Прогнозирование безотказности современных интегральных микросхем по конструктивно-технологическим параметрам

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ведение

Темой дипломного проекта является прогнозирование безотказности современных интегральных микросхем по конструктивно-технологическим параметрам. Для этой цели была разработана методика на основе зарубежного стандарта для оценки интенсивности отказов интегральных микросхем «RADC-TR-89-177», которая позволяет проводить оценку достаточно быстро и не требует глубоких технических знаний. Методика была апробирована и проведено сравнение результатов полученных оценок на примере пяти интегральных микросхем различных международных производителей с другими методиками (из справочников «Надежность ЭРИ ИП» редакции 2006г., «MIL-HDBK-217F» и «RIAC-HDBK-217Plus»).

Практические все современные многофункциональные радиоэлектронные средства (РЭС) построены на основе интегральных микросхем (ИС), которые выполняют не только управляющую роль, т.е. в них запрограммированы алгоритмы работы со служебными данными, но и отвечают за хранение и преобразование данных.

От безотказности таких функциональных единиц РЭС напрямую зависит работоспособность всего РЭС, а также сохранность и правильность служебной информации, потеря которой может быть критическим критерием эксплуатации РЭС.

На сегодняшний день существует несколько методик для оценки безотказности интегральных микросхем. Однако чтобы оценить безотказность по уже известным методикам необходимо идентифицировать большое количество технических параметров ИМС, которые не всегда легко найти. В настоящее время происходит снижение сроков на разработку и производство РЭС и, как следствие, снижение времени проведения предварительных испытаний. Часто даже нет возможности повторно провести испытание РЭС после обнаружения и устранения дефекта или ошибки проектирования. Это предъявляет высокие требования по скорости и точности проведения оценки безотказности на этапе проектирования

По ГОСТ 27.002-89, безотказность является свойством объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки. Основным показателем безотказности для сравнения была выбрана интенсивность отказов, которая не зависит от длины интервала времени эксплуатации РЭС и от этого показателя можно без труда перейти к вероятности безотказной работы и наработке. Интенсивность отказов является условной плотностью вероятности возникновения отказа объекта, при условии отсутствия до рассматриваемого момента времени отказа.

В дипломном проекте рассмотрена малоизвестная в нашей стране зарубежная методика прогнозирования безотказности «RADC-TR-89-177». На её основе создан алгоритм и написана программа для расчета эксплуатационной интенсивности отказов интегральных микросхем. Помимо этого изучены стандартизированные методики, которые указаны в техническом задании, и проведен сравнительный анализ результатов, полученных по всем этим методикам.

Прогнозирование безотказности проведено на примере пяти интегральных микросхем крупнейших международных производителей электронной компонентной базы: Texas Instruments, Xilinx, Microchip, Atmel, Microsemi (Actel).

Прогнозирование безотказности проводится на примере пяти интегральных микросхем крупнейших международных производителей электронной компонентной базы: Texas Instruments, Xilinx, Microchip, Atmel, Microsemi (Actel).



1. Анализ рынка современных ИС

безотказность интегральный микросхема надежность

1.1 Интегральные микросхемы (ИС)

В настоящее время современная цифровая электроника базируется на достижениях микроэлектроники, которая характеризуется органическим единством физических, конструкторско-технических и схемотехнических аспектов. Микроэлектроника охватывает вопросы конструирования, исследования и принципов применения интегральных микросхем.

Интегральная микросхема представляет собой совокупность электрически связанных компонентов (резисторов, конденсаторов, диодов, транзисторов и др.), изготовленных в едином технологическом цикле на единой полупроводниковой основе (подложке).

Интегральная микросхема выполняет определенные функции обработки (преобразования) информации, заданной в виде электрических сигналов: напряжений или токов. Электрические сигналы могут представлять информацию в непрерывной (аналоговой), дискретной и цифровой форме.

Аналоговые и дискретные сигналы обрабатываются аналоговыми или линейными микросхемами, цифровые сигналы - цифровыми микросхемами. Существует целый класс устройств и соответственно микросхем служащих для преобразования сигналов из одной формы в другую и называемых аналого-цифровыми или цифро-аналоговыми.

1.2 Классификация ИС

Интегральные микросхемы классифицируются по трём основным параметрам: степени интеграции, технологии изготовления и по типу функционального назначения.



1.2.1 Степень интеграции

Сложность интегральной микросхемы определяется степенью интеграции.

Мерой степени интеграция является плотность элементов, которая определяется числом элементов на кристалле или на единице площади. Она определяется также площадью, необходимой для функционирования элемента, и отношением действительно используемой площади на кристалле к его общей площади, так как для реализации схемных элементов требуется большая площадь, чем та, которая необходима для его функционирования (например, изолирующие зоны между отдельными элементами).

Компоненты, входящие в состав ИС, не могут быть выделены из нее в качестве самостоятельных изделий, кроме того, они характеризуются некоторыми особенностями по сравнению с дискретными транзисторами, диодами и т. д.

Особенностью цифровых ИС является высокая сложность выполняемых ими функций, поэтому количество компонентов в одной микросхеме может исчисляться сотнями тысяч и даже миллионами.

Функциональную сложность ИС обычно характеризуют степенью компонентной интеграции, т. е. количеством элементов на кристалле. В зависимости от количества элементов на кристалле интегральные схемы подразделяются:

· Малая ИС (МИС или IS) - до 100 элементов на кристалле;

· ИС средней степени интеграции (СИС или MSI) - в ней используется до 1000 элементов на одном кристалле;

· Большая интегральная схема (БИС или LSI) - в ней применяется до 10000 элементов на кристалле;

· Сверхбольшая интегральная схема (СБИС или VLSI) - использовано 10000 и более элементов на одном кристалле.

Сокращения приведенные на английском языке имеют следующий смысл: IS - Integrated Circuit; MSI - Medium Scale Integration; LSI - Large Scale Integration; VLSI - Very Large Scale Integration.

Ранее еще использовались такие названия как ультрабольшая интегральная схема (УБИС), в которой насчитывается примерно до 1 миллиарда элементов, и гигабольшая ИМС - в ней более 1 миллиарда элементов. Сейчас данные названия почти не используются, и все микросхемы у которых количество элементов больше 10 тысяч относят к классу СБИС.

Рис. График изменения количества элементов на кристалле со временем

Иногда сложность ИС характеризуют таким показателем, как плотность упаковки. Это количество компонентов, приходящихся на единицу площади кристалла. Этот показатель характеризует уровень технологии, и в настоящее время он составляет более 104 компонентов/мм2.

1.2.2 Технологии изготовления

Типы логики.

Как известно, основным элементом любой интегральной микросхемы являются полевые или биполярные транзисторы. Тип изготовления транзисторов, на которых построена ИМС, очень сильно влияет на характеристику микросхемы. Тип изготовления микросхемы обычно всегда указывают в техническом описании устройства (Data Sheet).

Самыми распространёнными логиками микросхем являются КМОП (CMOS) и ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика). КМОП технологию применяют в микросхемах, где важно экономить потребление тока. Для микросхем, где нужна скорость работы и не важна экономия потребляемой мощности обычно применяют ТТЛ логику.

Самым существенным недостатком микросхем, которые построены по КМОП технологии, является сильная уязвимость к электростатическому разряду. Для того чтобы вывести микросхему из строя достаточно всего лишь рукой коснуться её вывода.

Технологический процесс

Качественными характеристиками технологического процесса производства микросхем являются минимальные контролируемые размеры топологии фото повторителя (контактные окна в оксиде кремния, ширина затворов в транзисторах и т. д.) и, как следствие этого, размеры транзисторов (а также других элементов) на кристалле. Данный параметр, однако, тесно взаимозависим с рядом следующих производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами фотолитографии, вытравливания и напыления.

В 70-х годах прошлого века минимальный контролируемый размер составлял 2-8 мкм, в 1980-х он был уменьшен до 0,5-2 мкм. Некоторые отдельные экспериментальные образцы фотолитографического оборудования рентгеновского диапазона обеспечивали минимальный размер 0,18 мкм.

В 1990-х годах, со стремительным развитием конкурирующих платформ центральных процессоров ПЭВМ внедрение новых технологий значительно ускорилось: вначале 1990-х процессоры (например, ранние Pentium и Pentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм (500--600 нм), затем технология позволила перейти к 250--350 нм. Следующее поколение процессоров (Pentium II, K6-2+, Athlon) уже изготавливалось по технологии 180 нм. В конце 1990-х фирма Texas Instruments создала и внедрила ультрафиолетовую технологию с минимальным контролируемым размером порядка 80 нм.

Следующие поколение процессоров изготавливалось по УФ-технологии 45 нм (начиная с Core 2 Duo). Другие типы микросхем достигли и превзошли этот уровень (в частности, видеопроцессоры и флеш-память фирмы Samsung -- 40 нм). В 2010 году в розничной продаже появились процессоры, разработанные по 32-нм техпроцессу. В апреле 2012 года в продажу поступили процессоры, разработанные по 22-нм тех. процессу (ими стали процессоры фирмы Intel, выполненные по архитектуре Ivy Bridge). Процессоры с технологией 14 нм планируется к внедрению в 2014 году, а 10 нм -- около 2018 года.[2]

1.2.3 Типы функционального назначения

На рис. 1.2. продемонстрирована схема, на которой показано, как различаются интегральные схемы по типу функционального назначения. В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. В зависимости от функционального назначения интегральные микросхемы делятся на две большие группы: аналоговые и цифровые.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. Функциональное назначение интегральных схем

Аналоговые интегральные микросхемы (АИМС) предназначены для преобразования и обработки сигналов, непрерывно изменяющихся по уровню и во времени.

Они широко применяются в аппаратуре звуковоспроизведения и звукоусиления, радиоприемниках и телевизорах, видеомагнитофонах, в аналоговых вычислительных машинах, и измерительных приборах, технике связи и т. д. АИМС позволяет создавать сложный завершенный функциональный узел в совокупности с ограниченным количеством внешних радиоэлементов. Функциональный узел - это группа радиоэлементов, объединенных конструктивно и технологически в модуль. Эта группа предназначена для создания какой-либо законченной части радиоэлектронной аппаратуры, например, усилителя, фильтра, источника питания и т. п. (стабилизаторы источников питания, операционные усилители, фильтры, преобразователи сигналов).

Цифровые ИМС, служат для преобразования и обработки сигналов, выраженных в двоичном или другом цифровом коде. Широко применяются для разработки логических элементов, триггеров, регистров, счетчиков, дешифраторов, микроконтроллеров.

Аналоговые микросхемы характеризуются тем, что входная и выходная электрические величины могут иметь любые значения в заданном диапазоне. В цифровых же микросхемах входные и выходные сигналы могут иметь либо высокий, либо низкий уровень напряжения. В первом случае мы имеем дело с высоким логическим уровнем, а во втором - с низким логическим уровнем.

Цифровые микросхемы предназначены для выполнения заданных логических операций над входными сигналами. Например, при наличии хотя бы на одном входе цифровой микросхемы высокого уровня напряжения вызывает появления высокого уровня напряжения на ее выходе. Такая микросхема реализует выполнение логической операции ИЛИ (логическое сложение). Если же логический сигнал на выходе микросхемы формируется как произведение логических сигналов на входах микросхемы, то такая операция называется логическим умножением. В цифровых микросхемах можно задать множество различных правил обработки сигналов.

Работа цифровых микросхем основывается на двоичной системе счисления. В данной системе применяются две цифры: ноль (0) и единица (1). Цифра 0 обозначает отсутствие напряжения на выходе (входе) логического устройства, 1 соответствует наличию напряжения.

Следует отметить, что аналоговые и цифровые микросхемы выпускаются так называемыми сериями. Серия -- это группа микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназначенных для совместного применения. Микросхемы одной серии, как правило, имеют одинаковые напряжения питания, они согласованы по входным и выходным сопротивлениям, уровням сигналов.

Цифровые интегральные микросхемы имеют ряд преимуществ по сравнению с аналоговыми:

· Уменьшенное энергопотребление, которое связано с применением в цифровой электронике импульсных электрических сигналов. При получении и преобразовании таких сигналов активные элементы электронных устройств (транзисторов) работают в «ключевом» режиме, то есть транзистор либо «открыт» -- что соответствует сигналу высокого уровня (1), либо «закрыт» -- (0). В первом случае на транзисторе нет падения напряжения, во втором -- через него не идёт ток. В обоих случаях энергопотребление близко к 0, в отличие от аналоговых устройств, в которых большую часть времени транзисторы находятся в промежуточном (резистивном) состоянии.

· Высокая помехоустойчивость цифровых устройств, связана с большим отличием сигналов высокого (например, 2,5-5 В) и низкого (0-0,5 В) уровня. Ошибка возможна при таких помехах, когда высокий уровень воспринимается как низкий и наоборот. Такая ситуация при указанной разности напряжений маловероятна. Кроме того, в цифровых устройствах возможно применение специальных кодов, позволяющих исправлять ошибки.

· Большое отличие сигналов высокого и низкого уровня и достаточно широкий интервал их допустимых изменений делает цифровую технику нечувствительной к неизбежному в интегральной технологии разбросу параметров элементов. Данное свойство в значительной степени избавляет от необходимости подбора и настройки цифровых устройств.

1.3 Выбор интегральных микросхем для расчета

Исходя из разновидностей интегральных схем, мной были выбраны 5 микросхем международных производителей электронной компонентной базы, таких как Texas Instruments, Xilinx, Microchip, Actel, Atmel. Каждая из них отличается по типу и по характеристикам.

1.3.1 Операционный усилитель Texas Instruments OPA2333-HT.

Операционные усилители компании Texas Instruments обеспечивают самый низкий в отрасли уровень искажений, поддерживая работу быстродействующих 16-разрядных АЦП.

Операционный усилитель Texas Instruments OPA2333-HT повышает до максимума производительность по всей цепи обработки сигнала для приложений беспроводной широкополосной связи и сбора данных с высокой скоростью.

OPA2333-HT - маломощный операционный усилитель серии Zero-Drift. Его главные достоинства - низкое напряжение смещения и очень низкий температурный дрейф напряжения смещения. Такие характеристики достигаются благодаря использованию встроенной автоматической коррекции напряжения смещения, что позволяет уменьшить как само напряжение смещения, так и его температурный и временной дрейф, а также приводит к подавлению шума усилителя.

1.3.2 ПЛИС на основе Flash технологии Microsemi ProASIC 3 (A3P060)

Семейство ProASIC3 характеризуются низкой стоимостью и низким энергопотреблением. Данное семейство программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС или, по-английски, FPGA), включает серии ProASIC3/E, ProASIC3 NANO, и ProASIC3L. Предлагает прорыв по производительности, цене, количеству вентилей и предназначено для наиболее требовательных большому объему памяти современных приложений.

Устройства ProASIC3 поддерживают «софт» ядро IP процессора ARM®™ Cortex -M1. Семейства ProASIC3 основаны на энергонезависимой Flash технологии и поддерживают от 10 000 до 3 000 000 логических вентилей и до 620 портов ввода/вывода.

Они могут быть использованы в портативных, промышленных, коммуникационных и медицинских приложениях.

Особенности ПЛИС семейства ProASIC3:

· Низкое потребление

· Низкая себестоимость единицы продукции

· Низкая общая стоимость системы

· Работа ядра при напряжении 1.2 V или 1.5 V

· Оптимизированы по стоимости, перепрограммируемые, и энергонезависимые

· Поддержка 128-битового декодирования AES для конфигурации устройства

· Работает сразу после включения

· Наличие ОЗУ памяти

· 1024 бит Flash -памяти

· Улучшенная структура ввода/вывода

· Поддержка процессора ARM® ™ Cortex -M1

· Иммунитет к конфигурационным потерям из-за атмосферных нейтронов

· Доступны для различных температурных диапазонов

· Сертифицированы ISO/TS 16949:2002

1.3.3 32-разрядный микроконтроллер Atmel AT32UC3A0512

Новейший микроконтроллер AT32UC3A0512 работает на таковой частоте 66 МГц и обеспечивает производительность 80 миллионов операций в секунду по методике Dhrystone (DMIPS) и потребляет при этом всего лишь 40 мА (питание 3.3В). Уровень потребления 1.65 мВт/DMIPS превосходит ближайшие аналоги с сопоставимыми функциональными возможностями в 4 раза. Новые микроконтроллеры ориентированы на применение в коммуникационном оборудовании и встраиваемых системах. Он также идеально подходит для применения в портативных устройствах.

T32UC3A0512 - завершенная микроконтроллерная система на кристалле (SoC), выполненная на основе RISC-процессора AVR32 UC с тактовой рабочей частотой до 66 МГц. AVR32 UC - высокоэффективное, 32-разрядное, микропроцессорное RISC-ядро, разработанное для чувствительных к стоимости встраиваемых применений, где ключевую роль играют малая потребляемая мощность, высокая плотность кода и высокая производительность.

Процессор содержит блок зашиты памяти, а также быстродействующий и гибкий контроллер прерываний, что обеспечивает совместимость с современными операционными системами и операционными системами реального времени. Вычислительные возможности усилены за счет поддержки многих инструкций цифровой обработки сигналов.

AT32UC3A0512 содержит флэш-память и статическое ОЗУ для защищенного и быстрого доступа. Если в приложении требуется дополнительная память, то необходимо использовать исполнения AT32UC3A0512 с интерфейсом внешней шины.

Контроллер прямого доступа к памяти периферийных устройств PDCA, который отвечает за передачу данных между периферийными устройствами и памятью без вмешательства процессора. PDCA позволяет существенно разгрузить процессор при непрерывной передаче больших потоков данных между модулями микроконтроллера.

1.3.4 КМОП буферное устройство/MOSFET драйвер ф.Microchip TC4467

КМОП буферное устройство/MOSFET драйвер Microchip TC4467 - это устройство из серии четырёхвыводных КМОП буферов/MOSFET драйверов с предельной силой тока равной 1.2 А. В отличии от других MOSFET драйверов это устройство имеет 2 входа на каждый выход. Microchip ТС4467 на каждом входе представляет собой логическую ячейку с логикой И-НЕ (NAND). Это устройство идеально подходит для прямого управления моторов с низким потреблением тока или для конфигурации MOSFET устройств H-BRIDGE. Microchip ТС4467 также помогает сократить количество использованных дискретных элементов.

Microchip ТС4467 имеет высокую радиационную стойкость, в частности к эффекту «защёлки». Также это устройство очень устойчиво к резкому возрастанию напряжения и к обратному току номиналом 0.5А на выходах.

MicrochipТС4467 имеет различные уровни качества, такие как промышленный, коммерческий и военный.

1.3.5 ПЛИС FPGA Xilinx Spartan-3XC3S200

Новая серия семейства ПЛИС с архитектурой Spartan™-3 специально разработана для использования в электронных устройствах, рассчитанных на большие тиражи и невысокую стоимость комплектующих.

Основные особенности семейства Spartan-3:

· революционный технологический процесс: 90 нм SRAM КМОП;

· низкая стоимость, высокая производительность логики, ориентированная на применение в устройствах предназначенных для массового потребителя;

· ёмкость достигает 74 880 логических ячеек;

· системная тактовая частота до 326 МГц;

· 3 раздельных напряжения питания.

· Технология SelectIO.

· Технология SelectRAM.

· Полная поддержка в САПР ISE начиная с версии 6.1i.

1.4 Таблица технических параметров ИМС

В результате анализа технических отчётов (Data Sheets), которые скачиваются с сайта производителя устройств, где указаны все параметры ИМС и в результате анализа отчетов по надежности (Reliability data) выбранных микросхем, была создана таблица, которая представлена в Приложении №1 к диплому. В ней представлены все необходимые данные пяти ИМС для расчета безотказности микросхем по справочникам:

· «Надёжность ЭРИ ИП»

· «MIL-HDBK-217F»

· «RIAC-HDBK-217PLUS»

· «RADC-TR-89-177"

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.

Таблица 1.1 Обобщённые результаты форсированных испытаний ИМС фирмы Actel

Технология ИМС	Особенности технологии	Число ИМС	Число отказов	Произведение, 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.



Рис. 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 1.2 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.

Анализ существующих методик прогнозирования безотказности.

Методика справочника «Надежность ЭРИ ИП» редакции 2006г.

Общие положения

Методика справочника «Надёжность ЭРИ ИП» редакции 2006 г. предназначена для предприятий-разработчиков и изготовителей аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения и организаций Министерства обороны Российской Федерации.

Методика справочника «Надёжность ЭРИ ИП» редакции 2006 г. содержит:

1. Сведения, предназначенные для использования при расчетах показателей надежности аппаратуры.

2. Сведения о показателях надежности групп ЭРИ, применяемых при разработке, производстве и эксплуатации аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения, и состоит из следующих разделов:

* Интегральные микросхемы.

* Полупроводниковые приборы.

* Оптоэлектронные полупроводниковые приборы.

* Резисторы.

* Конденсаторы.

* Трансформаторы, катушки индуктивности.

* Коммутационные изделия.

* Соединители.

* Реле.

* Лампы электрические.

* Приборы пьезоэлектрические.

* Установочные изделия.

Каждый раздел методики справочника «Надёжность ЭРИ ИП» редакции 2006 г. по классам изделий включает в себя:

* математические модели для расчета (прогнозирования) значений

эксплуатационной интенсивности отказов групп изделий, в том числе и при хранении в различных условиях;

* информацию о показателях надежности групп ЭРИ и коэффициентах моделей.

Информация о показателях надежности групп ЭРИ и коэффициентах

моделей включает в себя:

* значения базовой интенсивности отказов групп ЭРИ;

* значения коэффициентов, входящих в модели прогнозирования эксплуатационной надежности ЭРИ, и аналитические выражения, показывающие зависимость этих коэффициентов от учитываемых факторов.

Общая характеристика моделей

Значения эксплуатационной интенсивности отказов большинства групп

ЭРИ рассчитываются по математической модели:



где - базовая интенсивность отказов группы ЭРИ;

Кi - коэффициенты, учитывающие изменения эксплуатационной интенсивности отказов в зависимости от различных факторов;

n - число учитываемых факторов.

Для отдельных групп сложных изделий, суммарный поток отказов которых складывается из независимых потоков отказов составных частей ЭРИ (например, кристалла и корпуса интегральных микросхем), математическая модель расчета интенсивности отказов имеет вид:

где ? б.с.г j - исходная (базовая) интенсивность отказов j-го потока отказов;

m - количество независимых потоков отказов составных частей ЭРИ;

Кij - коэффициент, учитывающий влияние i-го фактора в j-м потоке отказов;

nj - количество факторов, учитываемых в j-ом потоке отказов.

Модели расчета эксплуатационной интенсивности отказов распространяютсяна период постоянства интенсивности отказов во времени.

Описание коэффициентов моделей

Коэффициенты, входящие в математические модели расчета интенсивности отказов групп ЭРИ, условно можно разделить на две группы (таблица 1.3):

? первая группа коэффициентов является общей для моделей большинства классов и групп изделий и характеризует режимы и условия их эксплуатации, уровень качества производства ЭРИ;

? вторая группа коэффициентов включается в модели конкретных классов(групп) ЭРИ и характеризует зависимость интенсивности их отказов в заданныхусловиях эксплуатации от конструкционных, функциональных и технологических особенностей ЭРИ.

Коэффициенты режима Кt (Кs) служат для пересчета базовой интенсивности отказов к фактическим режимам применения ЭРИ в аппаратуре. Для большинства групп ЭРИ приводятся аналитические выражения для их определения. Коэффициент приемки Кпр отражает степень жесткости требований к контролю качества и правила приемки изделий. Степень соответствия ЭРИ с установленной надежностью тому или иному уровню качества определяется соответствующими ОТУ на группы изделий. Типы ЭРИ с приемкой Military приведены в соответствующих перечнях (QML и QPL) на группы изделий. Коэффициент эксплуатации Кэ учитывает степень жесткости условий эксплуатации и показывает, во сколько раз интенсивность отказов ЭРИ в аппаратуре конкретного класса (группы эксплуатации по ГОСТ РВ 20.39.301-98) выше при всех прочих равных условиях, чем в наземной стационарной аппаратуре (группа 1.1).

Таблица 1.3

Характеристика коэффициентов моделей расчёта ИО групп ЭРИ



В результате изучения методики установлено:

1. Методика справочника «Надёжность ЭРИ ИП « редакции 2006 г.предназначена для предприятий-разработчиков и изготовителей аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения и организаций Министерства обороны Российской Федерации.

2. Методика справочника «Надёжность ЭРИ ИП «редакции 2006 г.содержит сведения, предназначенные для использования при расчетах показателей надежности аппаратуры, и сведения о показателях надежности групп ЭРИ, применяемых при разработке, производстве и эксплуатации аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения.

3. Методика справочника «Надёжность ЭРИ ИП « редакции 2006 г.имеет ограниченную область применения. Она может применяться для:

1. Биполярных и КМОП цифровых микросхем с количеством базовых ячеек до 60000.

2. Биполярных и КМОП аналоговых микросхем до 10000 транзисторов.

3. Биполярных ПЛИС до 5000 базовых ячеек и КМОП ПЛИС до 20000 базовых ячеек.

4. Биполярных и КМОП микропроцессоров с разрядностью до 32 бит

5. Приборов памяти с емкостью накопителя до 106 бит

6. GaAs интегральные схемы СВЧ (MMIC) до 1000 активных элементов

7. GaAs интегральные схемы на MESFET транзисторах до 10000 активных элементов

Методика справочника «MIL-HDBK-217F».

Цель этой методики состоит в установлении, поддержке наследственной преемственности и однородности методов определения внутренней надежности (т.е. надежности завершенного проекта) военного электронного оборудования или систем. Она предлагает общий базис для прогнозирования надежности разрабатываемых программ для военных электронных систем и оборудования. Методика также устанавливает общий базис для сравнения и развития прогнозов надежности сравниваемых или конкурирующих проектов. Методика справочника «MIL-HDBK-217f» предназначена для использования как инструмент улучшения надежности разрабатываемого оборудования.

Эта методика содержит два метода прогнозирования надежности «Part stress analysis» (Анализ нагрузок) и «Part Count Method» (PCM). Эти методы применяются в зависимости от степени информации, необходимой для их использования. PSA требует большого количества детальной информации и используется на более поздней фазе проектирования, когда реальная аппаратура и схемы уже спроектированы. PCM требует меньшей информации в количественном отношении по уровню качества и условий окружающей среды. Этот метод применим на ранней стадии проектирования и во время составления технического задания (ТЗ), в основном, PCM обычно приводит к более высокой оценке (т.е. большей величине интенсивности отказов) системной надежности, чем PSA.

Эта методика предлагает общий базис для прогнозирования надежности, основанный на анализе последней информации, имеющейся ко времени издания. Предполагается, что это позволило разработать методику прогнозирования методику прогнозирования надежности настолько хорошо насколько возможно. Однако, как и любую другую методику, прогнозирование надежности следует использовать осторожно, учитывая ряд ограничений. Первое ограничение состоит в том, что модели интенсивности отказов являются точечными оценками, которые основаны на имеющихся данных. Следовательно, они обоснованы для условий, при которых были получены данные и для рассматриваемых приборов. Возможна некоторая экстраполяция при развитии моделей (более широком применении), однако эмпирическая природа моделей может быть ограниченной. Например, в этой методике нет моделей, которые прогнозируют нейтронное воздействие или ионизационное излучение.

Этот справочник содержит подробную версию модели ССВУИ (сверхбыстрые схемы с высоким уровнем интеграции)/VLSI(сверхбольшая интегральная микросхема - СБИС) КМОП . Данная модель приведена для обеспечения более подробного уровень проектных выборов оптимального решения устройств, выполняемых по КМОП технологии.

Модель расчета интенсивности отказов ССВУИ/СБИС микросхем

где: - Расчетная интенсивность отказов как функция времени;

- Интенсивность отказов, обусловленная с времязависимым пробоем подзатворного диэлектрика;

- Интенсивность отказов, обусловленная электромиграцией;

- Интенсивность отказов, обусловленная эффектом «горячих носителей»;

- Интенсивность отказов, обусловленная точечными дефектами;

- Интенсивность отказов, обусловленная отказом корпуса;

- Интенсивность отказов, связанная с электростатической разрядкой (ЭСР) и электрической перегрузкой (ЭП);

- Интенсивность отказов учета прочих воздействий;

В результате изучения методики установлено:

1. Методика справочника «MIL-HDBK-217f» п.5.3 предназначена для предприятий-разработчиков и изготовителей аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения и организаций Министерства обороны Российской Федерации.

2. Методика справочника «MIL-HDBK-217f» содержит сведения, предназначенные для использования при расчетах показателей надежности аппаратуры, и сведения о показателях надежности групп ЭРИ, применяемых при разработке, производстве и эксплуатации аппаратуры, приборов, устройств и оборудования военного назначения.

3. Методика справочника «MIL-HDBK-217f» п.5.3 может применяться для:

1. Биполярных и КМОП цифровых микросхем с количеством базовых ячеек блее 60000.

2. Биполярных и КМОП аналоговых микросхем более 10000 транзисторов.

3. Биполярных ПЛИС более 5000 базовых ячеек и КМОП ПЛИС более 20000 базовых ячеек.

4. Биполярных и КМОП микропроцессоров с разрядностью более 32 бит

5. Приборов памяти с емкостью накопителя более 106 бит

6. GaAs интегральные схемы СВЧ (MMIC) более 1000 активных элементов

7. GaAs интегральные схемы на MESFET транзисторах более 10000 активных элементов

Методика справочника «MIL-HDBK-217f» п.5.3 ограничена минимальным топологическим размером (ХS) и площадью кристалла (А).

Методика справочника RIAC-HDBK-217Plus.

В справочнике RIAC-HDBK-217Plus приводится модель для расчета эксплуатационной интенсивности отказов интегральных микросхем в различных типах корпуса приводится:

где: - прогнозируемая интенсивность отказов, 1/ч.; - коэффициент повышения интенсивности отказов; - базовая интенсивность отказов в режиме работы, 1/ч; - коэффициент, зависящий от рабочего цикла (время работы); - коэффициент, зависящий от температурного режима (время работы); - интенсивность отказа в режиме хранения, 1/ч.; - коэффициент, зависящий от рабочего цикла (время хранения); - коэффициент, зависящий от температурного режима (время хранения) и влажности; - интенсивность отказов, зависящая от количества циклов, 1/ч.; - коэффициент, зависящий от количества циклов; - коэффициента, зависящий от разности температур в режиме работы и хранения; - интенсивность отказов паяных соединений, 1/ч.; - коэффициент, зависящий от разности температур паяных соединений в режиме работы и хранения; - интенсивность отказов из-за повышенных электрических нагрузок, 1/ч.

где: - постоянная степени повышения интенсивности отказов, зависящая от типа ИМС и приведенная в таблице справочника [6]; - год выпуска ИМС.

где: - отношение времени работы к общему времени работы и хранения аппаратуры, в которую входит оцениваемая ИМС, в процентах;

- табличное значение из справочника для негерметизированной ИМС в пластиковом корпусе.

где: - энергия активации в режиме работы, в эВ; - температура окружающей среды в режиме работы, в °С; - величина возрастания температуры окружающей среды, в °С.

Величина возрастания температуры окружающей среды может быть получена несколькими путями: взята из таблицы, приведенной на странице 28, или же получена с использованием формул. При наличии информации о тепловом сопротивлении перехода кристалл-окружающая среда используется (1.11), при наличии информации о тепловом сопротивлении перехода кристалл-корпус - (1.12).

В последнем случае в формуле (1.10) необходимо заменить на (температуру корпуса ИМС).

где: - тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда, в °С/Вт; - рассеиваемая мощность, в Вт.

где: - тепловое сопротивление кристалл-корпус, в °С/Вт; - рассеиваемая мощность, в Вт.

где: - отношение времени работы к общему времени работы и хранения аппаратуры, в которую входит оцениваемая ИМС, в процентах; - табличное значение из справочника [6] для негерметизированной ИМС в пластиковом корпусе.

где: - энергия активации в режиме хранения, в эВ; - температура окружающей среды в режиме хранения, в °С; - относительная влажность, в процентах.

где: - количество включений аппаратуры, в которую входит оцениваемая ИМС, в течение одного календарного года; - табличное значение из справочника [6] для негерметизированной ИМС в пластиковом корпусе.



где: - температуры окружающей среды в режиме работы, в °С; - величина возрастания температуры окружающей среды, в °С; - температуры окружающей среды в режиме хранения, в °С; - табличное значение из [7] для негерметизированной ИМС в пластиковом корпусе.

где: - температуры окружающей среды в режиме работы, в °С; - величина возрастания температуры окружающей среды, в °С; - температуры окружающей среды в режиме хранения, в °С.

Необходимо уточнить, что прогнозируемая интенсивность отказов будет получена в расчете на календарный срок эксплуатации, так как учитывается не только непосредственное время работы, но и время хранения, предшествующее или следующее за ним. Интенсивности отказов (,,, и) и энергии активации ( и ) приведены в таблице на странице 28 справочника.[6]

Расчет безотказности по справочнику «Надежность ЭРИ ИП» редакции 2006г.

Для расчета безотказности по справочнику «Надежность ЭРИ ИП» редакции 2006г. был использован программный комплекс АСОНИКА-К. Расположенная на сервере подсистема, содержит всю необходимую информацию о характеристиках надежности ЭРИ в объеме, полностью соответствующему российскому справочнику «Надежность ЭРИ ИП» редакции 2006г.

Для заполнения необходимых данных в АСОНИКА-К использовалась подробная таблица из Приложения №1 к диплому

Для расчета в системе АСОНИКА-К необходимо добавить ЭРИ из группы интегральные микросхемы «Надежность ЭРИ ИП». Ввести необходимые для расчета условия. Затем по пунктам заполняются необходимые для расчета данные:

1. Выбор группы ЭРИ. В соответствии с типом ЭРИ выбираем группу.

Рис. Выбор группы ЭРИ в соответствии с типом.

2. Затем в связи с тем какая подгруппа выбираем подгруппу ЭРИ.

Рис. Выбор подгруппы ЭРИ

3. Необходимо ввести сокращённый тип и номер технического устройства. К примеру, в случае с операционным усилителем TI OPA-2333HT, вводим следующие обозначения:



Рис. Ввод сокращённого типа ЭРИ

4. Вводим позиционное обозначение устройства.

Рис. Ввод позиционного обозначения

5. Вводим технические параметры интегральной микросхемы, которые берем из таблицы в Приложении №1. На Рис.1.12 и Рис. 1.13 показан ввод технических параметров на примере операционного усилителя Texas Instruments OPA-2333HT. Аналогично вводятся технические параметры для остальных микросхем, кроме микросхем памяти.

Рис. Ввод параметров ИМС группы «Цифровые и аналоговые ИС, ПЛИС, микропроцессоры» №1



Рис. Ввод параметров ИМС группы «Цифровые и аналоговые ИС, ПЛИС, микропроцессоры» №2

6. Выбираем параметры типа хранения ИМС. В данном случае для всех 5 ИМС из Приложения №1 необходимо выбрать согласно исходным данным - «в отапливаемом помещении».

Рис. Выбор типа хранения

7. Выбираем группу аппаратуры в соответствии с ГОСТ В 20.39.304-98. В данном случае для 5 ИМС выбираем группу 1.1, что соответствует «аппаратура стационарных помещений, сооружений».

Рис. Выбор группы аппаратуры



8. Если микросхема входит в группу «микросхемы памяти», то как было сказано в пункте 5 выбираются другие параметры, в отличии от группы «Цифровые и аналоговые ИС, ПЛИС, микропроцессоры». Данные параметры показаны на рис. на примере микросхемы памяти Microsemi ProASIC3 (A3P060).

Рис. Ввод параметров для группы «Микросхемы памяти» №1

Рис. Ввод параметров для группы «Микросхемы памяти» №2

9. На этом ввод параметров закончен. Интегральная микросхема добавляется в проект для расчета надёжности. На Рис. 1.18. показано как выглядит окно АСОНИКА-К с добавленными ИМС и всеми заполненными параметрами для расчета. На этом ввод параметров закончен. Интегральная микросхема добавляется в проект для расчета надёжности.

10. Нажимаем расчет параметров и выводим результаты. В итоге получаем эксплуатационную интенсивность отказов и график интенсивности отказов показанный на рис. 1.19.

Эксплуатационная интенсивность отказов представлена в таблице 1.4.



Таблица 1.4

Наименование ИМС	Эксплуатационная интенсивность отказов ?Э
Texas Instruments OPA-2333 (DA1)	3,31e-10
Mirosemi A3P0602	9,09e-10
Atmel AT32UC3A05123	1,89e-08
Microchip TC44674	7,78e-11
Xilinx XC3S2005	5,06e-09

Расчет безотказности по справочнику «MIL-HDBK-217F».

Для расчета безотказности по справочнику «MIL-HDBK-217F» был использован, как и в случае с расчетом по справочнику «Надёжность ЭРИ ИП» редакции 2006г., программный комплекс АСОНИКА-К. Расположенная на сервере подсистема, содержит всю необходимую информацию о характеристиках надежности ЭРИ в объеме, полностью соответствующему американскому Справочнику «MIL-HDBK-217F».

...