Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Перспективы технологии изготовления резистивных элементов для развития МЭМС 10
1.1.Конструкция и технологии изготовления плавких резистивных ПереМЫЧеК 10
1.2. Исследование влияния защитной окисной пленки на надежность объектов МЭМС 17
1.3. Исследование влияния фотошаблонов и фотолитографии на надежность системы перемычек 24
1.4 Исследование технологии изготовления тонкопленочных резисторов 28
1.5 Оценка надежности системы плавких перемычек 35
Выводы 40
ГЛАВА 2. Теоретические и экспериментальные исследования отказов кремниевой структуры с перемычками 42
2.1. Методика экспериментальных исследований механизмов программирования объектов с перемычками 43
2.2. Статистический анализ отказов устройств с перемычками 47
2.3. Исследование конфигурации перемычек 53
2.4. Расчет температурного поля и термомеханических напряжений в нихромовых перемычках 59
Выводы 83
ГЛАВА 3. Исследование влияния температурных полей на надежностные характеристики устройств МЭМС 86
3.1 Обзор методов теплофизических расчетов пластин с размещенными источниками тепла 86
3.2.Исследование теплофизических особенностей конструкций объектов... 91
3.3. Расчет температурных полей конструкций объектов с плавкими перемычками 99
3.4. Исследование кремниевых кристаллов с перемычками в режиме динамического питания 111
В ы вод ы 116
ГЛАВА 4. Разработка рекомендаций по повышению надежности системы перемычек 117
4.1. Применение метода весовых компонентов для оценки надежности кремниевых кристаллов 117
4.2. Прогнозирование вероятности безотказной работы кремниевых кристаллов по результатам кратковременных испытаний 122
4.3. Методы обеспечения надежности кремниевых кристаллов с плавкими перемычками 129
Выводы 138
Заключение 139
Литература
- Исследование влияния защитной окисной пленки на надежность объектов МЭМС
- Статистический анализ отказов устройств с перемычками
- Расчет температурных полей конструкций объектов с плавкими перемычками
- Прогнозирование вероятности безотказной работы кремниевых кристаллов по результатам кратковременных испытаний
Введение к работе
Общие тенденции современного комплексного развития техники и
технологии - миниатюризация и интеллектуализация достаточно четко
проявляются в микроэлектромеханических системах (МЭМС). В основе этого
процесса - реализация тенденций в основных компонентах этой системы -
сенсорных, информационно-управляющих и исполнительных (силовых) и их
сближение на базе развития общих трехмерных (3D) микросистемных технологий. Эти тенденции порождены потребностями основных отраслей машино - и приборостроения, открывая возможности создания наукоемких приборов и устройств нового поколения, в том числе и на существующих элементной базе и технологиях [1,2].
По мнению ученых [3,4,5,6], в настоящее время в России и в мировом научном сообществе имеются все необходимые предпосылки для достижения быстрого успеха в области разработки и производства МЭМС различного функционального назначения. Технологическая поддержка основывается на базовых технологических процессах, традиционно применяемых в микроэлектронике и приборостроении, а развитие этого научно-технического направления позволит решить проблему загрузки простаивающих в настоящее время предприятий электронной промышленности, большинство которых имеет достаточный набор технологического оборудования отечественного производства, вполне пригодного для создания МЭМС [6,7]. В своих работах такие исследователи, как Распопов В.Я., Мальцев П.П., Козлов В.В., Лучинин В.В., Лурье М.С., и др. отмечают, что при этом «не требуется вести пионерские работы» [8,9,10], а необходимо оптимально использовать имеющийся задел в различных областях науки и техники, включая и микроэлектронные технологии.
Возможность изготовления электромеханических и микроэлектронных компонентов на одной подложке в приборных устройствах открывает перспективу создания систем с более высокой функциональностью. Микронные размеры элементов МЭМС обусловливают использование для их изготовления
5 модифицированных базовых технологических операций, традиционно
применяемых в микроэлектронике.
С учетом вышесказанного, особенностью технологий МЭМС является необходимость формирования на единой подложке информационно-управляющих и і исполнительных (силовых) механизмов МЭМС. Достоинствами такого технологического процесса являются [11,12]:
- обеспечение высокой точности изготовления;
- параллельное (групповое) изготовление большего количества одинаковых устройств, обеспечивающее низкую стоимость единичного изделия;
- однотипное и одновременное изготовление механических и
электронных элементов и устройств со сложной комплексной структурой.
На основе анализа проводимых работ в этом направлении можно обобщить стимулы и факторы, способствующие развитию МЭМС в России и выделить важнейшие [13]:
наличие научной и технологической культуры, сформировавшейся в период становления и развития микро- и оптоэлектроники;
. наличие базового оборудования, производственных мощностей и организационной инфраструктуры микроэлектронного производства, пригодных для реализации на них объектов микросистемной техники;
тенденции к активизации рынка в области миниатюрных недорогих диагностических систем обеспечения жизнедеятельности человека на основе концепции экономической целесообразности массовой профилактики заболеваний;
формирование рынка оборудования для технологий на микроуровне (аналогичных микроэлектронным) за счет широкого развития биотехнологии и ужесточения требований к работе с радиоактивными, токсичными, взрывоопасными веществами, что определяет переход на использование сверхмалых количеств веществ в ограниченных объемах.
Технология производства приборов как микроэлектромеханических систем базируется на принципах и методах изготовления чипов в толще кремниевой подложки, но затем часть кремния вытравливается, чтобы освободить движущиеся части. Благодаря встроенной электронной части МЭМС может самостоятельно управлять своей работой на основании данных от сенсорных систем.
В настоящее время плавкие резистивные перемычки и их системы используются для ' фиксирования и хранения информации (символы, константы, знаки, микрокоманды и микропрограмм) в так называемой постоянной памяти. Основными достоинствами системы перемычек являются высокое быстродействие, технолбгичность, высокая радиационная стойкость, и при достижении требуемой надежности она является перспективным элементом в качестве информационно-управляющего приборного компонента МЭМС. Проблема повышения надежности возникает вследствие того, что плавкая перемычка в процессе эксплуатации способна отказать, т.е. может произойти неверное считывание зафиксированной информации. Информация в системе перемычек зафиксирована в виде комбинаций логических «О» и «1» и технологическое программирование означает выборочное разрушение перемычки по заданному алгоритму.
Анализ технологического процесса изготовления многослойной кремниевой подложки с системой плавких резистивных перемычек из нихрома показывает, что эта технология с некоторыми изменениями может быть использована в производстве МЭМС. Нихром, имеющий состав 80% Ni и 20% Сг, является традиционным хорошо отработанным резистивным материалом, использованным и апробированным наряду с перемычками из силицида платины, поликристаллического кремния, титана вольфрама. На основе практического опыта [13,14,15] изготовители остановили свой выбор на нихроме в качестве элемента фиксации и хранения информации. Элементы фиксации и хранения информации - система плавких перемычек осаждаются на
7 поверхность кремниевого кристалла с защитным слоем из двуокиси кремния,
имеют * коммутирующие выводы (шины) из алюминия.- Вся многослойная
структура покрыта диэлектрическим окисным слоем.
Изготовление составляющих многослойной структуры производится при
высоких температурах осаждением из газовой среды, а это значит, что оно сопровождается термодинамическими и термохимическими изменениями в структуре. Так, на стадии изготовления элементов управления процессом фиксации и считывания информации в системе перемычек в толще кремния возникают дефекты кристаллической решетки, дефекты наращиваемых слоев, что является в незначительной степени причиной возникновения отказов, обычно выявляемых на входном контроле или в процессе ускоренных испытаний. На стадии окисления кремния и создания диэлектрического защитного слоя основной задачей является формирование однородного слоя одинаковой толщины по всей поверхности кремниевого кристалла, без пор, которые могут явиться причиной возникновения отказов из-за пробоя диэлектрика.
В работе подробно рассмотрен процесс формирования перемычек определенной конструкции, создаваемой с помощью фотошаблонов с последрвательным наращиванием* и удалением фоторезиста.^ Надежность всей системы перемычек, несомненно, закладывается на стадии их изготовления. Это может быть связано с несоответствием вещественного состава напыляемого нихромового сплава из испарителя и самой перемычки, загрязнением напыляемого потока веществом испарителя, неравномерностью толщины перемычки, неплоскостностью фотошаблона, что влияет на конфигурацию перемычки. С учетом перечисленных составляющих выбран метод оценки надежности, объединяемый единством технологии, позволяющий обеспечить допустимую достоверность при прогнозе надежности системы.
Полный цикл Технологического программирования системы перемычек включает входной контроль, фиксацию информации по заданному алгоритму,
8 ускоренные испытания (термовыдержки, электротермотренировка) и выходной
контроль. Отказы, выявляемые на этапе технологического программирования,
не влияют на надежностные характеристики устройств с системой перемычек в
процессе их эксплуатации. Однако, на основе анализа процесса
технолбгического йрограммирования можно прогнозировать надежность
фиксации информации, которая зависит от количества электрических
технологически программирующих импульсов (от 1 до 16 импульсов).
Экспериментальные исследования конфигурации перемычек на препарированных образцах кремниевых кристаллов позволили выявить разброс ширины перемычек в области локального тепловыделения. Результаты статистической обработки измерений скоррелированы относительно результатов технологического программирования, т.е. чем больше ширина зауженного участка перемычки,, тем большим количеством импульсов она программируется. Это теоретически обосновывается зависимостью электрического сопротивления области локального тепловыделения от ширины этой области.
Особенности конструкции с принятыми допущениями учитываются при
расчете температурных полей. Градиентное поле температур по длине
перемычки, возникающее при технологическом программировании и
способствующее теплоотводу, в некоторой степени является следствием
постепенного разогрева «шейки» перемычки из-за увеличения ширины. И, как
результат, в зависимости от геометрических размеров возможны следующие
механизмы разрушения: оплавление и механический разрыв перемычки,
термохимическое взаимодействие нихрома и двуокиси кремния с
образованием непроводящих соединений, наконец - мгновенный микровзрыв с выносом массы вещества из области разогрева.
Для всестороннего анализа факторов, влияющих на надежность функционирования системы перемычек, целесообразно исследовать конструкции кремниевых кристаллов, расположенных на одной подложке с
1-і
механическим объектом, представленных как произвольно расположенные
источники тепла. С учетом взаимного влияния разноудаленных источников тепла определены перегрев корпусов системы перемычек, потребляемые токи и выход системы в стационарный режим. Традиционным способом охлаждения корпусов кремниевых кристаллов является использование радиаторов из алюминия или фольгированного стеклотекстолита.
Потребляемая мощность системы перемычек связана, прежде всего, с переключением режимов считывания для всего набора перемычек на подложке. Предложенный в настоящей работе режим динамического питания при эксплуатации ставит целью снижение потребляемой мощности уменьшение температуры нагрева объекта. При динамическом питании импульс, формируемый и действующий в паузах между обращениями к информационному полю системы перемычек, выводит всю эту систему в стационарный режим за более короткое время, уменьшая тем самым потребляемую мощность.
Исследование надежностных характеристик кремниевых кристаллов с системой перемычек проведено с использованием метода весовых коэффициентов каждой составляющей кристалла относительно слабонагруженного узла -формирователя адресов перемычек. В результате проведенных исследований установлено, что интенсивность отказов увеличивается пропорционально росту степени интеграции кристалла. В работе предложено использовать блок контрольных разрядов и блока коррекции ошибок.
Проведенный комплекс исследований позволил сформулировать
рекомендации по повышению надежности системы перемычек: путем изменения конфигурации перемычек, повышением эффективного значения программирующего напряжения, применением импульсного питания, оптимизацией алгоритма программирования.
Исследование влияния защитной окисной пленки на надежность объектов МЭМС
Окисление кремния — один из самых характерных процессов в технологии производства МЭМС, ранее достаточно отработанных в технологии производства многослойных кремниевых структур. Получаемая при этом пленка двуокиси кремния {SiOi) выполняет функции защиты - пассивации поверхности; маски, через окна которой вводятся необходимые примеси.
При изготовлении системы перемычек окисная пленка служит защитной изоляцией системы перемычек от кремниевой подложки и герметизирующего корпуса. В технологии производства планарных микромашин, изготавливаемых по многоуровневой технологии, слои поликремния отделены друг от друга прослойками двуокиси той же толщины, которые в процессе производства удаляются и замещаются воздушными прослойками [26].
Окисление кремния осуществляется при температуре 1000-1200 С. Термическое окисление можно проводить в атмосфере кислорода (сухое окисление), в смеси кислорода с парами воды (влажное окисление) или в парах воды [27].
Во всех случаях окисление производится в окислительных печах с кварцевой трубой, в которой размещается «лодочка» с пластинами кремния, нагреваемая токами высокой частоты. Через трубу пропускается поток кислорода (сухого или увлажненного) или пары воды, которые реагируют с кремнием в высокотемпературной зоне. Пленка S1O2 имеет аморфную структуру
Полуэмпирическая формула зависимости толщины окисной пленки от времени термического окисления имеет вид [28] ., , d » k-sft , (1.1) где к - параметр, зависящий от температуры и влажности кислорода.
Одна из основных проблем при выращивании пленки S1O2 состоит в обеспечении ее однородности. В зависимости от качества поверхности, от чистоты реагентов и режима выращивания в пленке возникают различные дефекты. Распространенным типом дефектов являются микро- и макропоры, вплоть до сквозных отверстий (особенно в тонком окислё)/Качество окисной пленки повышается с уменьшением температуры ее выращивания, а также при использовании сухого кислорода.
Оксидная пленка формируется обычно на кремниевой пластине за счет химического взаимодействия в приповерхностной области полупроводника атомов кремния и кислорода. Кислород содержится в окислительной среде, с которой контактирует поверхность кремниевой подложки, нагретой в печи до температуры Т = 900 - 1200 С. Окислительной средой может быть сухой или влажный кислород Требования к оборудованию: .контролируемая с точностью до 1 градуса температура подложкодержателя, - обеспечение плавного повышения и понижения температуры в реакторе (двухстадийный нагрев), - отсутствие посторонних частиц в реакторе (подложкодержатель сначала вводится в трубу реактора, а затем опускается на дно), - отсутствие посторонних примесей, в частности, ионов натрия на внутренней поверхности реактора (с целью их удаления проводится предварительная продувка трубы реактора хлором), - обеспечение введения кремниевых пластин в реактор сразу после их химической очистки.
Химическая реакция, идущая на поверхности кремниевой пластины, соответствует одному из следующих уравнений: - окисление в атмосфере сухого кислорода (сухое окисление): V Simeepd+ О 2 = S1O2, - окисление в парах воды (влажное окисление): Sim6epd+2H20 = Si02 + 2Н2; - термическое окисление в присутствии хлора (хлорное окисление); термическое окисление при взаимодействии молекул воды, синтезированных из атомарно чистых кислорода и водорода непосредственно у поверхности кремния, с атомами кремния (пирогенное окисление). Время окисления в стандартных технологических процессах составляет 4-5 часов.
Для окисления кремния в окислительную среду в процессе окисления добавляются хлорсодержащие компоненты. Главная роль хлора в пленках двуокиси кремния (обычно с концентрацией хлора 10 - 10 см ) заключается в превращении случайно проникших в 7( примесных ионов натрия или калия в электрически неактивные.
По модели Дила-Гроува [29] методом радиоактивного маркера рост Si02 происходит за счет диффузии кислорода к поверхности кремния. Выход Si02 за границы начального объема, занимаемого кремнием, обусловлен их разными плотностями.
Процесс окисления происходит на границе Si - Si02, поэтому молекулы окислителя диффундируют через все предварительно сформированные слои окисла и лишь затем вступают в реакцию с кремнием на его границе. Согласно закону Генри, равновесная концентрация твердой фазы прямо пропорциональна парциальному давлению газа Р: С = Н- Р, где С- максимальная концентрация окислителя в газе для данного значения давления Р, Н - постоянный коэффициент Генри. В неравновесном случае концентрация окислителя на поверхности твердого тела меньше, чем С.
Статистический анализ отказов устройств с перемычками
Особенность изучения природы отказов состоит в том, что многослойная структура, содержащая перемычки, рассматривается как макронеоднородное, сложное тело, в котором поведение одного слоя или его части существенно отличается от поведения любой части или слоя при изменениях условий, происходящих в окружающей среде [52]. Поэтому деградация характеристик устройств определяется физико-химическим взаимодействием, а при несогласованности физических свойств слоев возникают катастрофические отказы. В этих исследованиях важная роль отводится современным методам изучения физических свойств пленок и кристаллов, методам химического и кристаллоструктурного анализов, широко используемых в приборостроении.
Объекты исследований.
Для исследования основных видов отказов системы перемычек были выбраны наиболее широко применяемые кремниевые кристаллы постоянной памяти серии КР556РТ4, содержащие нихромовые перемычки, изготовленные тремя различными предприятиями условно обозначенными как предприятие 1, предприятие 2 и предприятие 3 в количестве 250 штук в партиях от каждого предприятия.
Отказавшие кристаллы в пластмассовом корпусе препарировались для микроскопических исследований природы отказа. С этой целью, пластмассовая герметизирующая оболочка частично сошлифовываласъ, затем подвергалась химическому травлению в смеси кислот HF и 40%-го раствора NH4F в метиловом спирте в соотношений 1 : 9 при температуре 60 - 70 С в течение 8 -10 минут. Затем образцы с удаленной пластмассовой оболочкой промывались в проточной воде и сушились потоком сухого теплового воздуха. Наружный тонкий слой SiO на кристалле удалялся ионно-плазменным травлением. Слой А1 - коммутирующие шины - удалялись с поверхности кристалла путем травления в растворе - 154 мл ортофосфорной кислоты, 6 мл HNO3, 30 мл уксусной ледяной кислоты, - в течение 6 минут при температуре 55 ± 5 С, после чего образцы промывались в проточной воде и сушились также потоком воздуха.
Зоны разрушения перемычек наблюдались и фотографировались с помощью микроскопа МИМ-7 и растрового микроскопа МБС-7 [53]. Конфигурация и размеры перемычек исследовались с помощью микроскопа типа МБС-7. Для исследований идентичности формы и размеров перемычек были использованы кремниевые "шайбы" после формирования кристаллов, т.е. до операции нанесения наружного тонкого слоя S1O2. Это позволило измерить ширину разрушаемой части перемычек не только на одном кристалле, но и на нескольких кристаллах в пределах одной "шайбы".
Метод исследований программирования
Для экспериментальных исследований фиксации информации перемычками была определена последовательность операций технологического программирования - входной контроль, непосредственно программирование, контроль внесенной информации, термовыдержка 1, термовыдержка 2, электротермотренировка и контроль сохранности внесенной информации [54]. Элементы каждой из трех партий были подвергнуты входному контролю в идентичных условиях, что позволило оценить величину брака на предприятиях, оставшиеся кристаллы прошли операции программирования при двух температурах: Г/ = 293 К, Т2 = 353 К. Программа импульсов тока записи информации представлена на рис. 2.1 , откуда видно, что амплитуда программирующих импульсов монотонно изменялась от 9 до 15 В, а скважность составляла Q = 10. Такая программа позволяет последовательно увеличивать рассеиваемую в перемычках мощность с целью ее разрушения. Максимальное увеличение рассеиваемой мощности достигало 30%.
Технологическое программирование проводилось с помощью автоматического прибора-программатора типа. Определялись информационные состояния перемычек (лог "0" или "1") и их соответствие таблице "истинности", предварительно занесенной в систему перемычек. Затем кристаллы помещались в термостат и подвергались TBI. Далее, они устанавливались в программатор и производился контроль состояния перемычек, - и сравнение с таблицей "истинности", что позволяло выявить дефекты технологического программирования, т.е. отказы, возникающие в процессе записи информации в системы перемычек Оставшиеся годные кристаллы подвергались второй термовыдержке и затем - проверке на программаторе в режиме выходного контроля на соответствие внесенной информации таблице "истинности".
В. Условия проведения эксперимента
Операция входного контроля проводилась в номинальном режиме обращения к перемычкам. Погрешность измерения потребляемого тока 5%. Режимы технологического программирования: - длительность программирующего импульса т/ = 10 мкс, х2 = 100 мкс, - TJ= 1,0 мс, tv=10 мс, т5= 100 мс - количество программирующих импульсов соответственно их длительности (г,-)N] = A,N2= 4, N3 = 4, N4= 2, N5 = 2. - амплитуда программирующих импульсов соответственно их длительности (ті) Uи = 9 В, U,2 = 9 В, U13 = \0 В, /„ = 11 В, U2,= 2 В, U22=3 В,
Расчет температурных полей конструкций объектов с плавкими перемычками
С целью идентификации тепловых моделей исследуемых конструкций объектов и метода расчета температурных полей необходимы следующие экспериментальные данные о тепловых параметрах конструкций: номинальные и максимальные значение тока 1пот кристаллов двух типов; зависимость максимального значения тока 1пот от температуры окружающей среды; продолжительность выхода в стационарный режим (тст); температуры расчетных точек (Тр), указанных на рис.3.2 и 3.3.; температуры корпусов (Тк) объектов, установленных на пластины.
Объект исследования. Исследованию теплофизических свойств подвергались две конструкции объектов, выполненные на пластине с размерами 200 х 240 мм и 170 х 110 мм и установленными на них кристаллами памяти. Объекты на кристалле 1 выполнены в металлокерамическом корпусе с площадью 777 мм и горизонтально расположенными выводами, а - объекты 2 - в металлокерамическом корпусе с площадью 435 мм2 и вертикально расположенными выводами. Указанные корпуса являются основными для всех типов кремниевых кристаллов, предназначенных для эксплуатации в широком температурном диапазоне. " v Условия проведения эксперимента.
1. Измерение токов 1пот проводилось на 100 образцах каждого типа кристаллов до установки их на пластины при нормальной температуре tc\ погрешность измерения тока 5%.
2. Измерение токов 1пот при двух значениях температур tc =20±2С и tc =65±3С проводилось на 5 образцах каждого типа кристаллов, имеющих максимальные значения токов 1пот при нормальной температуре tc. Погрешность измерения тока 5%.
3. Измерение теплофизических параметров конструкций кристаллов осуществлялось в следующей последовательности: - Измерение продолжительности выхода в стационарный тепловой режим проводилось на 10 образцах каждого типа кристаллов, установленных на пластину при двух значениях температур tc =20+2 С и tc =56±3 С. Погрешность измерения продолжительности 8ст 2%; - Измерение температур Тр и Тк конструкций кристаллов при установке на плату одного корпуса и при двух значениях температур tc =20±2 С и tc =65±3 С. Погрешность измерения температуры 5%. - Измерение температур Тр и Тк конструкций с установленными 8-ю кристаллами и при двух значениях температур tc =20±2 С и tc =56±3 С. П9грешность измерения температуры 5%.
Результаты экспериментов и их обсуждения
1. На рис 3.4 представлена гистограмма распределения токов Inom кремниевых кристаллов при условиях проведения эксперимента по п.1. Из рисунка следует, что наибольшее количество кристаллов из группы 556РТ5 (47%) и группы М556РТ5 (35%) потребляет ток Inom « 130 мА. Следовательно, это значение тока Іпо„ в дальнейших экспериментах принимается за номинальное. Из рисунка также видно, что максимальное значение тока 1пот для группы 556РТ5 составляет- 150 мА, а для группы М556РТ5 - /й(,лг 140 мА.
2. На рис 3.5 представлен график зависимости тока 1„опмах кристаллов для группы 556РТ5 (кривая I) и группы М556РТ5 (кривая 2) от температуры окружающей среды. Из рисунка следует, что характер изменения кривых 1 и 2 для кристаллов с различными значениями максимального тока 1пот одинаковый и при увеличении температуры tc ток 1пот уменьшается. При этом для группы 556РТ5 ток Іпот в пределах погрешности измерений уменьшается от 150 мА, при температуре tc = 20 С 138 мА при температуре tc = 65 С, а для группы М556РТ5 при тех же условиях - от 140 мА до 129 мА.
3. На рис. 3.6. представлены кривые продолжительности выхода в стационарный тепловой режим тст при двух значениях температур tc = 20 С и tc - 65 С . Из рисунка видно, что продолжительность тст при температуре tc = 20
С для группы 556РТ5 с площадью Sk =180 мм составляет 40± 0,5 мин, а для группы М556РТ5, с площадью Sk =435 мм -45 ± 0,5 мин. С увеличением температуры окружающей среды до 65 С продолжительность tcm уменьшается и составляет соответственно 20±0,5 и 25 ±0,5 мин. -,.
4. В таблице 3.1. представлены результаты измерений температурных полей конструкции объекта (рис. 3.2.) с установленными двумя кристаллами 556РТ5 на таком расстоянии друг от друга, что взаимодействием их можно пренебречь. Все измерения проводились при температуре tc = 20С.
5. В таблице 3.2 приведены результаты измерений температурных полей конструкции (рис. 3.2.) с размещенными 8-ю кристаллами 556РТ5 на установочные места, предусмотренные трассировкой платы.
6. В таблице 3.3. представлены результаты аналогичных (п5.) измерений температурных полей для конструкции, приведенной на рис.3.3.
Прогнозирование вероятности безотказной работы кремниевых кристаллов по результатам кратковременных испытаний
Математическая модель отказов приборов и узлов, создаваемая с учетом взаимной независимости отказов ее элементов, практически справедлива при апостериорном анализе надежности устройств и при априорном расчете надежности систем на базе использования результатов апостериорного анализа надежности входящих элементов (аналогов), изготавливаемых в разное время даже на разных предприятиях [105]. Представление о некоррелированности физических параметров структуры элементов и их надежности приводит к концепции "слабейшего узла" в данном экземпляре устройства. Отказ целого наступает в результате отказа соответствующего элемента при неблагоприятном сочетании случайных значений эксплуатационных нагрузок и физических параметров «слабейшего узла» устройства [106,107]. Однако, при прогнозировании надежности продукции конкретных предприятий, а тем более отдельных экземпляров аппаратуры, при оценке перспектив усовершенствования проектирования и автоматизации технологии изготовления аппаратуры, такое упрощение математической.модели становится чаще всего неоправданным. Это справедливо в отношении прогнозирования безотказности кремниевых кристаллов, изготовление которых обусловлено высоким уровнем автоматизации технологического процесса. Практически устройства на кремниевых кристаллах состоят из сравнительно долговечных компонентов и элементов, эффектом старения которых за время эксплуатации и хранения можно пренебречь и безотказность работы ее можно представить выражением
Рассмотрим функцию (Яу) в двух предельных случаях: 1 - отказы идентичных компонентов типа j кристаллов независимы, а коэффициент корреляции близок к нулю; - отказы элементов типау, зависимы, коэффициент корреляции стремится к единице, при этом все параметры качества идентичных элементов в любом экземпляре кристаллов одинаковы.
В первом случае, используя правило для независимых событий, получаем: \ = KAj -І -(4.9) где Kj - число компонентов /-го типа в кристалле. Во втором случае вероятность безотказной работы всех идентичных элементов кристалла близка к вероятности безотказной работы элемента і-го типа [108], следовательно
Имеются два условия для реализации предельных случаев: 1. Компоненты кремниевых кристаллов изготавливаются в различное время при случайных отклонениях параметров технологического процесса и окружающей среды, поэтому параметры надежности аналогичных компонентов не коррелированны, а вероятность одновременного отказа нескольких компонентов близка к нулю, это соответствует условию ординарности потока случайных событий и независимости отказов компонентов [108].
Поскольку относительная вероятность отказа запоминающей матрицы X/ = 0,9140, то проведем оценку надежности кристаллов по степени интеграции информационного поля, т.е., по интенсивности отказов Я,-,д., как показателю надежности кристалла в целом. В табл.4.4 представлены прогнозируемые показатели надежности кремниевых кристаллов, Таблица 4. Тип микросхемы Информацион ная емкость, Кбит Организация информационно го поля памяти Как10-S-1 Кисю-бч- 556РТ4 1 256 х4р 0,28 0,43
Из таблицы следует, что интенсивность отказов кремниевых кристаллов с системой перемычек увеличивается пропорционально росту степени интеграции и для кристаллов с. информационной емкостью 64 Кбит среднее время наработки на отказ становится соизмеримым с временем безотказной работы микросхемы типа 556РТ4, которое по данным [108] составляет 50.000 ч. Поэтому учитывая тенденции развития элементной базы на кремниевых кристаллах и результаты прогнозирования вероятности безотказной работы кристаллов с элементами памяти по результатам кратковременного испытания с целью обеспечения повышения надежности необходимо:
1. Применение специальных методов повышения надежности запоминающей матрицы кремниевого кристалла;
2. Повышение надежности непосредственно нихгюмовой плавкой резистивной перемычки.
Рассмотрим первый путь повышения надежности устройства на примере структуры, приведенной на рис.4.1, включающей дополнительный накопитель контрольных разрядов и блок коррекции к обеспечивающей исправление одиночных ошибок к обнаружение двойных. Из рисунка следует, что для придания считанной информации корректирующих свойств, каждому байту ставится в соответствие четыре контрольных разряда, которые в совокупности с хранимой информацией образуют 12-ти разрядный код адреса, поступающий на накопитель декодера. Накопитель декодера выполнен на, тех же эелементах фиксации информации, что и основной накопитель перемычек, и хранимая в нем информация не зависит от содержимого основного накопителя, (информация зависит от вида корректирующего кода). Считанная информация представленной структуры устройства включает 9 разрядов, из них 8 -информационные разряды, а девятый - синдром двойной ошибки.
Похожие диссертации на Исследование влияния конструктивно-технологических параметров на надежность системы резистивных перемычек
