Методическое пособие 700

законом, а механизмы отказов, вызываемые термическими, механическими и другими нагрузками, стохастически независимы, т.е. интенсивности отказов вследствие этих причин могут складываться

5.1. Расчет надежности по интенсивностям отказов

на одну структурную единицу ИС

На основании результатов, накопленных при эксплуатации большого количества ИС в ракетных комплексах «Минитмен» фирмой «Форд Моторс» (США), предложена математическая модель расчета надежности МОП ИС по данным об интенсивностях отказов на одну структурную единицу (площадь кристалла, площадь металлизации, активную площадь кристалла, количество сварных соединений и ступеней диффузии), работающих в активном режиме, т.е. непрерывно под напряжением питания, включенных на нагрузку.

Модель имеет вид:

= 0 ПQ ПТ А + сПQ ПТ ПЕ В +

Здесь с соответствующими индексами обозначены интенсивности отказов ИС, обусловленные следующими причинами:

0 – дефектами оксидного слоя под металлизацией, принята равной 10 10-9 ч-1 на 1мм2 площади металлизации ИС;

с – отказами сварных соединений проводников с контактными площадками, принята равной 0,37 10-9 ч-1 на одно соединение;

м – дефектами металлизации, принята равной 3,4 10-9 ч-1 на 1 мм2 площади металлизации;

д – дефектами процесса диффузии, принята равной 0,42 . 10-9 ч-1 на одну диффузионую операцию;

в – посторонними включениями на поверхности кристалла, принята равной 0,65 10-9 ч-1 на 1 мм2 площади активных элементов и металлизации;

кк – некачественным креплением

кристалла к корпусу, принята равной 6 10-9

ч-1;

пд – поверхностными дефектами, принята равной 0,065 10-9 ч-1 на 1 мм2 площади кристалла;

дк – структурными дефектами и включениями в кристалл, принята равной 0,51 10-9 ч-1 на 1 мм2 площади кристалла.

Сложность ИС в этой математической модели определяется коэффициентами: А – площадь металлизации, мм2 ; В – количество мест сварки; С – количество ступеней диффузии; Д – сумма площадей металлизации и активных элементов, мм2; Е – площадь кристалла, мм2.

Коэффициенты ПQ, Пт и ПЕ учитывают внешние факторы:

ПQ – коэффициент качества, т.е. эффективность отбраковки некондиционных ИС при заводских отбраковочных испытаниях, характеризующий степень жесткости приемосдаточных испытаний;

Пт – коэффициент, характеризующий температурный режим эксплуатации ИС в период активной работы и учитывающий явления термической деградации;

ПЕ – коэффициент, учитывающий другие, кроме температуры окружающей среды, условия эксплуатации ИС.

Для ИС, испытываемых по условиям класса А военного стандарта США № 883, коэффициент ПQ принимается равным 1; для ИС, испытываемых по условиям класса В того же стандарта, – 2, а по условиям класса С (без термотренировки) – 16. Для коммерческих ИС с термоэлектротренировкой он принимается равным 90 (тренировка 168 ч при температуре 125 °С); и при отсутствии тренировки – 150, в пластмассовом корпусе – 300.

Значения коэффициента Пт определяются с учетом формулы Аррениуса в предположении, что интенсивность отказов при увеличении температуры будет увеличиваться по экспоненциальному закону. Значения коэффициента Пт для раз-

ных температур, при которых работают ИС, следующие:

Коэффициент условий работы схемы ПЕ учитывает влияние условий окружающей среды (повышенной влажности, вибрации, ударов, соляной атмосферы и др.) на снижение надежности ИС. Значение коэффициента ПЕ для условий средней тяжести принимается равным 4, для наиболее тяжелых (но в пределах технических условий ИС) – 8.

Приведем для примера расчет надежности кремниевых ИС типа КР1043ВГ1 (контроллер периферийных устройств для ВМ), выполненных по МОП-технологии изложенным выше способом. Исходные

данные приведены в табл. П.5.1. Единицы обозначений указаны выше.

Подсчитаем интенсивность отказов по формуле (П.5.1).

= 10-9 (10 300 2 9,31 + 0,37 300 2 1 56 + 3,4 300 2 1 9,31 +

+ 0,42 300 4 + 0,65 300 1 23,94 + 6 300 2 1 + 0,065 300 26,1 +

+ 0,51 300 26,6) = 300 10-9 (186 + 41,44 + 63,308 +

+1,68 + 15,561 + 12 + 1,6965 + 13,566) =

=300 10-9 335,2512 = 1,0 10-4 (1/ч).

HDBK-217, в котором имеются разъяснения и некоторые отличия от отечественных понятий. Сокращения МИС, СИС, БИС обозначают соответственно ИС с малым, средним и большим уровнями интеграции.

К МОП относятся все полупроводниковые ИС со структурой «металл – оксид», которые включают n-МОП, р-МОП, КМОП- МНОП-схемы на различных подложках, таких как сапфир, поликристаллический или монокристаллический кремний.

ИС, содержащие менее чем 100 вентилей (приблизительно 400 транзисторов), считаются схемами малого и среднего уровня интеграции.

В отечественной практике ИС содержащая до 10 элементов компонентов включительно, считается схемой с малой степенью интеграции, а ИС, включающая от 11 до 100 элементов и компонентов

включительно – схемой среднего уровня интеграции.

Более сложные схемы (их сложность определяется числом вентилей или количеством транзисторов, равным 4 на 1 вентиль) считаются схемами высокого уровня интеграции (БИС). Не делается различий между монолитными цифровыми схемами малого и среднего уровня интеграции, поскольку для них предназначается одна и та же модель. Также нет различий между коэффициентами сложности для МОП и биполярных приборов, поскольку коэффициенты, которые определяют сложность, не зависят от особенностей технологии.

Для цифровых ИС число вентилей определяют исходя из логических диаграмм прибора, а при их отсутствии – посредством деления числа транзисторов на 4. Если J – K или R – S триггеры являются часть более сложной схемы, то считают,

что каждый из них эквивалентен 8 вентилям. В данном справочнике вентилем считают устройство, осуществляющее одну из следующих функций: «И», «ИЛИ» «НЕ – И», «НЕ – ИЛИ», «ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО ИЛИ», а также инверторы.

На монолитные запоминающие устройства (ЗУ) из-за их высокого отношения "вентиля на вывод" модели для ИС с малым, средним и высоким уровнем интеграции не распространяются. Их коэффициенты сложности зависят от числа бит и определяются из двух типов соотношений, различных для основных категорий монолитных запоминающих устройств: память с произвольной выборкой ЗУПВ и постоянная память ПЗУ. Однако в указанном справочнике постоянная память команд (ППК) и ассоциативная память (АП) относятся к тем же категориям, что и ЗУПВ и ПЗУ соответственно, поэтому для них применяются те же самые модели. Для

сложных (больших, чем двойные восьмибитовые) статических и динамических сдвиговых регистров необходимо использовать модель ПЗУ с битовым счетом; для сдвиговых регистров с меньшей сложностью – модель для цифровых интегральных схем с малым и средним уровнем интеграции. Для линейных схем, как МОП, так и биполярных, представлена одна и та же модель, коэффициенты сложности которой зависят от числа транзисторов.

В основу всех моделей монолитных ИС положено понятие т + м аддитивной

модели, т.е. = т + м.

Здесь – общая интенсивность отказов для монолитных схем; т – составляющая интенсивности отказов, обусловленная деградацией параметров во времени. Эта деградация определяется механизмами, которые ускоряются температурой и электрической нагрузкой. т определяется

главным образом явлениями, которые подчиняются зависимости типа Аррениуса; м

– составляющая интенсивности отказов изза механических причин (воздействие среды) и представляющая механизмы отказа, обусловленные непосредственными или косвенными механическими нагрузками (например, нагрузками, вызванными тепловым расширением)

На рис П.5.1 показана структурная схема для оценки интенсивности отказов, по которой рекомендуется делать расчет .

Для того, чтобы прогнозирование обладало ценностью, оно должно быть своевременным.

Качество ИС оказывает непосредственное влияние на интенсивность отказов и учитывается в модели в виде коэффициента ПQ. Для учета воздействия условий

эксплуатации на величину надежности ИС в модели вводится коэффициент ПЕ.

Условия эксплуатации для различных групп аппаратуры представлены в табл. П.5.2.

Военно-морская, незащищенная

Бортовая, в условиях обитаемого отсека транспортного самолета

Бортовая, в условиях обитаемого отсека истребителя

Бортовая, в условиях необитаемого отсека транспортного самолета

Бортовая, в условиях необитаемого отсека истребителя

В условиях запуска ракет или космических кораблей (спутников)

5.2.2. Монолитные биполярные и МОП-

цифровые ИС

малого и среднего уровня интеграции

(менее чем 100 вентилей)

NИнтенсивность отказов для указан-

U

ныхAИС вычисляется по формуле:

JT

AJF = ПL ПQ(С1ПТ1 + С2ПЕ)ПР,

гдеAλ – интенсивность отказов ИС (отка-

UT

зы/106 ч); ПL – показатель настроенности технологическогоAUF процесса, его величина определяется по табл. П.5.3; ΠQ – коэффи-

M

циентLуровня качества (табл. П.5.4); ΠТ1 – коэффициент температурного ускорения (табл. П.5.5); ПЕ – коэффициент жесткости условий эксплуатации (табл. П.5.6); C1, C2 – коэффициенты сложности схемы, зависящие от числа вентилей в ИС.

тывающий количество выводов (см. примечание к табл. П.5.7.)

Таблица П.5.3