2 Анализ технических отчетов по результатам испытаний на безотказность.
В настоящее время прогнозирование безотказности является необходимым условием при проектировании РЭС.
Результаты испытаний на безотказность, производители электронной компонентной базы обычно помещают в отчеты на надежность (reliability reports), которые можно найти на сайте любого производителя электроники в разделе технической документации к устройствам.
Средняя наработка до отказа современных ИМС определяется в соответствии с требования стандарта MIL-STD-883, метод 1005, в основу которого положена экспоненциальная модель отказов. Показано, что использование экспоненциального распределения существенно завышает показатели надежности ИМС и изделий на их основе.
Уровень надежности современных ИМС достаточно высок и оценивается интенсивностью отказов (Failure Rate - Fr)
Отметим, что в зарубежной литературе интенсивность отказов измеряется в единицах, именуемых FIT (failurein 109componenthours или одино тказна 109 часов наработки). Интенсивности отказов  при изменении надежности по экспоненциальному закону соответствует средняя наработка до отказа Т (Mean Time to Failure - MTTF), определяемая выражением T=1/.
Отсюда показатель Т для современных ИМС находится в пределах от 1000 до 100000 лет. При таком уровне надежности традиционные статистические методы количественной оценки интенсивности отказов вновь создаваемых ИМС неэффективны, т.к. для получения достоверных статистических данных за приемлемый интервал времени необходимо провести трудоемкий эксперимент на огромном количестве образцов.
С целью сокращения объема испытаний для оценки надежности ИМС ведущие производители электронных компонентов проводят ускоренные испытания (Highly Accelerated Stress Test - HAST), позволяющие получить показатели надежности за время, значительно меньшее реальной долговечности микросхемы. Основным способом сокращения продолжительности испытаний является форсирование режима работы ИМС. Ускоренные испытания в форсированном режиме основаны на воздействии повышенных значений факторов, ускоряющих физико-химические процессы старения и деградации ИМС. Наиболее распространенными деградационными процессами в ИМС являются химическая реакция, диффузия, электромиграция носителей и коррозия. Связь между скоростью этих процессов и температурой ИМС описывается уравнением Аррениуса.
Уравнение Аррениуса в равной степени хорошо описывает появления отказов ИС при воздействии повышенной температуры, как в период приработки, так и в период старения.
Скорость химических и физических процессов, лежащих в основе механизмов отказа ИМС, согласно закону Аррениуса удваивается при повышении температуры на каждые 10 К.
ИМС в пластмассовых корпусах имеют пониженную влагостойкость. Влага может проникать внутрь корпуса как по границам раздела вывод-корпус, так и через поверхность корпуса. Время работы до отказа в этом случае определяется, в основном, временем, в течение которого создается концентрация влаги внутри корпуса, достаточная для начала процесса электролиза. Связь между долговечностью ИМС, температурой и влажностью для такого процесса описывается уравнением Пека.
Форсированные испытания ИМС на надежность при повышенной температуре проводятся в соответствии со стандартом MIL-STD-883, метод 1005.
Продолжительность испытаний в этом случае составляет, как правило, 1000 часов при температуре 125 °С. Как отмечалось выше, уровень надежности современных ИМС настолько высок, что даже форсированные испытания на надежность при повышенной температуре не позволяют определить показатели надежности для конкретных типов микросхем. Поэтому оценка показателей надежности выполняется в обобщенной форме и показатели группируются по типам технологий или достаточно обширным классам ИМС (ОУ, АЦП, память и т.п.). Обобщенные данные по результатам ускоренных испытаний ИМС фирмы Microsemi (Actel) при повышенной температуре в соответствии с требованиями стандарта MIL-STD-883, метод 1005 приведены в таблице 1.1 [8].
Таблица .1. Обобщённые результаты форсированных испытаний ИМС фирмы Actel.
Технология
ИМС
|
Особенности технологии
|
Число
ИМС
|
Число
отка -
зов
|
Произ -
ведение,
ИМСхчисло
отказов
|
А2, 10"9 ч
|
MTTF, ч
|
109 ч
|
MTTF, ч
|
при 55 °С,60% CL*
|
при 55 °С, 90% CL *
|
B/CM0S
|
Bipolar + CMOS with minimum MOSFET feature size greater than 0.6 um
|
26980
|
12
|
2763317240
|
5
|
192314946
|
7
|
146975239
|
Bipolar <2.5 urn2
|
Minimum emitter area <2.5 um2
|
9699
|
1
|
1158723500
|
2
|
572969297
|
3
|
297894038
|
Bipolar >2.5 urn2
|
Minimum emitter area >2.5 um2
|
12425
|
0
|
1038141660
|
1
|
1132983629
|
2
|
450858613
|
CMOS 0.18 urn
|
Minimum MOSFET gate length 0.18 um
|
878
|
0
|
105997500
|
8
|
115681161
|
22
|
46034070
|
CMOS 0.25 urn
|
Minimum MOSFET gate length 0.25 um
|
3906
|
2
|
453030500
|
7
|
145885765
|
12
|
85119010
|
CMOS 0.35 um
|
Minimum MOSFET gate length 0.35 um
|
5418
|
0
|
595412500
|
2
|
649807865
|
4
|
258584030
|
CMOS 0.5 um
|
Minimum MOSFET gate length 0.5 um
|
6754
|
3
|
663080860
|
6
|
158811747
|
10
|
99251998
|
CMOS 0.6 um
|
Minimum MOSFET gate length 0.6 um
|
16516
|
5
|
1468609880
|
4
|
233412066
|
6
|
158346320
|
CMOS 0.8-2.0 um
|
Minimum MOSFET gate length 0.8-2.0 um
|
3305
|
0
|
339104860
|
3
|
370084614
|
7
|
147271180
|
CMOS >2.0 um
|
Minimum MOSFET gate length >2.0 um
|
3729
|
1
|
316918840
|
6
|
156711040
|
12
|
81476067
|
На этапе эскизного и технического проектирования выполняется предварительный расчет надежности нового изделия. Для этого нужны сведения о надежности ИМС, используемых в этом изделии. Получить эти данные можно у официального дистрибьютора компании-производителя электронных компонентов. Однако если спецификация изделия окончательно не согласована или необходимо оценить надежность различных вариантов изделия и уже потом на основании сравнительного анализа этих вариантов остановить выбор на той или иной элементной базе, проще всего сведения о надежности электронных компонентов можно получить на сайте компании-производителя. Подробно это рассмотрено в [8]. Как это сделать, покажем на примере сайта фирмы Microsemi (Actel) (www.actel.com).
Алгоритм поиска показателей надежности ИМС на сайте фирмы Microsemi (Actel) приведен на рис. 1.7. В соответствии с данным алгоритмом на первой странице этого сайта необходимо найти строку "Actel Quality Systems" (программа качества) и щелчком клавиши "мыши" в площади этой строки открыть первую страницу программы качества, на которой указан перечень разделов этой программы.
Показатели надежности FITи MTTF
Actel Quality Systems
www.actel.com
Reliability Data
Product Cross Reference
Wafer Febrication Data, Life Test Data Summary by process technology
Рис. 1.7. Алгоритм поиска надежности ИМС на сайте фирмы Actel
Сведения о надежности ИМС находятся в разделе "Reliability Data", который включает следующие подразделы:
• Wafer Fabrication Data - в подразделе содержатся данные о результатах испытаний ИМС на надежность (FIT и MTTF), объединенные в группы в зависимости от технологии изготовления (см. таблица 1.1).
• Assembly/Package Process Data - в подразделе содержатся данные об отказах ИМС в зависимости от типа корпуса.
• Product Cross Reference - в подразделе в табличном виде приведен перечень всех ИМС фирмы Actel с указанием технологического процесса изготовления для каждой из них.
Если нас интересует наработка до отказа какой-либо ИМС фирмы Actel, в подразделе "Product Cross Reference" находим тот технологический процесс, по которому выполнена данная ИМС. Затем из таблицы. 1, которая приведена в подразделе "Wafer Fabrication Data", получаем показатели надежности (интенсивность отказов, среднее время наработки до отказа) для искомой ИМС.
Недостатком оценки показателей надежности по приведенному выше алгоритму является то, что в основу этой оценки положена экспоненциальная модель отказов ИМС, которые прошли ускоренные испытания на надежность. Как следует из классической теории надежности, выбор модели отказов или определение аналитического выражения функции распределения производят на основе статистических данных наработки до отказа или на основе изучения физических процессов, приводящих к отказу. Модели отказов первой группы называют строговероятностными (статистическими), модели отказов второй группы - вероятностно-физическими.
Экспоненциальное распределение (модель отказов первой группы), представляющее собой однопараметрическую функцию, благодаря простоте модели широко используется в теории надежности. Для этого распределения вероятность безотказной работы на данном интервале (t, t+ ) не зависит от времени предшествующей работы t, а зависит только от интервала . Иными словами, если нам известно, что в данный момент элемент исправен, то будущее его поведение не зависит от прошлого . Внезапные отказы, носящие случайный характер, обычно довольно хорошо описываются этим законом, в то время как отказы, возникающие в результате необратимых физико-химических изменений физических параметров элемента, не подчиняются экспоненциальному закону. Поэтому использование экспоненциальной модели отказа при экспериментальной оценке надежности ИМС делает эту оценку грубо приближенной и приводит к существенным погрешностям.
Анализируя деградационные процессы, приводящие к отказам, можно добавить к тому, о чем уже говорилось выше, что все они имеют случайную природу, причем изменение этих процессов носит как монотонный, так и немонотонный характер.
Сложные изделия электронной техники типа интегральных схем одновременно подвержены действию множества факторов. Все они, некоррелированные и слабокоррелированные между собой, формируют общий процесс деградации изделия. Определяющие параметры исследуемых деградационных процессов, которые могут вызвать отказ какого-либо компонента, например, в интегральной схеме, имеют разную физическую природу: скопление дислокаций, пластические деформации, размер трещины (усталостное механическое разрушение); геометрические размеры сечения проводящей металлизации, электросопротивление, размеры "бугорков" (электромиграция); скопление пустот, глубина слоя непроводящих интерметаллидов, проводимость (интерметаллизация); проводимость электролизных коротящих дорожек (электролитическая коррозия); глубина инверсного слоя, количество поверхностных зарядов (генерация и перемещение зарядов на поверхности кристалла полупроводника) и т.д.
Отказы ИМС хорошо описываются распределениями, которые имеют конкретную физическую интерпретацию. Рассчитанные оценки надежности ИМС по результатам ускоренных испытаний имеют минимальную погрешность (не более 10%), если в качестве модели отказов используется двухпараметрическое диффузионное распределение, соответствующее немонотонному марковскому процессу, получившее название DN-распределение.
В таблице 1.2 на основе одних и тех же форсированных испытаний приведены сравнительные показатели средней наработки до отказа для экспоненциального распределения MTTF(E) (данные заимствованы из таблица1) и для DN-распределения MTTF(DN). Как видно из таблицы 2., средняя наработка до отказа ИМС, полученная на основе экспоненциального распределения, завышена по сравнению с более точным значением этого показателя, полученным на основе DN-распределения, в 70-520 раз для большинства используемых в настоящее время технологических процессов изготовления ИМС.
Таблица 1.. Оценка среднего ресурса ИМС.
-
Технология
ИМС
|
Число образцов. N
|
Число отказов, г
|
FIT
|
MTTF(E),
лет
|
MTTF(DN),
лет
|
MTTF(E)/
MTTF(DN)
|
/CMOS
|
26980
|
12
|
5
|
22000
|
205
|
110
|
Bipolar <2.5 um2
|
9699
|
1
|
2
|
65000
|
235
|
270
|
Bipolar >2.5 um2 *
|
12425
|
0
|
1
|
130000
|
250
|
520
|
CMOS 0.18 um
|
878
|
0
|
8
|
14000
|
190
|
70
|
CMOS 0.25 um
|
3906
|
2
|
7
|
16000
|
195
|
85
|
CMOS 0.5 um
|
6754
|
3
|
6
|
18000
|
200
|
95
|
CMOS 0.6 um
|
16516
|
5
|
4
|
27000
|
213
|
130
|
CMOS 0.8-2.0 um **
|
3305
|
0
|
3
|
42000
|
223
|
190
|
При расчете средней наработки до отказа изделий сложной техники на основе полученных на сайтах ведущих мировых производителей или из других справочных источников значений интенсивности отказов следует пользоваться не экспоненциальным, а DN-распределением наработки до отказа.
|
