Расчет надежности полупроводниковых ИМС по

Внезапным отказам

 

Для расчета надежности полупроводниковых ИМС разработан ряд методик на основе статистического и физического методов.

Статистические методы используют для ориентировочного расчета надежности на этапе эскизного проектирования ИМС, а физические — для окончательного расчета на этапе разработки рабочей документации.

Рассмотрим наиболее распространенные методики расчета для этих двух методов.

Статистический метод. В основу методики расчета надежности полупроводниковых ИМС на основе статистического метода положены те же допущения, что и при расчете гибридных ИМС. При этом учитывается, что резисторы и конденсаторы формируются на базе транзисторной структуры, т.е. с помощью прямых и обратно смещенных p-n-переходов. Поэтому интенсивность их отказов принимается такой же, что и у диодов. В качестве компонентов ненадежности полупроводниковых ИМС при данном расчете используют элементы структуры и конструкции ИМС (рис. 3): транзисторные 1 и диодные 2 p-n-переходы, внутрисхемные соединения 3 и выводы корпуса 4.

Интенсивность отказов корпусных полупроводниковых ИМС рассчитывают по выражению

 

(3)

 

где  — число условных транзисторных переходов;  — число условных диодных переходов, равное общему числу диодов, резисторов и конденсаторов;  — число внешних выводов; ,  — коэффициенты режима работы транзисторных и диодных переходов; ,  и  — интенсивности отказов транзисторных переходов, диодных переходов и соединений соответственно (для нормальных условий);  — коэффициент вибрации.

При расчете  бескорпусных полупроводниковых ИМС выражение (3) упрощается, так как отсутствуют соединения с выводами корпуса и  = 0. Рекомендуемые для расчетов средние статистические значения интенсивностей отказов компонентов ненадежности следующие:

 

Рис. 4. Зависимости поправочных коэффициентов от температуры и коэффициента нагрузки k_a для пленочных резисторов (a), транзисторов (б), диодов (в) и пленочных конденсаторов (г)

Рекомендуемые значения коэффициентов режима работы для различной температуры окружающей среды при расчете по данной методике приведены в табл. 1.

Значение вероятности безотказной работы Р (t) определяют обычным путем.

 

Рис. 5. Конструкция полупроводниковой биполярной ИМС

 

Следует отметить, что полупроводниковые ИМС общего применения универсальны и предназначены для многоцелевого использования. В конкретном схемном включении часть цепей и внешних выводов ИМС может не использоваться и, следовательно, они не будут влиять на надежность всего устройства. Поэтому расчет  по выражению (27.1) необходимо производить с учетом конкретного включения ИМС. Это часто имеет место при использовании бескорпусных полупроводниковых ИМС в МСБ. Следовательно, одна и та же ИМС может иметь различные уровни надежности.

 

Табл. 1 Коэффициенты режима работы элементов полупроводниковых

ИМС

Коэффициент режима работы	Температура, °С
	20	30	40	50	60	70	80
	1,0	1,35	1,85	2,60	3,60	4,90	6,20
	1,0	1,27	1,68	2,0	2,60	3,40	4,10

 

Физический метод. Данный метод учитывает не только количество компонентов ненадежности, но и качество разработанной топологии, количество технологических операций, режим работы и эксплуатационные воздействия.

Исходными данными для расчета надежности полупроводниковых ИМС физическим методом являются принципиальная электрическая схема, разработанная топология, маршрут технологического процесса и значения интенсивности отказов компонентов ненадежности.

В отличие от гибридных ИМС в полупроводниковых ИМС выделяют следующие элементы конструкции, характеризующиеся определенными значениями интенсивности отказов: кристалл, корпус, соединения. Однако активные и пассивные элементы полупроводниковых ИМС формируются в объеме и (или) на поверхности кристалла с помощью определенного числа технологических операций и не могут считаться самостоятельными (дискретными) при расчете надежности. Их надежность во многом будет зависеть от сложности технологического процесса. Анализ отказов полупроводниковых биполярных и МДП-ИМС позволяет выявить наиболее часто встречающиеся отказы, обусловленные различного рода дефектами, и определить их интенсивность. Так, для полупроводниковых ИМС, в зависимости от вида дефекта, установлены такие значения интенсивности отказов элементов структуры и конструкции:

из-за дефектов, обусловленных диффузией (для одной стадии) ;

из-за дефектов металлизации (на 1 мм² площади) ;

из-за дефектов оксида (на 1 мм² площади) ;

из-за дефектов от посторонних включений в корпусе (на 1 мм² площади кристалла) ;

из-за поверхностных и структурных дефектов кристалла (на 1 мм² площади кристалла)

из-за некачественного крепления кристалла ;

из-за обрыва термокомпрессионного сварного соединения ;

из-за повреждения корпуса  (для пластмассового корпуса) и  (для металлокерамического корпуса).

По этим значениям можно определить интенсивности отказов активных и пассивных элементов и элементов конструкции полупроводниковых ИМС с учетом стадийности диффузионных или других высокотемпературных процессов, реальных площадей элементов, металлизации и кристалла.

Поэтому в качестве компонентов ненадежности используют элементы структуры и конструкции полупроводниковой ИМС, значения интенсивностей отказов которых определяются выражениями:

 

	(4)
	(5)
	(6)

 

где , ,  — интенсивности отказов элементов (транзистора, диода, диффузионного резистора, диффузионной перемычки или шины), металлизации и кристалла соответственно;  — число стадий диффузии при формировании того или иного элемента; , ,  — площади (в мм²) элемента, металлизации и кристалла соответственно.

К компонентам ненадежности относится также корпус и соединения, характеризующиеся значениями  и . Только после такого определения расчет можно свести, как и в случае гибридных ИМС, к суммированию интенсивностей отказов отдельных компонентов ненадежности с учетом поправочных коэффициентов на величину электрической нагрузки и состояние окружающей среды.

В данном случае интенсивность отказов  полупроводниковых ИМС с учетом того, что время появления внезапных отказов распределено по экспоненциальному закону, определяется выражением

 

(7)

 

где т — число групп элементов;

n_i — число элементов данного типа с одинаковым режимом работы;

 — поправочный коэффициент, учитывающий влияние окружающей температуры и электрической нагрузки;

 — поправочный коэффициент, учитывающий механические воздействия, относительную влажность и изменение атмосферного давления;

 — интенсивность отказов элементов структуры (транзисторов, диодов, резисторов), металлизации, кристалла и конструкции (соединений, корпуса).

Порядок расчета надежности полупроводниковых ИМС по внезапным отказам физическим методом следующий.

1. По заданной принципиальной электрической схеме и разработанной топологии определяют число n_i структурных элементов каждого типа и число т, m_i типов элементов.

2. По топологии и маршрутной карте технологического процесса изготовления полупроводниковой ИМС определяют число диффузий  для изготовления структурных элементов каждого типа.

3. По топологии определяют площади структурных элементов каждого типа ,  и площадь кристалла .

4. Используя данные по интенсивностям отказов элементов структуры и конструкции, по выражениям (4) — (6) определяют значения  для элементов каждого типа.

5. По заданным электрическим параметрам и принципиальной электрической схеме производят расчет электрического режима и определяют коэффициенты нагрузки k_Hi для активных и пассивных элементов (как при расчете гибридных ИМС). Коэффициент нагрузки k_НМi наиболее нагруженных проводников металлизации (шины питания, сигнальные выходные шины и др.) определяют из выражения

 

(8)

 

где  — ток через i-й проводник металлизации;  и  — ширина и толщина проводника металлизации;  — допустимая плотность тока через проводник металлизации.

6. Для заданной температуры и рассчитанных значений k_нi по графикам рис. 6 и 8 определяют значения поправочных коэффициентов (, , и ).

7. По заданным условиям эксплуатации выбирают поправочные коэффициенты k₁ k₂, и определяют k_i = k₁k₂k₃.

8. По полученным в п. 1, 4, 6 и 7 данным и выражению (7) рассчитывают интенсивность отказов  ИМС.

Для заданного времени t рассчитывают вероятность безотказной работы ИМС

 

(9)

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. - 379 с.

2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ.РУ, 2003. - 440 с.

3. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. - 885 с.

4. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. - 526 с.

5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. - 416 с.

6. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш. шк., 2000. - 160 с.