Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего образования

"Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова"

Кафедра вычислительной техники и информационных систем

Отчет

по научно-исследовательской деятельности и подготовке диссертации на соискание ученой степени кандидата наук

"Анализ влияния рентгеновского излучения на электронную компонентную базу"

Выполнила: аспирант Чубур К.А.

Руководитель: доктор технических наук,

профессор Зольников В.К.

Воронеж 2018

Задание

по выполнению научно-исследовательской деятельности, обучающемуся Чубуру К.А., аспиранту 1 курса

№ п/п	Раздел (этап) практики	Наименование задач, мероприятий, составляющих задание (заполняется руководителем)
1	Подготовка к работе	Собеседование с научным руководителем. Составление индивидуального плана научно-исследовательской деятельности в соответствии с темой научных исследований.
2	Научно-исследовательская деятельность	Выполнить анализ средств автоматизации проектирования электронной компонентной базы, включая криптографические микросхемы, их возможности по обеспечению безотказной работы при одиночных событиях для современных проектных норм
3	Работа по подготовке отчета	Консультации и обсуждение текущих результатов с научным руководителем
		Подготовка и оформление отчета в течение и по результатам научно-исследовательской деятельности
		Собеседование с научным руководителем по защите отчета.

Характеристика-отзыв

по результатам выполнения научно-исследовательской деятельности, обучающемуся Чубуру К.А., аспиранту 1 курса

Аспирант 1 курса ФГБОУ ВО "Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова" Чубур Кирилл Александрович, обучающийся по направлению подготовки 09.06.01 Информатика и вычислительная техника, направленность программы Системы автоматизации и проектирования (по отраслям), выполнял научные исследования в ФГБОУ ВО "Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова" на кафедре вычислительной техники и информационных систем.

Работа была организована в соответствии с разработанной университетом программой и индивидуальным заданием.

За время проведения научно-исследовательской деятельности Чубур К.А. показал необходимый уровень теоретических знаний, практических умений. Освоил компетенции, закрепленные учебным планом. Подтвердил готовность к самостоятельной научно-исследовательской деятельности. Чубур К.А. сформировал навыки исследователя, научился правильно составлять отчеты по итогам научных исследований.

Он провел анализ методов моделирования радиационного воздействия на конструкцию микроэлектронных устройств.

Задание Чубуром К.А. выполнено полностью.

Обучающийся Чубур К.А. заслуживает оценки зачтено.

Руководитель _______________ Зольников В.К.

Характеристика-отзыв

по результатам выполнения научно-исследовательской деятельности, обучающемуся Чубуру К.А., аспиранту 1 курса

Аспирант 1 курса ФГБОУ ВО "Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова" Чубур Кирилл Александрович, обучающийся по направлению подготовки 09.06.01 Информатика и вычислительная техника, направленность программы Системы автоматизации и проектирования (по отраслям), выполнял научные исследования в АО "НИИЭТ"

Работа была организована в соответствии с разработанной университетом программой и индивидуальным заданием.

Чубур К.А. проявили себя как способный и самостоятельный исследователь в области систем автоматизации и проектирования.

Аспирант провел анализ методов моделирования радиационного воздействия на конструкцию микроэлектронных устройств.

Руководитель от профильной организации

начальник лаборатории 362 ________________ Яньков А.И.

МП

Содержание

• Введение
• 1. Особенности воздействия рентгеновского излучения с большой степенью поглощения на конструкцию микроэлектронного устройства
• 2. Анализ моделей расчета тепловых и термомеханических эффектов
• Вывод
• Список использованных источников

Введение

Научно-исследовательская работа, является обязательной и направлена на формирование общекультурных, профессиональных компетенций в соответствии с требованиями Федеральных государственных образовательных стандартов (ФГОС) высшего образования и основных образовательных программ вуза.

Основные задачи научно-исследовательской работы:

- систематизировать и углубить теоретические знания, необходимые для качественной и эффективной реализации профессиональной деятельности;

- выявить применение компетенций в научно-исследовательской работе;

- провести экспериментальное исследование;

- обосновать теоретические выводы, полученные в результате исследования.

1. Особенности воздействия рентгеновского излучения с большой степенью поглощения на конструкцию микроэлектронного устройства

Воздействие рентгеновского излучения с большой степенью поглощения на изделия микроэлектроники приводит к различным эффектам [1-9]. Анализ результатов испытаний значительного числа изделий показывает, что основными поражающими факторами рентгеновского излучения с большой степенью поглощения являются:

­ тепловой разогрев,

­ термомеханический удар,

­ возникновение ионизационных токов.

Они зависят от направления потока, конструкции изделия, спектрального распределения и т.п.

Рассмотрим механизм воздействия рентгеновского излучения на МУ и возникающие при этом эффекты.

Рентгеновское излучение, проникая в МУ, частично поглощается. Поглощенная энергия излучения передается электронам, так как они обладают меньшей массой и связанностью по сравнению с ионами решетки. Таким образом, повышается внутренняя энергия тела. Затем происходит передача от электронной подсистемы ионной подсистеме с помощью фотонного взаимодействия. Другими словами происходит изменение термодинамических характеристик. Вследствие малого времени воздействия рентгеновского излучения с большой степенью поглощения на МУ этот процесс происходит при постоянном объеме, т.е. увеличивается температура и уменьшается давление (возникает давление сжатия).

Поглощение энергии является первичным процессом, дающим начало физическим преобразованиям в облучаемом изделии, которые приводят к наблюдаемым радиационным эффектам. Поэтому представляется естественным сопоставить наблюдаемый радиационный эффект с количеством поглощенной энергии.

Рентгеновское излучение с большой степенью поглощения, взаимодействуя с веществом, передает ему свою энергию малыми, но конечными порциями. Переданная энергия реализуется в процессах ионизации, возбуждения, упругих столкновений. Статистическая природа излучения, вероятностный характер взаимодействия излучения с веществом приводят к тому, что переданная некоторому объему вещества энергия излучения рассматривается как величина стохастическая. Это означает, что в одном и том же поле излучения в пределах одного и того же объема вещества за одинаковые интервалы времени наблюдения переданная энергия выступает как случайная величина, характеризующаяся распределением вероятности и средним значением. Говоря о переданной энергии, мы имеем в виду энергию, которая передается в первичных актах взаимодействия излучения с веществом рассматриваемого объема.

Не вся переданная энергия обязательно расходуется в пределах данного объема. Только та энергия, которая остается в рассматриваемом объеме, составляет поглощенную энергию. Как и переданная энергия, поглощенная энергия есть величина стохастическая.

При достаточно большом числе актов взаимодействия излучения с веществом отклонения поглощенной энергии от среднего значения могут быть столь малыми, что правомерно ими пренебречь и оперировать средним значением как нестохастической величиной.

Поток квантов рентгеновского излучения, попадая на МУ, частично поглощается. Поглощенная энергия непосредственно после воздействия идет на разогрев конструктивных элементов изделия. Возникают так называемые тепловые эффекты. В результате резкого разогрева температура отдельных элементов может достигнуть точки плавления, что приведет к катастрофическому отказу изделия.

Поскольку МУ имеет многослойную структуру, состоящую из различных материалов с различными теплофизическими характеристиками, то при воздействии импульса излучения элементы конструкции нагреваются неодинаково. Наибольший разогрев наблюдается в металлах, наименьшему подвергаются кристалл и керамика. После резкого изменения температуры конструктивных элементов в начальный момент времени, вследствие различия температур слоев, а также в результате теплообмена с окружающей средой, происходит процесс перераспределения температуры. В результате кристалл может нагреться до критической точки, что влечет за собой потерю работоспособности изделия.

Таким образом, тепловые эффекты можно разделить на два процесса:

- мгновенный разогрев конструкции непосредственно после импульса излучения;

- перераспределение и выравнивание температур конструктивных элементов в течение некоторого времени.

Воздействие рентгеновского излучения на материалы и конструкцию МУ не ограничивается тепловыми эффектами. Поскольку выделение энергии происходит за очень малые промежутки времени, в соответствии с временной формой импульса, оно приводит не только к увеличению температуры, но и вызывает напряжения сжатия, обусловленные выделением в твердом теле энергии за время меньшее, чем необходимо для расширения и разгрузки. рентгеновский излучение полупроводник микроэлектронный

Как известно, возникновение напряжения в какой-либо точке твердого тела приводит к генерации волн напряжения, которые исходят из данной точки, и этот процесс называется разгрузкой. Поэтому и данное механическое напряжение будет разряжаться в виде упругих волн в направлении поверхностей структуры. Затем, спустя некоторое время, происходит расширение материалов и, как следствие этого, возникает напряжение на краях многослойной структуры.

Следующим процессом, который имеет место в многослойной структуре, будет генерация волн растяжения, исходящих из слоев, где возникают большие напряжения. То есть, если описать разгрузку в виде двух волн, направленных к каждой из поверхностей слоя, максимальная амплитуда каждой из волн равна . Распространяемые волны сжатия проходят через всю структуру и отражаются от ее свободных границ, как волны расширения, которые наиболее опасны. Волны расширения, распространяющиеся в структуре от разных свободных границ, интерферируют, что ведет к сложению амплитуд волн и резкому увеличению растягивающих напряжений.

После рассмотренных выше процессов вследствие неравномерного нагрева структурных слоев изделия начинается процесс перераспределения температуры между конструктивными элементами и ее выравнивания в течение некоторого времени. По мере расширения материалов вследствие их разогрева напряжения увеличиваются. Затем, в процессе перераспределения тепла температуры конструктивных элементов выравниваются и уменьшаются, что влечет за собой уменьшение напряжений. В результате происходит расширение конструктивных элементов и из-за разности температур и коэффициентов линейного расширения может реализоваться ситуация для изделий, имеющих большие габаритные размеры, приводящая к разрушению или отколу слоев.

Таким образом, термомеханические эффекты можно разделить на три процесса:

­ напряжение сжатия, возникающее в первый момент непосредственно после импульса излучения;

­ интерференция упругих волн напряжений, генерируемых напряжением сжатия;

­ напряжение, возникающее вследствие расширения материалов, имеющих различные коэффициенты расширения.

2. Анализ моделей расчета тепловых и термомеханических эффектов

Задача расчета стойкости МУ к тепловым и термомеханическим эффектам является классической в том смысле, что сводится к задачам расчета теплового поля в многослойной структуре и расчета температурных напряжений. Подобные проблемы возникают в различном контексте и рассматривались в многочисленных работах [1-9].

Задачи нагрева полупроводниковых структур при воздействии излучения рассмотрены в [2, 3]. В частности, в [3] автор рассматривает влияние импульсного светового воздействия на физические свойства приповерхностных слоев полупроводников. Описывается процесс нагрева пластины твердого тела в результате облучения ее некогерентным излучением. В той же работе рассматривается кинетика локального плавления кремния при импульсном облучении. Процесс разделяется на три этапа:

- нагрев кристалла до температуры плавления;

- зарождение и рост областей расплава в условиях перегрева кристалла;

- рост расплавленных областей при охлаждении нагретого кристалла до температуры кристаллизации.

Приводятся уравнения, описывающие нагрев кристалла до температуры плавления:

(1.1)

с граничным условием

, (1.2)

где - коэффициент температуропроводности,

- эффективная объемная плотность источников, обусловливающих нагрев кристалла,

- коэффициент теплоотдачи при .

Интересными представляются результаты, полученные в [2]. Авторы рассматривают воздействие квантовых излучений на полупроводники и процесс генерации мгновенных температурных полей. Распределение температуры по координате и во времени в полупроводнике, вызываемое действием импульса ионизирующего излучения, находится в результате решения задачи, включающей уравнение теплопроводности

(1.3)

и нулевые граничное и начальное условия

, , (1.4)

где - температура в точке в момент времени ,

- нормированная координата,

- диффузионная длина неравновесных носителей, генерируемых излучением,

- нормированное относительно времени жизни неравновесных носителей время,

- нормированный коэффициент поглощения.

Интенсивность воздействующих излучений отображается максимальной температурой

,

где - удельная тепловая мощность излучения, - теплоемкость полупроводника, - объемная плотность.

Авторами получено решение данной задачи в виде

. (1.5)

Однако авторы этих моделей рассматривают процессы генерации температурных полей в течение времени, соизмеримого с процессами перераспределения тепла и их результаты не могут быть использованы для решения задач данной работы.

Безусловно, являются достойными внимания результаты, полученные авторами в [3]. Предложена модель и программа численного расчета механических напряжений в композитной упругой среде, соответствующей многослойной, многокомпонентной структуре ИС, вызванных термическим расширением ее компонентов и наличием поля температур. Авторами предпринята попытка анализа механических напряжений в структурах ИС с учетом совокупности условий процессов ее формирования, позволяющая находить поля остаточных и температурных напряжений на любой промежуточной или конечной стадии изготовления ИС.

Расчет производится для двумерной области, представляющей собой сечение ИС. Распределение напряжений описывается системой уравнений теории упругости, состоящей из уравнений равновесия

, , (1.6)

уравнения совместности деформаций

(1.7)

условий на поверхности

, (1.8)

, (1.9)

и соотношений закона Дюамеля-Неймана

, , (1.10)

, , (1.11)

где

- модуль сдвига,

,

- зависящий от температуры температурный коэффициент расширения.

С помощью функции напряжений задача сводится к уравнению 4-го порядка с переменными коэффициентами

, (1.12)

где

- оператор Лапласа,

и решается вариационно-разностным методом на неравномерной сетке.

Использование авторами сеточного решения является положительным моментом данной работы, поскольку позволяет определять распределение напряжений по всей структуре, а не оперировать средними значениями, и в дальнейшей работе такой подход будет использован. Однако расчет производится для двумерного сечения корпуса ИС и, вследствие этого, результаты моделирования могут не в полной мере отражать реальную картину процесса.

Задача моделирования термомеханических напряжений в полупроводниках решалась в [4, 5, 6]. В работе [4] рассматривается нагрев полупроводниковой пластины мощными тепловыми потоками в процессе быстрой термической обработки. В качестве модели была взята круглая пластина из однородного изотропного материала, находящаяся в состоянии неравномерного осесимметричного стационарного нагрева. Под действием термических напряжений пластина испытывает линейные деформации растяжения-сжатия, которые описываются уравнениями

, (1.13)

, (1.14)

. (1.15)

Задача решена аналитически и получены выражения для радиального и тангенциального напряжений.

В работе [7] проводится численное исследование термических напряжений в кристаллах, выращиваемых из расплава. Рассматривается кристалл цилиндрической формы. Для определения термоупругих напряжений решается система уравнений равновесия в перемещениях

, (1.16)

, (1.17)

дополненная граничными условиями.

Здесь

, , ,

- коэффициент термического расширения,

- коэффициент Пуассона,

- перемещения.

После решения поставленной задачи находятся напряжения.

Помимо приведенных, существует множество работ, тем или иным образом касающихся изучаемых вопросов [5-9]. Авторы использовали классическую модель, которая представляет ИС в виде совокупности слоев. Для каждого слоя рассчитывается поглощение энергии и, в зависимости от дозы, увеличение температуры слоя и упругие напряжения сжатия и растяжения для каждого слоя, а также напряжения между слоями.

В ходе исследования решались две независимые задачи: расчета тепловых и термомеханических эффектов.

Данная работа предполагала интеграцию предложенных моделей в САПР МУ. Расчет производился как в рамках одного модуля, так и в структуре САПР.

Тепловые эффекты впервые были разделены на две фазы:

1) мгновенный разогрев, вызванный поглощением лучистой энергии излучения;

2) перераспределение тепла между слоями.

Для решения задачи перераспределения тепла использовалась модель, в которой многослойная структура, состоящая из , сводится к одному слою со сложными начальными и граничными условиями. Для этого пересчитываются коэффициенты теплопроводности и толщины слоев относительно коэффициента теплопроводности и толщины кристалла кремния. Задача решается аналитически и температура в каждой точке структуры в любой момент времени определяется как сумма

, (1.18)

где - температура -го слоя, - число слоев.

Несмотря на то, что задача решена аналитически, недостатком такой модели, по нашему мнению, является то, что она сведена к линейной и расчет производится по одной координате. Вследствие этого получаемое распределение температуры по слою зависит только от глубины слоя и не изменяется по длине и ширине материала.

Термомеханические эффекты рассматривались с учетом распределения температур и габаритных размеров изделия и разделялись на три фазы:

1) возникновение напряжений сжатия в каждом конструктивном элементе изделия, возникающие вследствие резкого выделения энергии;

2) генерация упругих волн областями, в которых напряжения сжатия достигают максимальной величины, с последующей интерференцией;

3) возникновение напряжений в конструктивных элементах изделия и между ними вследствие теплового расширения.

Задача расчета температурных напряжений, возникающих в конструкции вследствие теплового расширения, решается однократно в момент времени, когда напряжения достигают своего максимального значения. Время, необходимое для расширения одного слоя, приближенно оценивается по формуле , где - толщина слоя, - скорость звука. В этот момент времени наблюдается наибольшее расширение слоя и величины напряжений расширения рассчитываются для температурного поля, соответствующего данному моменту времени. Для совокупности слоев максимальное напряжение определяется для момента времени, соответствующего максимальному из времен расширения этих слоев.

Данный подход, однако, не учитывает динамический характер напряжений и может привести к неточным результатам, поскольку в момент расчета напряжения в других слоях, время расширения которых не превышает указанного времени, могут достигнуть критических значений, что приведет к их разрушению. Кроме того, сеточный метод применялся только для расчета термомеханических напряжений, а в качестве значений температуры использовались усредненные значения по слою. Поскольку тепловые и термомеханические эффекты проявляются в непосредственной связи друг с другом, то целесообразно производить расчет температуры и напряжений в узлах введенной сетки, что позволит учесть их взаимное влияние.

Указанные недостатки приводят к необходимости продолжения исследований в данном направлении и построения единой динамической модели описанных эффектов. Представленная работа является естественным развитием данной работы. Описанные модели предлагается дополнить и изменить следующим образом.

По тепловым эффектам:

При расчете распределения температур использовать трехмерную модель конструкции, позволяющую получить распределение температуры, изменяющееся не только по толщине слоев, но и по другим габаритам.

По термомеханическим эффектам:

В рамках системного подхода к рассматриваемой проблеме объединить задачи расчета тепловых и термомеханических эффектов в единую задачу и построить модель, позволяющую проследить динамику роста температурных напряжений. Для этого предлагается в качестве геометрической модели использовать трехмерную модель конструкции, а расчет напряжений производить не однократно, а в каждый момент времени в соответствии с шагом квантования. При этом в качестве начального распределения температуры предлагается использовать распределение, полученное на этапе решения задачи теплопроводности в указанный момент времени.

Вывод

Анализ существующих моделей расчета тепловых и термомеханических эффектов показал, что при большом их количестве в настоящее время не существует единой модели, описывающей указанные эффекты, и в комплексе проблема до сих пор не решена. Рассмотрев различные подходы к решению поставленной задачи и проанализировав достоинства и недостатки работ, касающихся изучаемого вопроса, можно сделать вывод, что в условиях нового уточненного КГС оценки качества изделий электронной техники необходимо дальнейшее развитие имеющихся моделей.

Цель данной работы заключается в создании подсистемы моделирования тепловых и термомеханических эффектов в конструкции изделий микроэлектроники при воздействии радиации и интеграции ее в САПР сквозного проектирования.

Список использованных источников

1. Таперо, К.И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения / К.И. Таперо, В.Н. Улимов, А.М. Членов. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. - 304 с.

2. Таперо, К.И. Основы радиационной стойкости изделий электронной техники: радиационные эффекты в изделиях электронной техники: учеб. пособие / К.И. Таперо, С.И. Диденко. - М.: Изд. Дом МИСиС, 2013. - 349 с.

3. Ионизирующие излучения космического пространства и их воздействие на бортовую аппаратуру космических аппаратов / И.И. Алексеев [и др.]. - Электрон. дан. - Москва: Физматлит, 2013. - 256 с.

4. Чумаков, А.И. Действие космической радиации на интегральные схемы / А.И. Чумаков. - М.: Радио и связь, 2004. - 46 с.

5. Colinge, J.P. Hardening Integrated Circuits against Radiation Effects / J. P. Cjlinge // RADECS-97 Short Course. 1997.

6. Weatherford, T. From Carriers to Contacts, a Review of SEE Charge Collection Processes in Devices // IEEE NSREC Short Course Notes. - 2002, pp. IV-1 - IV-53.

7. Test Procedures for the Measurement of Single-Event Effects in Semiconductor Devices from Heavy Ion Irradiation, Electronic Industries Association, Engineering Department, Standard EIA/JESD57, December 1996.

8. Антимиров, В.М. Создание промышленной инфраструктуры разработки, производства и испытания вычислительных комплексов для систем управления двойного назначения / В.М. Антимиров, П.Р. Машевич, В.Н. Ачкасов // Авиакосмическое приборостроение. - 2005. - №8. - С. 9-11.

9. Ачкасов, В.Н. Состояние разработок элементной базы ФГУП "НИИЭТ" / В.Н. Ачкасов // Системные проблемы надёжности, качества, информационных и электронных технологий: материалы X Международной конференции / М: Издательство "Радио и связь". - 2006. - Ч. 2. - С.35.

10. Фортинский, Ю.К. Разработка и применение информационных технологий в электронной промышленности: монография / И.Я. Львович, Ю.К. Фортинский, В.К. Зольников. - Воронеж: Воронеж. гос. ун-т, 2009. - 282 с.

11. Зольников, В.К. Методика проектирования радиационно-стойких интегральных схем / В.К. Зольников, В.Н. Ачкасов, В.П. Крюков // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. - 2004. - Вып. 1-2. - С. 57-60.

12. Ачкасов, В.Н. Методика проектирования радиационно-стойких ИС / В.Н. Ачкасов, В.К. Зольников // Радиационная стойкость электронных систем: Науч.-техн. сб. - М.: СПЭЛС-НИИП, 2003. - С.38-39.

13. Ачкасов, В.Н. Конструктивно-технологический базис для создания радиационно-стойких ИС / В.Н. Ачкасов, А.Н. Зольникова // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. - 2002. - Вып. 4. - С.92-95.

14. Киносита, К. Логическое проектирование СБИС / К. Киносита, К. Асада, О. Карасу. - М. : Мир. - 2003. - 309 с.

15. Исследование и разработка алгоритмов и экспериментальных программ для специализированного процессора моделирования [Текст] / Научно - технический отчет по НИР ТРОПИК // ФГУП "НИИЭТ" - 2007. - У 42917.

16. Межов, В.Е. Средства математического моделирования базовых КМОП БИС двойного назначения / В.Е. Межов, В. К.Зольников, В.П. Крюков // Вестник. Научно-технический журнал центрального черноземного регионального отделения наук о лесе. - Воронеж: ВГЛТА, 2002. - С. 60-64

17. Потапов, И.П. Архитектура и структура информационной среды проектирования радиационно-стойкой элементной базы / И.П. Потапов // Промышленная информатика ВГТУ. - 2005. - С. 45-46.

18. Ачкасов, В.Н. Алгоритм определения стойкости микроэлектронных компонентов к специальным факторам в САПР ИЭТ / В.Н. Ачкасов // Системы автоматизации проектирования. - 2006. - № 3. - С. 96-98.

Размещено на Allbest.ru

...