Курс лекций физика отказов приборов микро и наноэлектроники icon

Курс лекций физика отказов приборов микро и наноэлектроники



Смотрите также:
Курс лекций


ФИЗИКА ОТКАЗОВ ПРИБОРОВ

МИКРО - И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ


ВВЕДЕНИЕ


С момента изобретения транзистора полупроводниковые приборы нашли широкое применение в радиоаппаратуре. Это связано с такими их преимуществами перед вакуумными лампами как отсутствие цепей накала, малая потребляемая мощность, практически мгновенная готовность к работе, механическая прочность и миниатюрное конструктивное оформление.

Дальнейшее развитие полупроводниковой электроники и необходимость создания аппаратуры высокой надежности, привело к созданию гибридных схем, объединяющих дискретные активные и пассивные элементы в одной схеме. Это позволило еще больше сократить габаритные размеры аппаратуры и значительно расширить ее функциональные возможности. Наибольшее распространение при этом получили цифровые интегральные микросхемы (ИМС), применяемые в современной электронике, так как их схемотехника сравнительно легко реализуется в твердотельном исполнении. Ими являются устройства самых сложных электронных средств приема, передачи, хранения преобразования и отображения информации, состоящие из множества интегральных схем и функциональных узлов. Несколько сложнее оказалась реализация в интегральном исполнении усилительных устройств из-за ограничений, присущих монолитным ИМС. Данные ограничения обусловлены наличием паразитных связей через подложку, дефектностью исходных материалов, нестабильностью усилительных и шумовых характеристик активных элементов схемы, ограничением диапазона номиналов твердотельных резисторов, конденсаторов, а также отсутствием твердотельных индуктивностей.

Проблема надежности в электронике возникла в начале пятидесятых годов, когда развитие техники привело к необходимости создания сложной радиоэлектронной аппаратуры. Возросшее значение проблемы качества и надежности было обусловлено:

  • быстрым развитием науки и техники в электронике, аппаратостроении, авиа- и ракетостроении, приборостроении, машиностроении и др.;

  • усложнением производственного процесса вследствие применения современного оборудования, средств механизации и автоматизации;

  • расширением отраслевой, межотраслевой и международной специализации и кооперации;

  • расширением объемов и номенклатуры производства, увеличением числа предприятий, выпускающих однотипные изделия.

В своем развитии теория и практика надежности прошли несколько этапов. На первом этапе систематизировались данные по отказам аппаратуры и комплектующих изделий, исследовались и определялись законы распределения отказов во времени, разрабатывалась единая терминология в области надежности, создавались методы расчета надежности аппаратуры и ее элементов, накапливался статистический материал о количественных показателях надежности. Сложившаяся на этом этапе практика контроля качества и надежности ИМС не всегда удовлетворяла возрастающим требованиям, а иногда и сдерживала темпы развития. Это объясняется многими факторами, основными из которых являются:


  • быстрый рост функциональной сложности приборов;

  • недостаточная эффективность сложившихся методов контроля качества и оценки надежности ИМС и изготавливаемой на их основе микроэлектронной аппаратуры (МЭА);

  • сложность и многообразие технологических процессов изготовления ИМС, постоянное совершенствование конструкций, использование новых материалов и видов оборудования;

  • неподготовленность разработчиков к проектированию аппаратуры на основе ИМС с учетом их особенностей.

На последующем этапе, характеризующемся более глубоким проникновением в суть надежностных характеристик приборов, разрабатывались требования по надежности аппаратуры и приборов, формировались все более объективные и информативные методы испытаний их на надежность. Значительная роль в этом случае отводится различным испытаниям, по анализу результатов которых принимают решения о целесообразности дальнейшего производства данных изделий, совершенствования их конструкции и технологии изготовления, уточняются условия эксплуатации, хранения, транспортировки и т.п. В технологический процесс производства ИМС при необходимости вводится более детальный контроль промежуточных операций и выходной контроль готовых приборов. В производство все шире внедряются статистические методы контроля, позволяющие своевременно корректировать технологический процесс с целью недопущения брака на промежуточных и заключительных операциях. В повседневную практику внедрялось изучение причин отказов приборов в аппаратуре с целью выработки корректирующих мероприятий по их устранению.

На современном этапе возникла необходимость в разработке новых методов оценки надежности ИМС и изготовленных на их основе приборов. Поэтому сложились и заняли прочные позиции фундаментальные направления теории надежности. Среди них в первую очередь следует указать на формирование математической теории надежности, явившейся исходным пунктом становления науки о надежности вообще. Развитие методов сбора и обработки статистических данных о надежности послужило основой формирования статистической теории надежности.

Разнообразные и обширные исследования в области физико-химических процессов, обуславливающих изменение физических и электрических параметров материалов и приборов, явились базой становления физической теории надежности. Формирование последнего направления в науке о надежности позволило от пассивного наблюдения статистических данных по надежности перейти к углубленному изучению причин возникновения отказов, выявлению механизмов деградации характеристик материалов и параметров приборов, к активному воздействию на технологические процессы и конструкцию приборов посредством научно обоснованных корректирующих действий.

Наиболее характерными чертами современной полупроводниковой электроники являются рост сложности приборов и уменьшение геометрических размеров отдельных элементов полупроводниковых структур. Ежегодно сложность ИМС примерно удваивается, а рост степени интеграции вызывается ростом их функциональной сложности.

Уменьшение геометрических размеров элементов ИМС делает исключительно острой проблему качества исходных материалов и совершенства технологических процессов изготовления приборов. Из-за этого уменьшения, изготавливаемые ИМС весьма чувствительны к дефектам с размерами, приближающимися к атомным. В этих условиях становится исключительно важным знание дефектности исходных материалов, причин возникновения дефектов в процессе изготовления полупроводниковых структур, эволюции дефектов на последующих этапах жизненного цикла приборов и их влияния на надежность.

Следует особо подчеркнуть, что изучение механизмов отказов приборов должно осуществляться с учетом не только внутренних физико-химических процессов, происходящих в них, но и всех условий окружающей среды и всех факторов внешних воздействий, которые во многих случаях играют доминирующую роль в развитии тех или иных процессов деградации параметров. Расширение диапазона применения полупроводниковых приборов и ИМС в разнообразной аппаратуре выдвигает более жесткие требования по механическим вибрационным и ударным воздействиям, весьма широкому температурному диапазону их работы, радиационной стойкости, работе при повышенной влажности, приводящей к коррозионным отказам и т.д.

Анализ развития полупроводниковой электроники еще раз подтверждает справедливость вывода о том, что возможности, открывающиеся дальнейшей миниатюризацией приборов, могут быть в полной мере реализованы только при наличии системного подхода к обеспечению надежной работы полупроводниковых приборов и ИМС в аппаратуре.

Прогнозирование надежности является составной частью обеспечения надежности ИМС и МЭА и имеет смысл только в случае, если, являясь составной частью этапов разработки и производства изделий, оказывает влияние на выбор и обоснование конкретных решений проекта по показателям надежности, позволяет установить технически обоснованную полноту контроля качества в условиях производства и эксплуатации.

Высокая надежность ИМС обусловила несколько проблем, связанных с методами оценки их надежности. Первая из проблем заключается в том, что обычные методы определения надежности становятся все менее приемлемыми из-за снижения интенсивности отказов ИМС. Эта проблема приводит к необходимости проводить испытания на надежность в течении очень продолжительного периода времени. В связи с этим, необходимо проводить испытания при нагрузках значительно превышающих номинальные. Сами же нагрузки необходимо выбирать такими, чтобы механизм отказов соответствовал отказам, возникающим в нормальном рабочем режиме. Вторая проблема связана с необходимостью улучшения параметров и уменьшения размеров ИМС, что неотвратимо ведет к изменениям и усовершенствованиям технологических процессов производства. Поэтому могут возникать новые механизмы отказов, следовательно, необходимо вводить новые критерии оценки надежности и разрабатывать новые модели физико-химических процессов, объясняющих деградацию и последующие отказы ИМС.


ТЕМА № 1


Качество и надежность приборов микро- и наноэлектроники.

Вся промышленная продукция, в том числе полупроводниковые приборы и ИМС, характеризуется таким показателем, как качество, представляющим собой совокупность свойств изготавливаемой продукции, обуславливающих ее пригодность удовлетворять определенные потребности в соответствии с назначением. Свойства продукции подразделяются на простые и сложные.

При разработке и изготовлении ИМС естественно стремление к 1) увеличению степени интеграции, 2) повышению быстродействия цифровых микросхем, 3) уменьшению потребляемой мощности, 4) снижению себестоимости. Но при этом необходимо учитывать надежность производимого изделия. Научная дисциплина, изучающая общие методы и приемы, которых следует придерживаться при проектировании, изготовлении, приемке, транспортировке и эксплуатации изделий для обеспечения максимальной их эффективности в процессе использования, а также разрабатывающая общие методы расчета качества устройств по известным качествам составляющих их частей, получила название теории надежности. Надежность является одним из фундаментальных сложных свойств продукции. Она определяется как свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в данных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования.

Следует отметить, парадоксальную, на первый взгляд, ситуацию. Замечено, что до определенного предела для ИМС нет или почти нет сильной зависимости их надежности от степени интеграции (для аппаратуры же на дискретных элементах увеличение функциональной сложности неуклонно ведет к снижению ее надежности).

Надежность продукции зависит от этапов ее создания а также от условий эксплуатации самого изделия. Поэтому в отношении надежности изделия различают следующие этапы:

  • конструктивная надежность при проектировании;

  • производственная надежность, которая определяется степенью соответствия производства (т.е. технологических процессов) технической документации;

  • на этапе применения – эксплутационная.

Подготовка научных и инженерных кадров для работы в области микроэлектроники осуществляется в основном с технологическим и схемотехническим уклоном. Вместе с тем, необходимость производства бездефектных, высоконадежных и конкурентно способных ИМС предполагает важность развития знаний по методам и средствам обеспечения и повышения качества продукции на различных этапах производства. Необходимо указать при этом на два направления в современной теории надежности - классическое статистическое и физике отказов.

Существует ряд методов оценки качества изделия единым комплексным показателем, например коэффициентом качества (максимальный коэффициент условно принимается равным единице). Количественная оценка качества изделия определяется комплексным показателем

, (1.1)

где - весовой коэффициент каждой группы, - групповые показатели качества, - число групп.

Здесь под группами понимают свойства учитываемые по:

  • назначению,

  • надежности,

  • стандартизации и унификации,

  • технологичности,

  • браку,

  • потребительским свойствам,

  • транспортировке,

  • климатические и т.д. (хранения, радиационные …).

Так, для цифровых ИМС к групповым показателям можно отнести показатель качества по назначению

(1.2)

где - удельная мощность, потребляемая одним элементом (мВт), - среднее время задержки на один элемент (нС).

О степени интеграции (миниатюризации) говорит обобщенный коэффициент, учитывающий конструктивно – технологическое совершенство ИМС:

, (1.3)

где - количество элементарных вентилей, приходящихся на площади кристалла.

Для аналоговых ИМС также вводится показатель качества по назначению

, (1.4)

где - добротность усилительного каскада.

Среди показателей качества по технологичности важное место отводится проценту выхода годных ИМС. Это объясняется тем, что выход годных изделий определяет в комплексе не только уровень и стабильность производства ИМС, но и их стоимость, а также тем, что между процентом выхода годных изделий и показателями надежности ИМС, существует определенная связь. По этим и другим показателям можно производить отбор элементной базы для практического применения.

В табл. 1.1. приведены значения коэффициентов показателей качества по назначению для основных классов ИМС.

Таблица 1.1.

Тип логи-ки

ТТЛ

ТТЛШ

ЭСЛ




Потребляемая мощность на вентиль, Р, мВт


10


20





50 мкВт

Задержка переключения на вентиль, , нС


10


3





10

Показатель качества назначения, F


100


60





0,5

Интегральная плотность,

15

15

15

100

Число элементов в вентиле на два входа





14







Обобщенный коэффициент качества, К


0,15


0,25





200


В данной таблице: ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика, ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодом Шоттки, ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика, - инжекционная логика.

^ Основные понятия теории надежности.

Определим ИМС как изделие предназначенное для выполнения определенных функций. Отдельные части этого изделия называются отдельными элементами (элементами ИМС). Один и тот же технический объект в зависимости от задачи, которую решает конструктор или исследователь, может рассматриваться как система или как элемент данной системы.

Надежность – свойство изделия, обеспечивающее возможность выполнения заданных функций с заданными характеристиками в определенных условиях эксплуатации при определенном техническом обслуживании в течение требуемого интервала времени.

Работоспособность – состояние изделия, при котором оно выполняет заданные функции с заданными характеристиками.

Безотказность – свойство изделия сохранять работоспособность в течение определенного интервала времени.

Наработка – продолжительность или время работы прибора.

^ Технический ресурс – наработка прибора в часах от начала эксплуатации до наступления предельного состояния.

Срок службы – календарная продолжительность от начала эксплуатации до наступления предельного состояния.

Сохраняемость – способность сохранять работоспособность без изменения выполняемых функций данного изделия во время хранения.

Долговечность – сохранение работоспособности при данной системе технического обслуживания до наступления предельного состояния.

Отказ – нарушение работоспособности изделия.

Классификация отказов – внезапные (катастрофические), постепенные, зависимые и независимые, полные и частичные, сбои, перемежающие отказы, конструкционные, производственные, эксплуатационные.

Внезапный отказ – характеризуется скачкообразным изменением одного или нескольких основных параметров.

Постепенный отказ – характеризуется постепенным изменением одного или нескольких основных параметров (параметрический отказ).

Независимый отказ элемента – отказ элемента, не обусловленный повреждениями или отказами других элементов.

Зависимый отказ элемента – отказ элемента, обусловленный повреждениями или отказами других элементов.

Полный отказ – отказ, после возникновения которого использование изделия по назначению невозможно.

Частичный отказ – отказ, после возникновения которого использование изделия по назначению возможно, но при этом значения одного или нескольких основных параметров находятся вне допустимых пределов.

Сбой – самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременной утере работоспособности.

Перемежающийся отказ – многократно возникающий сбой одного и того же характера.

Конструкционный отказ – возникновение отказа вследствие ошибок конструктора или несовершенства методов конструирования.

Производственный отказ – возникновение отказа вследствие нарушения или несовершенства технологического процесса изготовления.

Эксплуатационный отказ – возникновение отказа вследствие нарушения установленных правил эксплуатации или вследствие влияния непредусмотренных внешних воздействий.

В общем случае появление отказа не всегда означает потерю свойства надежности. Однако, существует целый класс изделий, дальнейшее использование которых невозможно уже после первого отказа. Такие изделия называются неремонтируемыми (невосстанавливаемыми) или устройствами одноразового действия. К таковым изделиям и относятся полупроводниковые приборы и ИМС. Однако, очень многие устройства в системах управления, передачи и приема информации используются многократно после устранения появляющихся отказов. Свойство, которое заключается в возможности восстановления работоспособности устройства после устранения отказа, называется восстанавливаемостью. Более общим понятием является свойство ремонтопригодности устройства, заключающееся в возможности предупреждения, обнаружения и устранения отказов путем проведения ремонта и технического обслуживания. В зависимости от назначения изделия, можно сказать, что для систем одноразового действия главным является безотказность, а для систем длительной (непрерывной или цикличной) эксплуатации – долговечность.


Контрольные вопросы

  1. Что такое надежность изделия?

  2. От каких этапов создания зависит надежность продукции?

  3. Как определяется количественная оценка качества изделия?

  4. Какой групповой показатель вводится для цифровых ИМС?

  5. Какой групповой показатель вводится для аналоговых ИМС?

  6. Какой групповой показатель говорит о степени миниатюризации ИМС?

  7. Как классифицируются отказы?

  8. Какие изделия называются неремонтируемыми?

  9. Какое свойство изделия называется восстанавливаемостью?







Скачать 138,08 Kb.
Дата конвертации04.03.2013
Размер138,08 Kb.
ТипДокументы
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rud.exdat.com


База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2012
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Документы