Система контроля и анализа технических свойств интегральных элементов и устройств вычислительной техники по многоуровневой модели информативных параметров 05. 13. 05 Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание Выбор = {{У Многоуровневая модель ИП Модель связи Екр с исходными дефектами ИЭУ Информативность Екр для устройств КМОП технологии F – входная частота; t Частотные характеристики Е Информативность Екр для устройств биполярной технологии Частотные характеристики Е Обобщенные частотные характеристики Методика выбора высоконадежных ИЭУ Второй пункт С помощью экспериментальных исследований проверено и подтверждено В приложениях

Подобный материал:

• Разработка методов и алгоритмов функционирования устройств контроля и диагностирования, 217.37kb.
• Международная конференция «Microcad-2011», секция «Информатика и моделирование», 11.06kb.
• Пояснительная записка к курсовому проекту по специальности 230105 Программное обеспечение, 21.23kb.
• Программа дисциплины по кафедре Вычислительной техники периферийные устройства ЭВМ, 277.66kb.
• Рабочая программа для специальности: 220400 Программное обеспечение вычислительной, 133.96kb.
• Программа дисциплины по кафедре Вычислительной техники организация ЭВМ и систем, 403.61kb.
• «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», 75.83kb.
• Контрольная работа по предмету: Технические средства управления. Тема: Состав и значение, 1075.78kb.
• Программа вступительного экзамена в аспирантуру по специальностям 05. 13. 05 - "Элементы, 88.59kb.
• Задачи дисциплины: -изучение основ вычислительной техники; -изучение принципов построения, 37.44kb.

В главе 2 проведена процедура выбора информативных параметров из реальных функциональных параметров ИЭУ пригодных для прогнозирующего контроля. Разработана многоуровневая модель ИП. Определены внешние воздействия на ОК, которые в большей степени влияют на исходные дефекты, от которых, в свою очередь, зависят функциональные свойства ИЭУ.


Cвязь уровня дефектности материалов ИЭУ с информативными параметрами проверялась по предложенной и представленной на рисунке 2 логической последовательности, где: - электрофизические параметры полупроводника (время жизни неосновных носителей , их подвижность  и т.д.), - электрические параметры элементов устройства (коэффициент усиления транзисторов по току  и т.п.) и - функциональные параметры устройства (времена задержки t_OUT , коэффициент усиления по напряжению k_u и т.п.).




Рис. 2 Логическая последовательность моделирования связи дефектов материалов ИЭУ с ИП


При разработке модели выбора ИП были использованы возможности математического аппарата критериальных оценок.

Для полноты математической модели потребовалось определить принцип оптимальности, используя определение ИИП со строго заданными свойствами (критериями предпочтения К). Принцип оптимальности в данной модели заключается в выборе ИП, которые по свойствам были бы наиболее близки к ИИП. Тогда разница между свойствами ИИП и реального параметра может служить обоснованной критериальной оценкой информативности последнего.

В соответствии с этим задача построения оптимального вектора ИП в формализованном виде может быть представлена формулами:

Выбор = {{У_i}, {О_j}, {X_k}}; i =; j =; k = (2)


L_Уi = {=, , ~}; L_Оj = {< , >,  , , <<}, (3)

где: У_i и О_j – множества условий и ограничений соответственно, определяемые соотношениями вида L_Уi и L_Оj; X – множество показателей качества; k – индексы выбранных для учета показателей качества.

Далее определяются условия (У_i) и ограничения (О_j), которым должны соответствовать как реальные ИП, так и методы контроля. Например: использование неразрушающих методов контроля (1); возможность оценки технического состояния устройств по мгновенным значениям ИП (2); инвариантность метода выбора ИП к технологиям и функциональному назначению ИЭУ (3); возможность по числовым величинам ИП различать объекты контроля по уровню исходных дефектов (4); минимальная взаимокоррелированность ИП (5).

Согласуясь с определением ИИП и с учетом введенных условий и ограничений свойства ИИП определяются как критерии предпочтения К:

- нечувствительность к помехам (величина ИИП не должна изменяться под воздействием помех, уровень которых оговорен в ТУ);

- нечувствительность к внешним дестабилизирующим воздействиям, а также к условиям измерения;

- нечувствительность к естественному разбросу электрических параметров ИЭУ, не связанному со скрытыми дефектами (например, коэффициент усиления операционного усилителя может находиться в диапазоне 100000...300000, и этот разброс не должен влиять на значения ИИП);

- функциональная интегральность (в значениях ИИП в равной степени должны отражаться состояния каждой функциональной части ИЭУ);

- структурная интегральность (в значениях ИИП в равной степени должны отражаться все виды дефектов).

Далее в главе проводится анализ совокупности реальных параметров ИЭУ на соответствие критериям предпочтения К. Это характеристики питания (токи потребления, питающие напряжения и т.д.), функциональные характеристики (коэффициент усиления, параметры быстродействия и т.д.), шумовые характеристики и характеристики p-n переходов (обратные токи и т.д.). В результате анализа (по экспертным оценкам, приведенным в литературных источниках) определено, что наиболее близкими к ИИП оказались такие параметры, как инфранизкочастотный шум (ИНЧШ), динамические токи потребления (I_дин) и критические питающие напряжения (Е_кр.). Причем, эти параметры могут использоваться для контроля ИЭУ как аналогового, так и цифрового типов, что соответствует одному из вышеприведенных условий об инвариантности метода контроля относительно технологии изготовления. (Критическое питающее напряжение – это измеренная величина снижаемого от номинального значения напряжения питания, при котором наступает первый сбой в функционировании устройства).

Однако, оказалось, что указанные параметры, обладают отрицательными свойствами и не соответствуют ИИП по таким критериям как независимость от внешних воздействий и режимов измерений. Как способ приближения к свойствам ИИП по данным критериям далее разрабатывается многоуровневая модель ИП.

Многоуровневая модель ИП

Введем понятие уровня для ИП. За ИП первого уровня принимается один из выбранных выше реальных параметров ИЭУ.

В качестве ИП второго уровня выбирается динамическая реакция параметра первого уровня на внешнее воздействие или режим измерения.


,

, (4)



где: B_i – внешнее воздействие (или режим измерений) i-ой природы; индекс (’) означает нечувствительность параметра к данному воздействию; – вектор оптимальных ИП по показателям качества из всего множества { X_k }.

Этапы построения многоуровневой модели:

1. Из ИП электрической природы строится оптимальный вектор:


, (5)

где оператор opt означает выбор из вектора параметров по показателям качества из множества {X_k} в соответствии с критериями предпочтения К.

2. По дополнительным критериям (исходя из практического применения модели и др.) проводится усечение вектора до набора ИП первого уровня .

3. Для ослабления влияния естественного разброса параметров ИЭУ и внешних дестабилизирующих факторов в качестве ИП второго уровня выбираются зависимости ИП первого уровня от внешних воздействий или режимов измерения:

(6)

В качестве ИП последующих уровней принимаются характеристики ИП второго уровня (линейность/нелинейность, скорость изменения, характеристики гистерезиса и пр.).

Параметры различных уровней должны быть коррелированны, но охватывать они могут разный круг внутренних дефектов.

Для экспериментальной проверки многоуровневой модели, в качестве ИП первого уровня в работе используются Е_кр. Обоснованием для такого выбора послужило следующее - при снижении напряжения питания многочисленные обратные связи (соответствующие схемотехническим решениям ИЭУ) ослабляются, и дефекты более ярко проявляются в значениях контролируемых параметров. Выбор сделан, в том числе, и из соображений практической реализации контроля.

Далее в главе определено, что основными свойствами, применяемых при контроле ИЭУ внешних воздействий, являются следующие свойства: воздействие должно выявить степень устойчивости ИЭУ к внешним возбуждениям; быть неразрушающим ОК воздействием; должно реализовываться оперативно и достаточно простыми средствами.

При проведении экспериментов (рис. 16) в качестве внешних воздействий на ОК в работе использовались температурные циклические нагрузки, в отношении которых определено следующее. Основной результат воздействия тепловой энергии состоит в изменении, практически, всех свойств материалов ИЭУ (проводящих, полупроводниковых, изоляционных) вследствие их температурной зависимости. После снятия циклического (неразрушающего) температурного воздействия на ИЭУ свойства его материалов должны восстанавливаться, если к этому не возникает препятствий, таких как, например, нарушение регулярности кристаллической решетки в объеме твердых тел устройства, поверхностные загрязнения полупроводниковых материалов примесями, механическое защемление объема материала в разных направлениях. Между импульсами температурного воздействия на ИЭУ возникает временно существующее состояние структуры его материалов со случайно упорядоченными внутренними связями и напряжениями. Характер этих состояний индивидуален для каждого ИЭУ и определяет свойство безотказности (как разновидность показателя надежности). Важно то, что эти состояния определяются непрерывным контролем ИП.

Можно ожидать, что получаемые зависимости термодинамической природы (гистерезис и его характеристики) будут полезны для определения технического состояния ИЭУ (формула 14). Конечно не сама зависимость материала ИЭУ как твердого тела, а опосредовано возникающая зависимость одного из ИП электрической природы от температурных нагрузок на ОК. В сочетании с ИП электрофизической природы они должны существенно повысить достоверность оценки потенциальной безотказности путем введения в дополнение к мгновенным характеристикам квазиинтервальных (т.е. измеряемых не при длительных испытаниях на безотказность, а в ходе относительно кратковременных операций, например, термоциклирования).

В главе 3 представлена разработка метода контроля на основе использования критических питающих напряжений в качестве ИП первого уровня (в частности, определены ИП второго уровня - частотные зависимости Е_кр.). Показана связь критических питающих напряжений с критериальными функциональными параметрами устройств различных технологий изготовления и дефектами материалов.

Критериальным считается тот параметр или набор параметров, выход значений которых за установленные границы приводит к потере работоспособности ИЭУ. Указанные границы не обязательно те, что установлены в ТУ, т.к. устройство может оказаться работоспособным при выходе значений параметров за пределы паспортных данных.

Модель связи Екр с исходными дефектами ИЭУ

Целью моделирования является теоретическое обоснование возможности использования Е_кр в качестве ИП первого уровня для технического контроля как цифровых, так и аналоговых устройств. Для устройств различных технологий изготовления разрабатывается общий подход к исследованию зависимости величины Е_кр от разброса параметров исходных материалов, а также технологических дефектов, возникающих в процессе изготовления ИЭУ. Суть метода критических питающих напряжений заключается в понижении напряжения питания от номинального значения до того, когда произойдет первый сбой в работе ИЭУ при одновременном ее тестировании (контроле).

Основные моменты предлагаемого подхода поясняются схемой, представленной на рисунке 3. Прежде всего, определяется ключевой процесс (и параметры этого процесса), происходящий в ОК при снижении питания, от которого зависит работоспособность ОК. Определяется минимальный набор критериальных параметров процесса. Далее определяется вид зависимости критериальных параметров от напряжения питания и от параметров тестового воздействия. С использованием полученной зависимости определяется такое напряжение питания, при котором критериальные параметры перестают удовлетворять условиям работоспособности ОК.




Рис. 3 Схематическое представление общего подхода к исследованию

связи величины Е_кр с исходными дефектами ИЭУ


Информативность Екр для устройств КМОП технологии

Для КМОП инвертора теоретически работоспособность сохраняется при снижении напряжения питания (V_DD) почти до 0 В. Однако, вследствие быстрого роста задержек (стремящегося к  при V_DD  0) отказ инвертора при тестировании реальными сигналами с частотой F наступает при V_DD > 0.

Общее выражение для Е_кр в КМОП инверторе:

, (7)

где: F – входная частота; t_OUT – задержка распространения сигнала.

Из формулы (7) видно, что критическое питающее напряжение зависит от частоты тестового сигнала и это является недостатком E_кр как ИП. Однако в работе показано, что для КМОП ИЭУ сама эта зависимость E_кр (F) является информативной (параметром второго уровня) и позволяет построить методику обнаружения скрытых утечек.

Для моделирования работы КМОП инвертора (рис. 4,а) при снижении напряжения питания проводится анализ работы униполярного транзистора с коротким каналом. Прежде всего, составляется аналитическое выражение для важнейшей характеристики КМОП ИС – задержки распространения сигнала.

Первоначально определяется вспомогательная величина (граничное время передачи):

(8)

где



- напряжение и ток стока каждого транзистора в начале режима насыщения; – пороговые напряжения n- и p-канального транзисторов соответственно; ₁ – аргумент сопротивления открытого канала; n_N, n_P – индексы скорости насыщения МОП-транзисторов.

Исследовано поведение инвертора как при входном воздействии в виде меандра, так и при воздействии с затянутыми фронтами (рис. 4,б), что характерно для работы внутренних элементов ИЭУ.

Если длительность фронта входного сигнала t_T < , то задержка распространения оценивается со­отношением:

(9)

где, .

Если фронт t_T > , то отсчет времени производится от нулевой величины до 30%-го уровня V_DD, а задержка распространения подсчитывается согласно:


(10)

где,






а) б)

Рис. 4 КМОП инвертор и его выходная характеристика


Из (9 и 10) следует, что задержка явно определяется величинами напряжения питания V_DD и относительных напряжений U_TN и U_TР МОП-транзисторов n- и р-типов в комплементарной паре.

При снижении V_DD (рис.5,a) происходит рост t_d и t_OUT, причем с индивидуальными отличиями каждого экземпляра КМОП ИС, поскольку величина t_OUT зависит от скорости насыщения, напряжений и токов режима насыщения и других величин.



Рис. 5 Формы сигналов на выходе КМОП инвертора и расчетная частотная

характеристика Е_кр


При снижении V_DD время перезаряда эквивалентных емкостей (С_L) через n- и р-канальные транзисторы возрастает вследствие уменьшения протекающих через транзисторы токов и роста постоянных времени. По мере приближения напряжения питания и амплитуды входных сигналов к уровню пороговых напряжений токи через транзисторы начинают убывать очень быстро.

При низких частотах входных сигналов (_IN » t_OUT) критическим питающим напряжением Е_кр будем считать такое напряжение питания V_DD, при котором амплитуда сигнала на выходе инвертора ниже порога чувствительности V_TR (рис.5,а) каскада сравнения (компаратора) устройства контроля.

На высоких частотах (где _IN  t_OUT) критическим питающим напряжением Е_кр будем считать величину напряжения питания, при котором, вследствие запаздывания распространения сигнала, происходит такой по времени сдвиг выходных импульсов инвертора относительно входных, что каскад сравнения устройства контроля регистрирует сбой (рис.5,б).

Частотные характеристики Е_кр для ИЭУ КМОП технологии

Теоретическая оценка частотной зависимости запаса критического питающего напряжения (разность между номинальным напряжением питания и величиной Е_кр) Е_кр= E_ном– E_кр приведена на рисунке 5,в.

В результате теоретического моделирования установлено, что чем меньше частота тестового сигнала, тем при более низких напряжениях питания КМОП инвертор оказывается работоспособным. Частотная зависимость Е_кр(F) будет иметь вид, представленный на рисунке 5,в.

В логарифмическом масштабе частот низкочастотная ветвь ЧХ будет иметь вид наклонной прямой (рис. 6). Абсолютная величина Е_кр на фиксированной частоте определяется пороговыми напряжениями МОП-транзисторов.




Рис. 6 Зависимость ЧХ Е_кр КМОП инвертора от сопротивления утечки R_ут


Если ввести в модель утечки (рис. 4,а), как наиболее характерное проявление внутренних дефектов КМОП ИЭУ, то ЧХ в низкочастотной области будет уже иметь вид не наклонной, а горизонтальной прямой, уровень которой тем выше для Е_кр (рис. 6) и тем ниже для Е_кр (рис. 14), чем больше утечки. Теоретически показана высокая чувствительность Е_кр к этому дефекту: возможно обнаружение утечек величиной до 1 ГОм. Более того, если инвертор с утечками содержится внутри устройства и недоступен со стороны внешних выводов, утечки в нем все равно отражаются в Е_кр.

На основе проведенного теоретического анализа показано, что вид частотной характеристики Е_кр(F) отражает качество функционирования КМОП инвертора и чувствителен как к электрофизическим параметрам полупроводникового материала, так и к наличию дефектов, в частности, приводящих к сдвигу пороговых напряжений, росту утечек, а также к росту собственных и паразитных

емкостей.

Таким образом, показано, что Е_кр являются информативными параметрами, соответствующими свойствам структурной и функциональной интегральности, что определено ранее как свойства ИИП (критерии предпочтения).

Данные экспериментов (рис. 14) и теоретические результаты, представленные на рисунке 6 использованы в работе для обоснования верификации полученных моделей и методик контроля относительно такого дефекта как утечки. Результаты моделирования использовались также и при разработке методики выбора частот тестирования при построении методик контроля.

Информативность Екр для устройств биполярной технологии

Применительно к ИЭУ на биполярных транзисторах величина Е_кр связана с характером падения коэффициента усиления k_u при снижении коллекторного напряжения.

Модель, связывающую Е_кр со спадом усилительных свойств ИЭУ при снижении напряжения питания, можно представить в виде обратной функции:

(11)

Моделирование для устройств аналогового типа проводилось с использованием модели Эберса-Молла, отражающей изменение электрических характеристик биполярных транзисторов в широком диапазоне электрических режимов вплоть до насыщения. Затем, на основе известных режимов работы по постоянному току, определяются усилительные свойства транзистора.

Обоснование структурной интегральности Е_кр проведено на основании связи параметров модели Эберса-Молла с электрофизическими параметрами полупроводника ().

Так, например, в схеме с общей базой коэффициент передачи тока:


 =  , (12)

где:  - уровень инжекции неосновных носителей через эмиттерный переход (определяется временем жизни неосновных носителей заряда ; диэлектрической постоянной ₀; диэлектрической проницаемостью полупроводникового материала ; толщиной слоя базы w; площадью эмиттерного перехода S; коэффициентом диффузии неосновных носителей D; высотой потенциального барьера эмиттерного перехода ₀);

 - коэффициент переноса носителей через базу (существенно зависит от неоднородностей концентрации примесей в объеме электрода базы планарного транзистора таких как, например диффузионная длина пробега неосновных носителей L и коэффициент неоднородности легирования области базы ).

В результате моделирования работы усилительного каскада на биполярном транзисторе была выявлена существенная зависимость коэффициента передачи транзистора по току  в схеме с общим эмиттером от времени жизни неосновных носителей . При этом наибольшая чувствительность наблюдается при небольших значениях напряжения. В этой области отмечен и наибольший разброс коэффициента усиления k_u транзисторного каскада в схеме с общим эмиттером при смене экземпляров однотипных транзисторов. Наличие отрицательной обратной связи по току обуславливает слабое влияние параметров транзисторов на коэффициент передачи каскада при номинальном напряжении питания. Отмечено, что при снижении питающего напряжения чувствительность коэффициента передачи к индивидуальным особенностям ИЭУ возрастает, т.е. сами условия измерения Е_кр способствуют проявлению скрытых дефектов электронных компонентов.

Таким образом, структурная интегральность Е_кр как ИП обоснована.

Функциональная интегральность. Фор­ми­рование Е_кр в ИЭУ биполярной технологии рассматривается на примере входного каскада операционного усилителя. Коэффициент передачи по напряжению такого каскада является функцией вида:

(13)




Рис. 7 Связь параметров схемы дифференциального каскада с напряжением питания
где:  - коэффициент передачи тока транзисторов в плечах дифференциальной пары в схеме с общей базой; R_нэ - эквивалентное сопротивление нагрузки дифференциальной цепи в режиме малого сигнала.

Моделирование зависимостей перечисленных параметров входного каскада операционного усилителя от напряжения питания показало, что при достижении уровня Е_кр наблюдается резкое падение их значений (рис. 7).

Следовательно, при идентичных параметрах транзисторов снижение основных функциональных свойств входного каскада происходит практически одновременно. В случае неидентичности (индиви­ду­альных отличий транзисторов, уровня дефектности материалов) снижение функциональных свойств определяется компонентом с наибольшей дефектностью. Обнаружение дефектных каскадов может быть осуществлено посредством измерений со стороны внешних выводов ИЭУ.

Таким образом, показано, что практически все наиболее важные параметры ИЭУ являются функциями электрофизических свойств материалов и электрических режимов. Это, в свою очередь, позволяет выявить дефектность материалов конкретного ОК путем измерения некоторого набора его электрических характеристик при определенных режимах работы.

Частотные характеристики Е_кр для ИЭУ биполярной технологии

Если считать параметры модели, представленной выше в обобщенном виде формулами (11...13), частотнонезависимыми, то величина Е_кр также не будет зависеть от частоты (рис. 8, кривая а). Однако на практике ЧХ Е_кр не имеет вид горизонтальной прямой. Т.к. во-первых, во всех электронных устройствах присутствуют паразитные емкости (межпроводниковые емкости, входные и выходные емкости усилительных элементов и пр.). На перезаряд этих емкостей тратится время, поэтому все ИЭУ имеют предельную рабочую частоту. При постоянной емкости предельная частота примерно пропорциональна току перезаряда. А так как при снижении питающего напряжения падают и токи, перезаряжающие емкости, эта предельная частота также падает с уменьшением напряжения питания. Как результат этого в области высоких частот Е_кр будет расти с ростом частоты по закону, практически совпадающему с обратной функцией закона изменения I_Э(Е_П) (рис. 7), как показано на рисунке 8 (кривая б). При этом верхняя точка кривой будет соответствовать номинальному напряжению питания Е_ном.





Рис. 8. Формирование ЧХ Е_кр для ИЭУ биполярной технологии


Во-вторых, сами по себе усилительные свойства транзисторов падают с ростом частоты. Это накладывает отпечаток на форму ЧХ Е_кр (рис. 8, кривая в).

Наконец, сами паразитные емкости в полупроводниковых структурах нелинейно зависят от напряжения питания, что еще более усложнит форму наклонной части ЧХ.

Таким образом, не только уровень Е_кр на низких частотах является индивидуальной характеристикой ИЭУ, но и положение и вид наклонной части ЧХ зачастую обладают гораздо большей индивидуальностью относительно указанных характеристик.

Построенные модели зависимости критериальных параметров ИЭУ от напряжения питания показали идентичность подхода к контролю устройств различных технологий изготовления, что определено ранее как одно из условий в модели выбора ИП – инвариантность ИП к технологиям изготовления и функциональному назначению устройства.

Обобщенные частотные характеристики

Если бы Е_кр не имели частотной зависимости, можно было бы, например методами статистического анализа, получить порог разбраковки. При наличии такой частотной зависимости ЧХ должна лежать в пределах определенного коридора с нечеткими границами. Причем, конфигурация этого коридора может определяться не раз и навсегда, а каждый раз в ходе измерения нового типа устройств.

На рисунке 9 приведены основные виды ЧХ Е_кр для КМОП ИС и ИЭУ биполярной технологии, встретившиеся на практике при проведении экспериментов (рис. 11, рис. 12 и рис. 13). Приведенные кривые име­ют две характерные области: область "изгиба" (выхода ЧХ на горизонтальный участок) и область “скачка”.



Рис. 9 Типичные частотные характеристики Е_кр

Положение области "изгиба" на ЧХ информативно и косвенно говорит о наличии и величине внутренних утечек. Чем ниже и левее расположена эта область, тем меньше утечки в ИЭУ, т.е. тем она надежнее.

Область “скачка” теоретически не является признаком потенциальной неисправности, а лишь большой разности пороговых напряжений n- и p- канальных транзисторов, составляющих КМОП структуру. Тем не менее, если учесть, что в современных ИС n- и p- канальные транзисторы имеют примерно равные по абсолютной величине пороговые напряжения, то наличие такой области может свидетельствовать о загрязнениях в кристалле или нарушениях в технологии изготовления. В этом случае само наличие области "скачка" в частотной характеристике свидетельствует о потенциальной ненадежности ОК. Таким образом, основным источником информации будет форма кривой частотной зависимости Е_кр, т.е. ИП третьего уровня.

Если наличие ярко выраженной области "скачка" может служить однозначным указанием для отнесения ОК к группе потенциально ненадежных, то для классификации по области "изгиба" потребуется введение нечетких порогов.

Таким образом, в главах 2 и 3 разработан метод контроля, ядром которого является многоуровневая модель информативных параметров и, в котором, в качестве ИП первого уровня выступают критические питающие напряжения, а последующих уровней – их зависимости от внешних воздействий и режимов измерений и характеристики этих зависимостей (линейность/нелинейность, скорость изменения, характеристики гистерезиса и др.).


В главе 4 приведены результаты разработки программно-аппаратного обеспечения системы контроля качества ИЭУ.

Теоретической основой для создания системы явилась разработанная многоуровневая модель ИП, когда в качестве ИП первого уровня выступают Е_кр и далее их зависимости от режимов измерений и внешних факторов, а также характеристики этих зависимостей. На рисунке 10 представлена структура автоматизированной системы контроля качества ИЭУ.

Подключающее устройство (ПУ) обеспечивает унификацию сопряжения различных объектов контроля с тестирующим комплексом. В диссертации приведена методика построения и примеры ПУ для ИЭУ различных технологий изготовления. Рассмотрены особенности контроля аналоговых устройств цифровыми средствами контроля, главным из которых является то, что с помощью ПУ должен обеспечиваться по возможности полный контроль режимов функционирования ОК

Программное обеспечение (ПО) состоит из двух частей: управляющей программы и программного обеспечения центрального компьютера. Первая часть, находящаяся в постоянном запоминающем устройстве контроллера, осуществляет непосредственное управление аппаратурой измерительной установки и обменом данными с центральным компьютером. Вторая реализует

алгоритмы контроля и взаимодействия с оператором, и может меняться в зависимости от целей, объектов и алгоритмов контроля:

драйвер взаимодействия с аппаратурой обеспечивает передачу команд через интерфейс в установку контроля и прием результатов измерений, а также задание режима работы сложных ОК через программатор;

банк методик контроля обеспечивает необходимую последовательность управляющих воздействий на аппаратуру в зависимости от выбранного объекта и методики контроля;

каталог сигнатур содержит эталонные значения сигнатур для конкретного типа ОК и набор характерных неисправностей. Совокупность каталогов всех контролируемых микросхем составляет единую базу данных, система управления которой, обеспечивает все основные функции: добавление, удаление и редактирование записей;

модуль обработки статистических данных обеспечивает расчет статических параметров и построение распределений при исследованиях репрезентативных выборок ОК. Программное обеспечение позволяет хранить данные об




Рис. 10 Структура СКК ИЭУ


эталонных подписях микросхем, считывать подписи проверяемой микросхемы

с аппаратного комплекса (MARGIN-2 - контроллер - ПЭВМ) через последовательный порт и производить сравнение с эталоном;

модуль взаимодействия с оператором и отображения информации использует специально разработанный оконный интерфейс для взаимодействия с пользователем, и вывода результатов тестирования.

Блок контроля Margin-2

Функционально-параметрический контроль в СКК обеспечивает специализированное оригинальное устройство MARGIN-2, принцип работы которого основан на совместном использовании сигнатурного анализатора и метода критических питающих напряжений. На способ контроля автором получен патент на изобретение (в соавторстве). Устройство MARGIN-2 содержит следующие функциональные блоки: плату генератора тестовых последовательностей; плату компараторов; плату сигнатурного анализатора; блок индикаторов; блок питания. В работе приведена адаптация MARGIN-2 к тестированию ОК аналогового типа. Технические характеристики устройства приведены в приложении к работе.

Программатор

Специально разработанный, и функционирующий в составе СКК программатор БИС памяти и синтезаторов частоты имеет возможность многократно менять настроечную информацию ОК в соответствии с заданным алгоритмом, в ходе самого процесса контроля. Процедура контроля синтезаторов разбивается на два этапа: программирование коэффициентов деления посредством программатора, а затем тестирование с применением сигнатурного анализатора. При этом, применение разработанного на основе многоуровневой модели ИП метода, возможно как на этапе программирования, так и на этапе тестирования, что позволяет более точно диагностировать потенциальную ненадежность ОК. В диссертации описано конфигурирование сложных ОК (таких например, как синтезаторы частот). (В приложении к диссертации приведены технические характеристики блоков СКК).

Затем в работе дано описание программного обеспечения СКК, а в приложении к диссертации приведены алгоритмы программ управления.

В последней, пятой главе приведены данные экспериментов, позволивших проверить справедливость теоретических выкладок, моделей и принципов, обоснованных и разработанных в диссертации.

В качестве ОК в экспериментальных исследованиях использовались ИЭУ цифрового и аналогового типов.

Методика выбора высоконадежных ИЭУ

Прежде всего, приведены результаты многочисленных экспериментов, которые проводились на статистически значимых репрезентативных выборках. Основной отличительной чертой этих экспериментов явилось наличие нулевого провала в распределении величин E_кр и близость профиля распределения к виду распределения ИИП (рис. 1), что позволило сформулировать первый пункт методики выбора: порог разбраковки ОК по величине E_кр необходимо располагать в середине нулевого провала распределения.

Второй пункт предлагаемой методики. Для выявления наиболее стабильных экземпляров ИЭУ выборку из правой части распределения следует подвергнуть внешним воздействиям (термоциклированию) в рабочем диапазоне температур с динамическим измерением величин E_кр. Тогда отбор ИЭУ производится по формуле 14. Эталонная площадь петли гистерезиса определяется в ходе статистических испытаний. Не имея эталонных значений, необходимо провести 4-5 термоциклов, по результатам которых (ИП третьего уровня – характеристики зависимостей Е_кр(t°C)) отобрать экземпляры с неизменной площадью петли гистерезиса или наименьшей - третий пункт методики.

При отсутствии возможности проведения статистических испытаний, а также при входном контроле, необходимо более глубокое изучение ОК, в частности, изучение типовых частотных характеристик E_кр (ИП второго и третьего уровня), выделение ОК с аномальным видом ЧХ и изучение причин такого аномального вида.

Экспериментальные испытания зависимости Е_кр от режимов измерений

Измерения частотных характеристик Е_кр(F) для КМОП ИС различных производителей проводились в широком диапазоне рабочих частот (рис. 11).



Рис. 11 Группирование характеристик ИС различных производителей

На рисунках 12 и 13 приведены зависимости Е_кр(F) соответственно для сдвоенного аналогового компаратора (LM2903D) и сдвоенного операционного усилителя (MC3202VD), которые соответствуют рисунку 9.




Рис. 12 График зависимости Е_кр(F) для микросхем LM2903D





Рис. 13 График зависимости Е_кр(F) для ИЭУ MC3202VD


Можно отметить, во-первых, что в интервале низких частот (0.1…10 кГц) заметны индивидуальные различия поведения величин Е_кр в партии ИЭУ (рис. 11). Во-вторых, что общий характер изменения Е_кр от частоты входной тестовой последовательности подтверждает теоретические предположения о снижении запаса Е_кр на высокочастотном участке (рис. 12 и рис.13). И, в-третьих, чем выше запас Е_кр в низкочастотной области, тем он меньше в области высоких частот.

Экспериментальная оцен­ка обусловленности запаса критических напряжений Е_кр уровнем проводимостей утечек (рис. 14) показала чувствительность Е_кр на низких частотах к наличию утечек любого вида.

При проведении исследований были обнаружены экземпляры ИЭУ с аномальными значениями Е_кр. Так на рисунке 15 представлены зависимости Е_кр(F) для надежных устройств и потенциально ненадежных ОК. Из вида ЧХ следует, что потенциально ненадежные ИЭУ имеют пониженные значения Е_кр в низкочастотной области и обнаружена существенно меньшая зависимость от частоты. Наиболее вероятным дефектом этих экземпляров является частичный пробой охранных диодов у МОП транзисторов р- и n-типов соответственно.

Обобщенные результаты экспериментальных исследований зависимости Е_кр(F) для КМОП ИЭУ (74HC4051, 74HC4052, дешифраторов 74HC138, 74HC139, коммутаторов Analog Devices ADG419) отражены выше на рисунке 9.

Рис. 14 Результат влияния токов утечки

Рис. 15 Проявление дефектов КМОП ИС в частотной характеристике Екр(F)

Экспериментальные испытания зависимости Е_кр от внешних воздействий

Далее проверялась возможность использования для контроля качества ИЭУ циклического воздействия положительных и отрицательных температур при одновременном динамическом контроле внутреннего состояния с помощью измерений величин Е_кр в диапазоне частот тестовых сигналов. Найдено, что циклическое воздействие на устройство (обладающее высоким качеством) дает циклический гистерезис, близкий к симметричному гистерезису. Для потенциально ненадежных ИЭУ отмечено возникновение явления "ползучести", когда гистерезис искажается, вытягиваясь вдоль оси внешних воздействий.

Для ИЭУ, независимо от технологии изготовления, были зафиксированы общие закономерности (рис. 16), а именно, связь потенциальной безотказности ОК как собственно с величиной Е_кр, так и с параметрами гистерезиса температурной зависимости Е_кр (ИП третьего уровня):

П = {,S₀,S₁,…,S_i,…,S_n,E₁,…,E_i,…,E_n}, (14)

где: – начальная величина критического напряжения; S₀ – начальная площадь петли гистерезиса Е_кр(t°), возникающего при термоциклировании ИЭУ; S_i – изменения площади от цикла к циклу; E_i – дрейф Е_кр при термоциклировании, т.е. "пол­зу­честь" петли гистерезиса.



а) б)



в)

Рис. 16 Изменение Е_кр при циклировании температуры

При нагревании до + 50°C и охлаждении до –35°C с интервалом 1,5 секунды производилось измерение Е_кр(t°) с точностью 0.005В в каждом цикле "нагрев-охлаждение". Практически все экземпляры, определенные ранее как надежные показали высокую устойчивость технического состояния ОК к знакопеременным температурным воздействиям (рис.16,а), однако имелись ИЭУ с признаками усталостных явлений уже на 4…5 термоциклах (рис.16,б и рис. 16,в). Цифрами отмечены номера температурных циклов (нечетные номера соответствуют циклам нагрева, а четные – охлаждения).

Полученные результаты дали основание считать, что гистерезисные явления, появляющиеся как результат реакции исходных дефектов на внешнее воздействие и отражаемые в изменениях значений Е_кр несут в себе диагностическую информацию о состоянии функциональных свойств ИЭУ. А связь изменений площади петли гистерезиса может служить дополнительным (как ИП третьего уровня) информативным параметром к Е_кр.

Затем в главе рассматриваются вопросы подготовки экспериментов, такие как методика выбора частоты тестирования, возможности измерения внутренней температуры кристалла при термоциклировании и методика контроля, в том числе электронных узлов и блоков.


С помощью экспериментальных исследований проверено и подтверждено:

• критическое питающее напряжение Е_кр. неравномерно распределено по частоте тестового сигнала;
  
• подтверждено теоретическое предположение о высокой чувствительности Е_кр к наличию утечек в МОП-структурах n- и p- типов, а также к нестабильности пороговых напряжений длинноканальных и короткоканальных КМОП-инверторов;
  
• подтверждена связь Е_кр с быстродействием КМОП ИЭУ, что позволяет сократить затраты времени на измерение этой характеристики по сравнению со стандартными способами;
  
• экспериментально проверено и подтверждено, что Е_кр являются информативной характеристикой устройств любой технологии и позволяют обнаружить наличие неустойчивых (нестабильных) внутренних элементов ИЭУ и тенденции их изменений;
  
• выбранные по многоуровневой системе информативные параметры (Е_кр – параметры первого уровня) позволяют оценить эксплуатационную ус­той­чивость не только группы ИЭУ, но и устройства, блока, системы.
  

Отмечено, что СКК, может работать как самостоятельный комплекс, так и служить элементом более крупных систем контроля технического состояния ИЭУ, причем в качестве ИП второго уровня возможно использование кроме температурных и других внешних воздействий (например, радиационных).


В приложениях приведены: технические данные блока контроля и функциональная схема программатора СКК; алгоритмы программ управления СКК; экспериментальные данные контроля технического состояния ИЭУ; акты внедрения практических результатов диссертационной работы.