книги из ГПНТБ / Скарлетт, Дж. Транзисторно-транзисторные логические интегральные схемы и их применение

и требовать уровень качества в закупочной спецификации или дру­ гом документе. Предполагалось, что подробные паспортные данные, разрабатываемые в соответствии со стандартом BS 9400, будут опре­ делять уровень качества, поэтому покупатели ИС, сославшись на определенный номер из серии BS 9400, будут иметь гарантию выпол­ нения определенных проверок, гарантирующих качество ИС, кото­ рые нет необходимости специально оговаривать в закупочной специ­ фикации.

2.4.1. Д Е Ф Е К Т Ы ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Физические допустимые отклонения при изготовлении ИС яв­ ляются действительно очень жесткими; при диффузии.могут возни­ кать и на практике имеют место различные дефекты, а в любом кри­ сталле кремния могут существовать нарушения кристаллической структуры, способные вызвать отказы приборов. Дефекты также могут быть вызваны микронеоднородностями фоторезиста, который используется для маскирования пластины при травлении окисного слоя. Всё такие дефекты, если они не проявляются при первом испы­ тании ИС на зондовых установках, могут вызывать ранние отказы готовых ИС. Многие из этих дефектов выявляются на этапе испыта­ ний пластин на зондовых установках, однако для сложных ИС испы­ тания могут быть неполными, в результате чего дефектные кристал­ лы на этом этапе не отбракуются.

В дальнейшем дефекты дополнительно вносятся при разламы­ вании пластины на кристаллы. Обычно кристаллы, поступающие от изготовителей, имеют чистые и ровные края, однако некоторые кри­ сталлы имеют более грубые края, поэтому существует риск, что микроскопические трещины могут распространяться в рабочую об­ ласть кристалла. Наблюдались случаи, когда единственный видимый* дефект у отказавшей в процессе эксплуатации ИС представлял собой оч£нь маленькую трещинку у одного края кристалла.

Приварка выводов также может вносить дефекты. В ходе этой операции ошибки неизбежны, поскольку она выполняется вручную операторами, использующими бинокулярные микроскопы и микро­ манипуляторы. Приварка контактных проволочек может оказаться некачественной и может быть выполнена не к тем контактам, к ко­ торым надо по схеме.

2.4.2. т р е н и р о в к а ис

Все указанные дефекты приводят либо к изготовлению негодных ИС, либо к их отказам в самом начале срока службы. Большая часть риска, связанного с такими ранними отказами, может быть устра­ нена с помощью так называемой «тренировки» ИС при повышенной

•температуре в течение примерно 160 ч, после чего осуществляется

полная проверка их характеристик. Насколько автору известно, все поставщики ТТЛ ИС за соответствующую дополнительную плату выполняют подобную тренировку.

Некоторые потребители настаивают на проведении тренировки и заявляют, что без нее затраты на замену дефектных ИС на этапе испытаний печатных плат могут быть слишком значительными. Другие заявляют противоположное — они считают, что дешевле закупать «стандартные» ИС по минимально возможной цене, трени-- ровать смонтированные платы перед испытаниями в течение некото­ рого времени, после чего заменять негодные с самого началами отка­ завшие при тренировке ИС. Очевидно, решение о том, оплачивать ли тренировку ИС, зависит от многих обстоятельств. Экономическую эффективность такой тренировки необходимо определять с учетом конкретных факторов. Необходимо, однако, помнить, что трени­ ровка не гарантирует 100%-ной годности ЙС и при испытаниях соб­ ранных плат могут быть обнаружены негодные ЙС. Даже если про­ цент годных ИС, полученных от изготовителя, равен 100, некоторые ИС могут быть повреждены во время их монтажа на платы.

2.4.3. ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ НА п р е д п р и я т и и п о т р е б и т е л я

Некоторые потребители ТТЛ ИС заявляют, что им приходится подвергать входному контролю все закупаемые ИС, и количество поступающих к ним дефектных схем, по их словам, достигает 23% от общего числа. По мнению других потребителей, такой контроль вовсе не является необходимым, они приводят цифры типа «3 негод­ ных ИС из 800» или «1 отказавший контакт на 600 корпусов». Неко­ торые потребители имеют свои собственные жестко определенные закупочные технические требования и рассчитывают на то, что отдел контроля качества на предприятии поставщика обеспечит выполнение этих требований. Опыт автора показал, что поставщики ТТЛ ИС разрешают аккредитованному на их предприятии предста­ вителю заказчика проверять их программы контроля качества ИС. Качество, стоимость и сроки поставки ТТЛ ИС различны у разных изготовителей, и заказчики должны сами решать, выгоднее ли им закупать самые дешевые ИС, хотя, возможно, после полного вход­ ного контроля и будет значительный брак, или выгоднее с самого начала заплатить дороже и закупить ИС с более высоким выходом годных, сэкономив на организации входного контроля.

• Одно обстоятельство, которое необходимо обязательно учитывать при организации входного контроля на предприятии потребителя,— это вопрос о граничных параметрических отказах. Все испытатель­ ные установки для входного контроля должны быть тщательно от­ калиброваны и сверены с установками, используемыми поставщи­ ками ЙС. Если это не проделано, то может случиться, что ИС, кото­ рые на самом деле попадают в границы области работоспособности,

в соединительной проволочке от вывода питания может превышать 45 А/мм2, а в общей земляной шине счетверенного элемента инди­ кации может быть выше 150 А/мм2, поэтому разработчики ИС за­ ранее должны позаботиться об устранении этого источника отказов. Соединительные проволочки обычно имеют диаметр от 25 до 40 мкм, поэтому для грубой оценки можно считать, что каждые 2 мА тока, втекающего или вытекающего через вывод ИС, создают плотность тока в проволочке — 1,5 А/мм2. Все сомнительные ситуации в этих случаях должны быть проверены совместно с изготовителем ИС. Для уменьшения плотности токов используют сдвоенные соедини­ тельные проволочки, а земляной контакт подводят к кристаллу от рамки через дно кристалла.

2 .5 .4 . ТЕМ ПЕРАТУРА ПЕРЕХОДОВ

Повышенные (до 200—300 °С) температуры не должны снижать срок службы и надежность р—n-перехода при условии, что отсутст­ вуют всевозможные дефекты изготовления и он полностью защищен от всевозможных загрязнений. Практически таких условий достичь невозможно, поэтому у ИС, которые работают при повышенных тем­ пературах, может происходить снижение срока службы вследствие ускорения диффузии примесей в переходы.

Однако температуру кристаллов нет необходимости контролиро­ вать, так как ее повышение быстрее скажется на параметрах ИС. Известно, что величины токов утечки кремниевого транзистора удваи­ ваются при каждом повышении температуры на 10 °С. При 20 °С они равны -—'0,1—0,5 нА. Повышение температуры на 100 °С вызовет увеличение тока утечки в 1000 раз, а при температуре 210—240 °С токи утечки могут быть выше 1 мА. Такой ток утечки может вызвать ложное срабатывание ИС (разд. 3.1.2). При температуре кристалла ~220 °С токи утечки могут привести к снижению помехоустойчиво­ сти ИС до опасного предела.

Необходимо иметь в виду, что, когда изготовители ТТЛ ИС вы­ пускают приборы для работы при температуре до 125 °С, система испытаний и оценки надежности прибора основаны на допущении о том, что одиночная ИС расположена в воздушной среде с темпера­ турой 125 °С. Когда ИС располагаются близко друг к другу на пе­ чатных платах, любая из них будет работать при существенно более высокой температуре, чем температура поступающего в устройство воздуха. Все рассмотренные в разд. 10.1 температурные зависимости основаны на допущении о том, что эффективная внешняя температура ограничена стандартным рабочим диапазоном, заданным изготови­ телем.

Так как всегда существует некоторый риск отказа ИС, вызывае­ мого ускоренным загрязнением переходов при повышенной темпера­ туре, рекомендуется ограничивать температуру кристалла. Боль­

шинство изготовителей определяют абсолютный температурный пре­ дел хранения ИС равным 150 °С, и для устройств с повышенной надежностью'это является вполне приемлемой предельной цифрой, на которую следует ориентироваться. (Некоторые специалисты в ка­ честве максимально допустимых температур для случаев, когда не­ обходимо обеспечить долговременную надежность, приводят тем­ пературы, лежащие в диапазоне 110—125 °С.) Некоторые СИС могут рассеивать мощность свыше 0,5 Вт, поэтому нецелесообразно огра­ ничивать температуру их переходов величиной 150 °С. Представляют­ ся приемлемыми температуры кристалла до 200 °С, если при этом не используются золотые соединительные проволочки. Однако пока не будет достаточных статистических данных о сроках службы ИС при повышенных температурах, температуры свыше 150 °С будут считаться потенциально опасными с точки зрения снижения долго­ временной надежности.

Наиболее достоверная информация, имевшаяся к моменту напи­ сания книги, заключалась в том, что среднее время наработки на отказ при температуре 200 °С в четыре раза меньше, чем при 100 °С. Все другие цифры, встречавшиеся автору, основаны на сообщениях типа «отсутствие отказов после наработки многих тысяч (или миллио­ нов) приборо-часов», поэтому до появления достаточного количества зарегистрированных окончательных отказов к любым подобным цифрам необходимо относиться с осторожностью.

2.55. Т ЕПЛОВ Ы Е СОПРОТИВЛЕНИЯ

Температуру кристалла можно рассчитывать лишь при извест­ ном тепловом сопротивлении между кристаллом и корпусом. Многие изготовители приводят для корпусов типа DIP с 14 выводами вели­ чину теплового сопротивления 0,1 °С/мВт; испытания корпусов

с14 и 16 выводами дали реальные значения в интервале 0,075— 0,085 °С/мВт. Некоторые изготовители приводят значение теплового сопротивления между переходом и окружающим воздухом, равное 0,3 °С/мВт. Однако, так как внешние условия при этом не опреде­ лены, эта цифра имеет малую ценность. Известные автору результа­ ты исследований показывают, что эту величину можно использовать для корпусов, смонтированных на печатных платах с шагом 25 мм, при расстоянии между платами около 1 2 мм и свободной циркуляции воздуха. Одиночные ИС, расположенные в воздухе, имеют тепловые сопротивления между кристаллом и окружающей средой порядка 0,14 °С/мВт (т. е. тепловое сопротивление корпус — воздух состав­ ляет 0,06 °С/мВт). Если СИС необходимо использовать в устройстве

сповышенной надежностью, то тепловые сопротивления переход — воздух (или корпус — воздух) для предполагаемого инженерного решения должны быть установлены на возможно более ранней ста­ дии конструирования, так как простые расчеты при этом покажут,

38 Глава 2

что без хорошо продуманных систем охлаждения температура кри­ сталлов некоторых СИС вполне может превышать 200 °С при тем­ пературе окружающего устройство воздуха 50 °С.

При расчете температуры кристаллов необходимо учитывать рабочую частоту и выходные нагрузочные токи, как это показано в разд. 9.5.1 и 9.5.2. Должны также быть приняты соответствующие допущения о количестве тепла, поступающего через плату от других ИС, и учтен тот факт, что хладагент по мере прохождения через устройство будет нагреваться.

3

Базовый ТТЛ-вентиль

3.1. Описание принципиальной и логической схемы

Схема базового ТТЛ-вентиля показана на фиг. 3.1. Она содержит три основных каскада: входной, реализующий функцию И на тран­ зисторе Т1( фазоразделительный с возможностью реализации на нем функции ИЛИ на транзисторе Т 2 и выходной усилитель на транзи­ сторах Ti и Т ъ.

3.1.1. ВХОДНОЙ КАСКАД И

Количество эмиттеров у многоэмиттерного транзистора 7 \ может быть таким, какое необходимо для конкретного типа вентиля. Обыч­ но максимальное количество эмиттеров равно восьми. На схеме

фиг. 3. 1 показано только два входа, так как подобный двухвходовый вентиль обычно является «функциональным кирпичиком», исполь­ зуемым при построении большинства логических схем, и именно он в дальнейшем изложении чаще всего используется для описания работы различных схем. Принцип действия входного каскада легко понять, если коллектор и эмиттеры представить в виде диодов, под­ ключенных к базе, как показано на фиг. 3.2. Тогда очевидно, что

40 Глава 3

если оба входных диода подключены к шине с высоким напряжением (4—5 В), то ток резистора R x потечет через коллекторный диод в базу транзистора Т 2. Если же хотя бы один из входных диодов под­ ключен к земляной шине или к шине с низким напряжением, то ток резистора R x будет вытекать из схемы через этот диод в эту шину. На базе транзистора Т х при этом будет низкое напряжение (превы­

зистора Т 2от него не требуется слишком большого усиления по току. В том случае когда транзистор Т хпропускает в базу Т 2 управляющий ток (т. е. когда на все входы схемы подано высокое напряжение), напряжение в точке Е (на эмиттере Т 2) может возрасти только до величины Vвеъ, а напряжение в точке С (на коллекторе Т 2) снизится до величины VBEs+VCeнас2 - Когда транзистор Т х отключает управ­ ляющий базовый ток транзистора Т 2, через резисторы R 2 b R 3 проте­ кает только ток утечки, поэтому напряжения в точках Е и С близки соответственно к нулю и Vcc■ Логическая функция ИЛИ может быть выполнена при параллельном соединении двух или более по­ добных фазоразделительных каскадов. На фиг. 3.3 дан пример реа­ лизации функции ЗИ—ЗИЛИ, где три трехвходовые схемы И объе­ динены в точках Е и С в схему ИЛИ. Если на все входы хотя бы одного из трех входных транзисторов Т 1А, Т хв или Т 1Сподано высо­ кое напряжение, то соответствующий ему фазоразделительный тран­ зистор будет насыщен, а остальные два фазоразделительных транзи­ стора — закрыты. Для выключения фазоразделительного каскада необходимо хотя бы на один из входов каждого из транзисторов Т ха, Т 1В или Т хс подать нулевое или близкое к нулю напряжение.