3.2. Цифрові і мікропроцесорні пристрої як об'єкти діагностування

Невиконання функцій, для яких призначені цифрові і мікропроцесорні пристрої, як правило, зумовлено наявніс­тю дефектів, які є фізичним явищем (обрив провідника, псування кристала та ін.). Дефекти, у свою чергу, формалі­зовано описують несправностями. Для успішної ідентифі­кації несправностей (визначення типу та знаходження міс­ця прояву) у цифрових і мікропроцесорних пристроях не­обхідно спочатку розглянути і визначити їх властивості як об'єктів діагностування. Насамперед це стосується мате­матичних моделей і типів та моделей несправностей, що виникають у них.

Дефекти і несправності цифрових і мікропроцесорних пристроїв

Основними компонентами сучасних цифрових і мік­ропроцесорних пристроїв (Ц і МПП) є компоненти підви­щеного ступеня інтеграції — ВІС і НВІС.

Несправність ВІС або НВІС. Це стан, зумовлений де­фектами одного чи кількох елементів внутрішньої струк­тури кристала або провідників, що з'єднують його з виво­дами цієї ВІС (НВІС). Враховуючи це, несправністю циф­рового чи мікропроцесорного пристрою вважають стан, зумовлений дефектами одного чи кількох компонентів (елементів) їх структури або провідників, що з'єднують компоненти в цю структуру.

Несправність Ц або МПП. Це формалізоване пред­ставлення факту прояву дефекту цих пристроїв у вигляді неправильних значень сигналів на входах і виходах.

Дефекти і несправності можуть бути сталими (постій­ними) чи несталими (короткочасними, що перемежовуються).

У життєвому циклі обчислювальних пристроїв виокремлюють три основних стадії: проектування, виробницт­во та експлуатацію. На кожній з них існує ймовірність виникнення конструктивних і фізичних дефектів. Ці про­цеси залежать від різних факторів, насамперед від техно­логії проектування і виготовлення, а також від елементної бази. Дефекти одного чи кількох компонентів прис­трою, порушення друкованого монтажу, призводять до збоїв і відмов.

Збій — короткочасне порушення правильної роботи цифрового чи

мікропроцесорного пристрою, після якого його працездатність відновлюється або її відновлює оператор без проведення ремонту.

Це порушення зумовлено дефектом, суть якого в тому, що в результаті тимчасової зміни показників окремих еле­ментів пристрою чи схеми його з'єднань протягом певного часу він буде функціювати неправильно.

У такому разі під відмовою будемо розуміти подію, яка полягає в порушенні працездатності об'єкта, що не самовідновлюється. Це безповоротне порушення характерис­тик окремих елементів обчислювального пристрою або схеми з'єднань.

Залежно від місця виникнення в інтегральній схемі визначають такі типи дефектів:

— пов'язані з фізичними явищами у внутрішній струк­турі кристала;

— зумовлені явищами на поверхні кристала.

За причинами виникнення виокремлюють групи де­фектів:

— пов'язані з недосконалістю конструкції і технології, що з розробленням і впровадженням досконалішої техно­логії та процесів виробництва зменшуються;

— спричинені короткочасними перевантаженнями напруги або потужності;

— пов'язані з вадами проектування і конструювання.

Надзвичайно важливим є пошук дефектів компонентів, що проектуються, зокрема ВІС та НВІС. На стадії проектування особливу увагу звертають на методи контролепридатного проектування, тестопридатність і верифікацію. Новий клас систем тестування — верифікатори (тестери) дослідних зразків — орієнтований на інтегральні схеми з коротким циклом проектування. Верифікатори належать до засобів імітаційного моделювання. Під час проектуван­ня їх застосовують ширше, ніж методи і засоби безпосеред­нього контролю, що використовують у лабораторних умо­вах (візуалізація дефектів, мікрозондування, засоби моди­фікації та ремонту кристалів).

Важливу роль у життєвому циклі Ц і МПП відіграє стадія виробництва, що охоплює вхідний контроль ком­понентів, відбір комплектуючих виробів, монтаж і налагодження пристрою. Виробництво пристроїв і систем, побудо­ваних на їх базі, пов'язане з можливістю внесення дефектів на кожній стадії технологічного процесу складання.

Найважливішими причинами виникнення дефектів на етапі виробництва пристроїв є:

— дефекти компонентів;

— відхилення технологічного процесу складання від встановлених норм;

— суб'єктивні фактори (психофізичні особливості лю- дини-оператора).

До найтиповіших дефектів виробництва належать:

— короткі замикання між друкованими провідниками на платі;

— обрив провідників на друкованій платі;

— неправильна орієнтація мікросхем щодо шин жив­лення;

— монтаж елемента з іншими реалізуючими функціями.

Кількість і типи дефектів залежать насамперед від рів­ня технології виготовлення пристроїв і на різних підпри­ємствах і фірмах можуть значно відрізнятись.

З розглянутого матеріалу видно, що значна частина несправностей зумовлена дефектами комплектуючих виробів, короткими замиканнями, обривами провідників та ін. Тому на етапі виробництва особливу увагу слід звер­тати на організацію вхідного контролю компонентів обчис­лювальних пристроїв, а також на технологію і якість їх монтажу.

Рис. 3.1. Взаємна залежність дефектів, несправностей, збоїв і відмов

На стадії експлуатації дефекти і відповідні їм несправ­ності, які з'явилися під час виготовлення пристрою та в пе­ріод його експлуатації, призводять до збоїв і відмов. Вони пов'язані з фізичним руйнуванням компонентів пристрою чи поступовим погіршенням його характеристик. Дефекти, несправності, збої та відмови взаємно залежать один від од­ного. Цю особливість показано на рис. 3.1.

Багато дефектів ІС, зокрема ВІС і НВІС, не завжди про­являються як константні несправності (наприклад, інвер­сія (лат. inversio — перестановка) біт в елементах компо­нентів на МОН-структурах та ін.).

Крім того, ВІС і НВІС до постачання споживачеві під­дають переважно обмеженому контролю. Тому відмови можливі на етапі експлуатації, коли подають заборонені комбінації сигналів, які використовують у процесі вихід­ного контролю або коли змінюють певні параметри ком­понентів, що викликають непередбачувану поведінку пристрою.

Інтенсивність збоїв ІС та Ц і МПП на один-два порядки вища, ніж інтенсивність відмов. Збої можуть проявлятися при зміні: напруги живлення; допустимих завад; статич­них і динамічних показників компонентів; граничних внутрішніх співвідношень вхідних сигналів і сигналів стробів; внутрішніх імпульсних завад у колах живлення і сигнальних провідниках; внутрішніх завад і значень сиг­налів на фронтах.

Певними особливостями характеризують відмови НВІС запам'ятовуючих пристроїв (ЗП) бортових цифрових обчислювальних комплексів. Найбільше впливають на їх роботу збої, що виникають у ЗП і спотворюють не тільки дані, але й програми роботи. Головна причина появи таких збоїв — наявність у матеріалі корпусу НВІС молекул ура­ну і торію, при ядерному розпаді яких з'являються альфа-частинки. При гальмуванні вони створюють заряди, які призводять до утворення хибного сигналу на виході ЗП. Дія альфа-частинок на запам'ятовуючі елементи динаміч­них ЗП викликає перехід зі стану логічного «0» і «1», що, в свою чергу, призводить до несправностей на момент пере­давання даних. Статичні ЗП також схильні до впливу аль­фа-частинок, але значно менше.

Другим найбільш помітним джерелом збоїв є космічні промені. Накопичення енергії під їх дією в чутливому об'ємі НВЇС призводить до її хибного функціювання.

Статичні і динамічні несправності.

Дефекти (несправнос­ті) за характером прояву поділяють на детерміновані (дефек­ти, що проявляються постійно) і випадкові.

У детермінованих несправностях виокремлюють статич­ні і динамічні.

До несправностей статичного типу належать не­справності Ц і МПП, що проявляються на частотах значно нижчих від робочих. Вони є декількох типів.

Логічні несправності — несправності логічних елемен­тів і компонентів, побудованих на основі Ц і МПП, обриви зв'язків, які призводять до зміни логічних функцій, що реалізують ці елементи і компоненти. Питома вага логіч­них несправностей може становити до 90% і більше від кількості всіх несправностей, що ідентифікують.

Логічні несправності описують математичні моделі константних несправностей — «константний нуль» і «кон­стантна одиниця». їх подають як модель «константного ну­ля» («≡0»): y_i≡0 при {х_i}, (і = 0,1), х_i={0,1}; модель «кон­стантної одиниці» («≡1»): у_і≡1 при {х_i}, (і=0,1), х_i= {0,1}; де х_1гх₂,...,х_п — вхідні змінні; у_i — стан i-го виходу струк­тури цифрового пристрою.

Суть моделі полягає в тому, що, подаючи на входи циф­рової структури будь-які дозволені набори змінних двійко­вої алгебри Буля, на одному або кількох функційних вихо­дах структури встановлюється «константний нуль» або «константна одиниця». Таку модель часто називають кла­сичною і використовують для опису інших типів несправ­ностей.

Раніше при розробленні методів ідентифікації не­справностей за допомогою систем тестового діагностуван­ня цифрових пристроїв, що були побудовані на основі ІС малого та середнього ступенів інтеграції, найчастіше ви­користовувалась саме така модель константних несправ­ностей.

Зміна логічної функції елемента — замість однієї функ­ції виконується інша.

Коротке замикання — виникає в результаті короткого замикання сигнальних ліній входів, виходів, сигнальних ліній і шин електроживлення, короткого замикання типу зворотного зв'язку.

Інверсні несправності — поява фіктивного інвертора (інверторів) на вході (входах) чи виході (виходах) структу­ри або її елементів.

Переплутування зв'язків — полягає у переплутуванні зв'язків цифрової структури.

Контактні несправності — результат обриву провідни­ків і відсутності контакту в крайових з'єднувачах пристроїв.

Несправності статичного типу цифрових пристроїв, по­будованих на ІС малого і середнього ступенів інтеграції, аналогічні несправностям статичного типу пристроїв, по­будованих на ВІС і НВІС.

До несправностей динамічного типу належать не­справності Ц і МПП пристроїв, що проявляються в динамічних режимах роботи, тобто в діапазоні від мінімальних до максимальних робочих частот.