этом диапазоне вышеуказанные параметры будут зависеть от мощности дозы [1,2]. Электрический режим в процессе облучения влияет на миграцию электронов и дырок, кинетику захвата дырок ловушками, что, в конечном итоге, сказывается на деградации электропараметров. Деградация поверхностных зарядовых свойств в месте выхода р-п-переходов к границе раздела полупроводник - диэлектрик в конечном итоге влияет на свойства биполярных транзисторных структур, вызывая нежелательные эффекты [1,2]:

1) возрастание токов утечки, приводящих к отсутствию насыщения

обратного тока обратносмещенных p-n-переходов; смягчение обратных ВАХ р-п-переходов, снижение и нестабильность обратного пробивного напряжения на коллекторе;

2) шунтирование эмиттера с коллектором, приводящее к прямым утечкам коллектор-эмиттер, большому статическому коэффициенту усиления по току при малом коэффициенте усиления по переменной составляющей;

3) уменьшение эффективности эмиттера из-за омического шунтирования эмиттера с базой или значительного увеличения рекомбинационных потерь, что приводит к снижению нормального коэффициента усиления по току при малых плотностях тока инжекции.

Специфика воздействия длительного низкоинтенсивного ионизирующего излучения (ДНИИ) приводит к тому, что отмеченные деградаци-онные эффекты под действием радиации складываются (не обязательно аддитивно) с деградационными процессами, обусловленными естественным старением в процессе эксплуатации изделий. При малых интенсивностях ИИ диффузионные процессы и радиационное дефектообразование становятся процессами, ускоряющими друг друга и усиливающими деградацию электропараметров изделия в целом. Эти закономерности определяются эффектом мощности дозы, связанным с образованием и миграцией заряда в диэлектрике транзисторных структур.

В наиболее упрощенном виде модельное представление воздействия ДНИИ на надежностные характеристики ИМС должно содержать в дегра-дацинной части параметра критерия годности (ПКГ) три слагаемых: изменение ПКГ под действием естественного старения, изменение ПКГ под действием радиационной деградации и изменение ПКГ под действием неаддитивности этих процессов [3].

Причем, каждое из слагаемых должно иметь коэффициент (сомножитель), учитывающий влияние электрического режима и температуры

окружающей среды. Ввиду того, что показатели надежности ИМС носят вероятностный характер, желательно в качастве электропараметра-критерия годности иметь электропараметр, плавно изменяющий свое среднее значение и дисперсию в зависимости от времени наработки и условий среды, а также, чтобы изменение электропараметра в результате деграда-ционных процессов было соизмеримо с его абсолютным значением. В таком случае расчет показателей надежности ИМС может быть произведен с удовлетворительным доверительным интервалом при коэффициенте доверия 0,95.

Исходя из вышеперечисленных требований и предварительных результатов эксперимента в качестве параметра-критерия годности были выбраны максимальный выходной ток низкого уровня и выходное напряжение высокого уровня и строилась математическая модель аппроксимаци-онного характера [4].

Метод моделирования основывается на результатах, полученных на НПО «Электроника» за более чем 20 лет работы.

Сущность его заключается в том, что строится уравнение, описывающее изменение среднего значения ПКГ (с учетом среднеквадратичного отклонения) от времени (причем в это уравнение неявно входит доза воздействия). Среднеквадратическое отклонение, характеризующее разброс электропараметров и предназначенное для вероятностного расчета показателей надежности, вычисляется стандартным образом. Таким образом, кроме средних значений параметров аппроксимации модели, рассчитываются среднеквадратические отклонения параметров аппроксимации, по которым и оценивается параметрический ресурс изделия по гаммапроцентной доверительной границе.

Изменение ПКГ определяется по предложенной нами формуле [5].

У = Га + Уоб • Кмо + ¥ст • Ку + Ку .уоб -¥ст • Кмо • Кг ,

где У - общее изменение электропараметра; У0 - начальное значение

параметра; Уст - изменение электропараметра вследствие старения; Уоб -изменение электропараметра вследствие облучения; КМО - коэффициент, учитывающий изменения деградации от облучения вследствие различной мощности воздействия и температуры среды; КУ - коэффициент, учитывающий изменения деградации от старения вследствие различного электрического режима и температуры; Ку - коэффициент, учитывающий взаимное влияние процессов старения и "облучения".

Коэффициент влияния температуры и электрического режима равен

К у = Кт •К Э

где Кт - коэффициент влияния температуры; Кэ - коэффициент влияния электрического режима.

Коэффициент влияния температуры определяется из соотношения

" Е„

Кт = exp

к

Т + 273 Т + 273

V ПЕР 0 ^ ^ 1 ПРЕФ

где Еа - энергия активации; k - постоянная Больцмана; ТПЕР0, ТПЕРФ - температура кристалла (перехода) в нормальном и форсированном режимах соответственно.

Значение Ea определяется по формуле

N1

Еа = £ Чг • Еаг

'=1

где N1- число механизмов отказа; ^ - весовой коэффициент 1-го механизма отказа; Ea^ - значение энергии активации для 1-го механизма отказа.

Значения энергии активации для отдельных механизмов отказов (Ea) определяют экспериментально в соответствие с РД II 0755-90 одним из следующих методов:

на основе параллельных испытаний выборок в различных режимах (метод 2--1);

по накопленным данным (метод 2-2);

по результатам испытаний со ступенчато возрастающей нагрузкой (метод 2-3);

по результатам электротермотренировки (ЭТТ) при ступенчато возрастающей нагрузке (метод 2-4);

Перечисленные методы изложены в приложениях 2-5 РД II 0755-90.

При недостаточном объеме данных для определения ^ общий коэффициент рассчитывают по формуле:

Кт = 0,9 ехр

Е„

Т + 273 Т + 273

V ПЕР0^^'-’ ПРЕФ ~7

+

+ 0,1ехр

Е

к

1

1

Т + 273 Т + 273

V ПЕР0^^'-’ ПРЕФ -V

где Бамии и Еамакс - соответственно минимальное и максимальное значения энергии активации из диапазона наименьших значений для основных механизмов отказов.

Значение ТПЕР0, ТПЕРФ рассчитывают по формуле

ТПЕР = ТОКРСР + ^ПЕР -ОКРСР ' Р

где ТПЕР - температура перехода; ТОКРСР - температура окружающей среды; ЯПЕР.ОКРСР - тепловое сопротивление переход - окружающая среда; Р - мощность, которая определяется произведением тока питание на напряжения питания.

Коэффициент влияния электрического режима определяется из соотношения:

Кэ = Кэт Кэиап ,

где КЭт - коэффициент, зависящий от токовой составляющей. КЭнап -коэффициент, зависящий от составляющей напряжения.

При воздействии на ИС форсированным током коэффициент равен:

К эт =

При форсированном напряжении питания коэффициент равен:

1

1

к

К Энап = ехр

с

А •

,

где Jф - величина тока потребления при эксплуатации ИС в форсированном режиме; Jном - величина тока потребления ИС, в соответствии с режимами ТУ; иссф - величина напряжения питания при эксплуатации ИС в форсированном режиме; иссном - величина напряжения питания ИС, в соответствии с режимами ТУ; А, п - коэффициенты аппроксимации. Коэффициенты аппроксимации определяются из РД II 0755-90.

В случае отсутствия данных по изменению среднеквадратичного отклонения ПКГ со временем ее величина принимается равной

о = онач Кпр, 10)

где онач - начальное значение среднеквадратичного отклонения; Кпр - коэффициент определяемый видом приемки.

Коэффициент влияния температуры и малой мощности представляется в виде

Кмо = Км • К о

где Ко - коэффициент влияния температуры; Км - коэффициент влияния малой мощности.

Коэффициент влияния температуры определяется из соотношения

КО = С •

т

где - - время; т- постоянная отжига; С- параметр апроксиммации. Значение т определяется по формуле:

т = т0 •

где Т- температура среды; N - кратность воздействия температуры; т0, А, В - коэффициенты аппроксимации.

Коэффициент влияния малой мощности определятся для каждой ИС экспериментально. В случае невозможности провести испытания, опреде-

ление осуществляется по формуле для наихудшего случая

- в пределах мощности от 0.05 до 1Р/с:

К = 1 + 01 Км =1+ ТТ

М

где М -мощность;

- в пределах мощности от 0.05 до 0.01Р/с:

Км = 2 + , 4

М

Среднеквадратические отклонения параметров, входящих в математические модели параметров—критериев годности, рассчитываются по результатам испытаний и описываются известной формулой

1 N

8 2 = — I

где ^ср — среднее значение параметров аппроксимации, , характеризует вид параметра аппроксимации модели; Хji — значение параметра

аппроксимации, для которого расчетная точка модели совпадает с экспериментальной для каждой ИМС.

Для разработки данного метода и определения коэффициентов аппроксимации были проведены как теоретические (анализ литературных данных), так и экспериментальные исследования. Экспериментальные исследования проводились на ИС серии 530 с тестовыми структурами, а также на ИМС серий 134, 106, 1838, 1804. Кроме того, для определения деградации электропараметров от естественного старения использованы результаты, полученные на НПО "Электроника" в течение более 20 лет работы, более чем по 200 типономиналам ИМС различного конструктивнотехнологического исполнения.

Проведенные исследования позволили в качестве ПКГ взять следующие параметры:

— и0ь — выходное напряжение логического нуля;

— 1о^ — максимальный ток нагрузки по выходу в состоянии логического нуля.

В качестве надежностных показателей ИМС используются: средний ресурс, когда определяется временная точка пересечения среднего значения электропараметра с нормой ТУ, и гамма-процентный ресурс, когда определяется временная точка достижения гамма-процентной доверительной границы электропараметра (параметра—критерия годности) нормы ТУ.

На основе представленной модели, разработаны алгоритм расчета, методика и программный комплекс расчета показателей стойкости и надежности ИМС, эксплуатируемых в активном и пассивном режимах в полях гамма-излучения малой мощности при нормальной и повышенной температуре окружающей среды.

Литература

1. Зольников, В.К. Разработка схемотехнического и конструктивнотехнологического базиса ЭКБ / В.К.Зольников, А.А.Стоянов // Моделирование систем и процессов. 2011. № 1-2. С. 28-30.

2. Чибисов, Д.Е. Воздействие ионизирующего излучения на интегральные микросхемы. / Д.Е.Чибисов, В.К.Зольников // Моделирование систем и процессов. 2010. № 3-4. С. 60-67.

3. Зольников, В.К. Модель расчета накопленного заряда для учета радиационных эффектов в САПР ИЭТ / В.К.Зольников, А.П. Затворницкий // Моделирование систем и процессов. 2009. № 1-2. С. 16-22.

4. Зольников В.К. Оценка показателей стойкости и надежности биполярных ИМС, работающих в полях гамма-излучения малой мощности. // Проблемы обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Тез. докл. на-уч.-техн. конф. - Воронеж. - 1998. - С.47.

5. Моделирование и расчет параметров радиационно-стойких ИМС/ Телец А.В., Малилин В.Г., Малышев М.М., Зольников В.К., Нисков В.Я.// Радиационная стойкость электронных систем: Науч.-тех. сборник. - М.: СПЭЛС-НИИП. -1998. - С.23.