автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Анализ процессов деградации и индивидуальное прогнозирование показателей качества и надежности полупроводниковых элементов бортовых радиотехнических устройств

На правах рукописи

КОЗЛОВА ИРИНА НИКОЛАЕВНА

АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ДЕГРАДАЦИИ И ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ БОРТОВЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005537924

! ; ¿'-'и

Самара 2013

005537924

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева» (национальный исследовательский университет) (СГАУ)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Пиганов Михаил Николаевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и производства радиоаппаратуры ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет» Юрков

Николай Кондратьевич

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой теоретических основ

радиотехники и связи ПГУТИ Горячкин Олег Валериевич

Ведущее предприятие: ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ - Прогресс»

Защита состоится «6» декабря 2013г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д219.003.01 в Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики ПГУТИ по адресу: 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГУТИ.

Автореферат разослан «3» ноября 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

еских наук Дл^с-**-

диссертационного совета, »

доктор физико-математических наук Д^*-**-"^

©А*

О.И. Антипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Проблема обеспечения высокой надежности и безотказности космических аппаратов (КА) становится крайне значимой. Надежность КА в сильной степени определяется надежностью бортовых радиотехнических устройств (БРТУ).

Радиотехнические устройства космического назначения в период эксплуатации подвергаются интенсивным механическим, электрическим, тепловым, радиационным, электромагнитным и др. воздействиям. Это является одной из основным причин возникновения отказов. При этом могут возникать так называемые системные отказы, возникающие при одновременном воздействии всех или нескольких дестабилизирующих факторов. Актуальность задачи повышения надежности БРТУ связана также с увеличением требований к их функциональным возможностям и конструктивно технологическим показателям (увеличение степени интеграции, уменьшение массо-габаритных показателей).

На данном этапе широко распространена концепция повышения надежности бортовой аппаратуры, которая базируется преимущественно на повышении надежности ее элементной базы. По данным Тюлевина C.B., который провел анализ отказов РТУ космического назначения за 20 лет, основная доля отказов приходится на элементную базу. Им выявлены критичные электрорадиоизделия (ЭРИ) - диоды, интегральные микросхемы, стабилитроны и др. Следовательно, одним из путей решения задачи повышения надежности БРТУ является мониторинг стабильности параметров и качества работы полупроводшпсовых приборов и микросхем, а также отбор наиболее надежных образцов.

В настоящее время существует потребность увеличения сроков активного функционирования (САФ) КА. В связи с этим проблема обеспечения надежности бортовых радиотехнических устройств приобретает еще большую актуальность и значимость.

Опыт, накопленный предприятиями космической отрасли, показал, что создание КА со САФ более 8 лет затруднительно без изменения традиционного подхода к обеспечению отказоустойчивости и долговечности бортовых РТУ.

Одним из перспективных направлений повышения надежности бортовых РТУ является отбраковка потенциально ненадежных ЭРИ на основе диагностического контроля и индивидуального прогнозирования (ИП) основных показателей качества.

Вопросом прогнозирования показателей качества РТУ посвящены работы Андреевой В.В., Викулина И.М., Гаскарова Д.В., Горлова М.И., Карпова О.В., Кейджяна Г.А., Коробицына В.В., Пиганова М.Н., Сагояна A.B., Строганова A.B., Тюлевина C.B., Фомина A.B., Workman W., Novak T.Y., Vaccaro Y., Smith Y.S., Kato. Y., Kool C.F., Mackintosh Y.M. и др.

Предложенные в данных работах методы, алгоритмы, модели и методики используются для прогнозирования показателей качества ограниченного количества устройств и элементов. Для многих типов ЭРИ такие алгоритмы, модели и методики являются неэффективными.

Одной из причин низкой эффективности известных методик ИП является слабая изученность процессов деградации ЭРИ в процессе эксплуатации, отсутствие данных по детальному анализу активационных явлений, по кинетике протекания индивидуальных физико-химических процессов в фрагментах полупроводниковых структур. Это затрудняет определение и выбор наиболее информативных параметров, необходимых для разработки точных прогнозных моделей.

В связи с этим совокупность вопросов, связанных с комплексным подходом к повышению надежности БРТУ за счет отбраковки потенциально ненадежных образцов полупроводниковых ЭРИ на основе новых моделей и методик является весьма актуальной

Целью диссертационной работы является повышение надежности БРТУ за счет отбраковки потенциально ненадежных элементов на основе принципов электрофизической диагностики и индивидуального прогнозирования.

Объектом исследования является полупроводниковые приборы бортовых радиотехнических устройств космического назначения.

Предметом исследования является методы, методики, модели и алгоритмы индивидуального прогнозирования надежности и показателей качества полупроводниковых приборов БРТУ космического назначения.

Методы исследований включают аппарат математического и физического моделирования, численного анализа, теории распознавания образцов, экспертных оценок, элементы термодинамики, теории вероятностей и математической статистики.

В диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Анализ активационных явлений в элементах радиотехники и связи, определяющих динамику процессов деградации функциональных параметров изделия.

2. Разработка метода определения активационных характеристик кинетического моделирования процессов деградации элементов при воздействии на изделие возмущающих факторов термического и полевого типов.

3. Разработка математической модели расходования ресурса полупроводникового изделия радиотехнического устройства космического назначения и методики определения её параметров.

4. Разработка методики ИП показателей качества элементов устройств радиотехники и связи и прогнозных моделей, обеспечивающих высокую эффективность прогноза.

5. Анализ эффективности контроля и разработка методик диагностики и устройств отбраковки элементов и устройств БРТУ.

Научная новизна.

1. Результаты анализа кинетики протекания физико-химических процессов в элементах и структурах устройств радиотехники и связи космического назначения, которые позволили разработать метод определения активационных характеристик.

2. Детерминированные и вероятностно-детерминированные математические модели расходования ресурса полупроводникового изделия радиотехнического устройства.

3. Методика ИП и прогнозные модели полупроводниковых элементов, которые обеспечили высокую эффективность прогноза.

4. Методика отбраковки полупроводниковых приборов на основе р-п переходов.

Практическая значимость.

Предложены общие принципы и этапы проведения и анализа процессов деградации полупроводниковых элементов радиотехники и связи. Предложена методика проведения ускоренных испытаний. Разработаны устройства для отбраковки ненадежных диодов и стабилитронов. Разработана методика диагностического неразрушающего контроля диодов по характерным точкам вольт-амперной характеристики и шумовым параметрам. Сделан выбор наиболее эффективных методов ИП.

В результате проведенных исследований представляются к защите следующие основные положения и результаты:

1. Разработанные математические модели дрейфа функциональных параметров полупроводникового прибора, основанная на активационных представлениях.

2. Разработанная методика определения характеристических показателей активационной модели дрейфа функциональных параметров полупроводниковых приборов.

3. Прогнозные модели полупроводниковых приборов для БРТУ.

4. Методика отбраковки потенциально ненадёжных полупроводниковых приборов.

Достоверность полученных результатов подтверждается использованием известных положений фундаментальных наук, корректностью разработанных математических моделей, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами исследований других авторов.

Реализация результатов работы. Основные положения диссертационной работы внедрены в ФГУП «ГНПРКЦ «ЦСКБ-Прогресс», в учебный процесс специальности 210201 в СГАУ, использованы при выполнении ряда НИОКР.

Личный вклад автора в проведенное исследование. Представленные на защиту результаты диссертации получены автором самостоятельно. Результаты, опубликованные совместно с другими авторами, принадлежат соавторам в равных долях. Результаты других авторов, которые использованы при изложении, содержат ссылки на соответствующие источники.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации были представлены на следующих конференциях и симпозиумах: 1-й Российско-Белоруской НТК «Элементная база отечественной радиоэлектроники» (Нижний Новгород, 2013), 6-й международной НТК «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика» (Рязань: РГРТУ, 2013), всероссийской НТК «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства» (г. Ижевск, 2011г.); всероссийской НТК по неразрушающему контролю и технической диагностике (г. Самара, 2011г.); X международной НПК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики и экономики», г. Москва, 2007г.; международной НТК «Инновационная экономика и промышленная политика региона» (ЭКОПРОМ-2010), СПб, 2010г.; международной НТК «Высокие технологии, функциональные и прикладные исследования, образование», СПб, 2008г.; международная НТК «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития», Украина: Одесса, 2010г.; всероссийской НПК «Современные наукоемкие инновационные технологию), г. Самара, 2010г.; международной НПК «Современные направления теоретических и прикладных исследований», Украина: Одесса, 2009г.; всероссийский НТК «Актуальные проблемы радио-электроники и телекоммуникаций», г. Самара, 2007, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013гг.; международном симпозиуме «Надежность и качество», г. Пенза, 2005, 2006, 2007гг.; международной молодежной конференции «Туполевские чтения», г. Казань, 2005, 2006, 2007гг.; всероссийской моло-дежной конференции «Королевские чтения», г. Самара, 2007г.; между-народной молодежной конференции «Гагаринекие чтения», г. Москва, 2007г.; международной молодежной конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», г. Москва, 2005г.; международной конфе-ренции «Физика и технические приложения волновых процессов», г. Казань, 2007г..

Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 научных работ (личная доля 6,312 п.л.), в том числе 7 работ (личная доля 2,048 п.л.) - в

рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России, 3 патента на изобретения (личная доля 0,462 пл.). 13 работ написаны единолично, из них одна из перечня ВАК, и опубликованы без соавторов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 131 наименование, и приложений. Основная часть работы изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 36 рисунков, 13 таблиц.

В первой главе рассмотрена проблема прогнозирования качества и надежности элементов БРТУ. Сделан систематизированный обзор методов прогнозирования. Приведен сравнительный анализ этих методов. Описаны известные операторы (модели) прогнозирования.

Сделан выбор наиболее эффективных методов индивидуального прогнозирования.

Во второй главе рассмотрена общая концепция по установлению взаимосвязи между интенсивностями протекания процессов деградации элементов конструкции космических РЭС и сроком службы изделий. Дрейф функциональных параметров элементов представлен как следствие протекания индивидуальных физико-химических процессов деградации в материалах и фрагментах изделия. Проведен анализ активационных явлений в элементах радиотехники и связи. Предложено распространить активационные подходы, используемые при анализе кинетики протекания физико-химических процессов, непосредственно на совокупность функциональных параметров изделий полупроводниковой электроники. Представлена методология применен™ термоактивационного подхода при анализе процессов деградации изделий. Показано, что рабочая структура полупроводниковых приборов является гетерогенной и имеет специально заложенные неоднородности геометрии, состава и свойств образующих материалов, которые обусловливают медленные эволюционные процессы деградации. Изделие предложено рассматривать как упорядоченную атомно-молекулярную макроскопическую структуру, обеспечивающую необходимое функциональное назначение изделия. Процесс деградации в ходе эксплуатации изделия рассматривается с позиции последовательного накопления нарушений структуры в результате протекания в изделии элементарных атомно-молекулярных превращений.

Процесс деградации твердотельных структур рассматривается с позиции активационного подхода, ключевым моментом которого является то обстоятельство, что он использует универсальные энергетические представления при анализе атомно-молекулярных систем. На основе энергетических представлений формируются кинетические зависимости.

Детерминированная модель расходования ресурса полупроводникового изделия рассмотрена в третьей главе.

В соответствии с распространенной практикой примем, что текущее состояние элемента определяется совокупностью функциональных параметров {/7;}, полностью определяющих потребительское качество элемента. В процессе эксплуатации элемента допускаются изменения параметров {л/7,° }, не приводящие к потере функционального качества. Функциональное качество элемента выражается в относительных АП, по

единицах в виде отношения -, где И, - начальное значение

Я,0

функционального параметра (в дальнейшем - параметра) при / = 0 с, а

Л/7, - отклонение от начального значения параметра в текущий момент

времени.

С учетом вышеизложенного имеем: Л/7 —

— = Вгеа , (1)

Я 11 о

где ДЯ = П - П0; В - константа.

В выражении (1) совокупность возмущающих факторов представлена в неявном виде (кроме температуры). В результате получаем три модели расходования ресурса. Модель №1:

ЛЯ й (2)

-= Я/е кТ

п0

Модель №2:

АП ^—->- (3)

— = В1е а

П0

Модель №3:

Ш „ I ' ._/■'-1 (4)

-= Вге кт

По

Модель №1 справедлива для случая взаимно-независимого влияния индивидуальных возмущающих факторов КП на изменение параметра П в процессе эксплуатации элемента. В противном случае справедливы модели №2 и №3.

Была предложена методика определения параметров детерминированной модели расходования ресурса.

Была также построена вероятностно-детермшшрованная модель.. С учетом привлечения вероятностных представлений основополагающее выражение (модель №1) приобретает вид:

t- В- ехр( -(W0 + ^ qt -Qj) I к -Т). (5)

i

Конечной целью вероятностно-детерминированного подхода является определение вероятностных характеристик параметра А П , а

п

именно математического ожидания ту, дисперсии ау\ плотности распределения m (у).

Математическое ожидание ту параметра ^ П с учетом ранее

П

проведенных преобразований примет следующий вид:

ту = 1 'тх-exp[(2-wz (6)

Для определения дисперсии оу2 параметра AiL было получено

Я

следующее выражение:

a2y=t2-e2-m'*a'

ах -е г +т.

Полученное выражение позволяет провести анализ причин, А Я

обусловливающих рассеяние , а также вычислить значение

дисперсии для любого момента времени эксплуатации элемента.

Плотность распределения со(у) параметра может быть

представлена в следующем виде:

00

6)У = ВГ \е'и1/х{у,и^ы, (8)

—со

где

3 =—m-exî

2-aî

/1(^,м)=ехр{-—^[—[ У 2 -о\

иаг л/2 + тг

\е

+

+ 2 У'™г + 2-^2 - и • а -о-']}.

В четвертой главе рассмотрены вопросы прогнозирования срока службы устройств на основе активационной модели дрейфа.

Общие физико-технические принципы и этапы проведения анализа процессов деградации элементов конструкции РЭС представлены на рис. 1.

Этап 1. Формирование исходных физико-технических данных для разработки математической модели процессов деградации изделия по критерию технических параметров {П}.

_£__

Этап 2. Разработка математической модели ухода прогнозируемого параметра по критерию вариации электрических параметров {Пэ} структурных единиц.

_£_

Этап 3. Разработка математической модели ухода прогнозируемого параметров по критерию вариации физических параметров {Пф$ структурных единиц.

Этап 4. Разработка математической модели ухода прогнозируемого параметров по критерию вариации активациоиных параметров {Па1} элементарных физико-химических процессов деградации структурных единиц.

Рис.1

Проведено компьютерное моделирование процесса деградации элементов БРТУ методом вероятностного клеточного автомата.

В пятой главе рассмотрены вопросы контроля, отбраковки и индивидуального прогнозирования полупроводниковых приборов. Предложено устройство для отбраковки диодов, содержащее компаратор, двухпороговый компаратор, первый, второй, третий источники опорного напряжения, преобразователь ток-напряжение, генератор пилообразного напряжения и дифференцирующее устройство. Устройство обеспечивает более высокую точность и достоверность, позволяет проводить динами-

ческую отбраковку диодов, задавая различные скорости изменения входного напряжения генератора «пилы».

Разработано устройство для отбраковки двуханодных стабилитронов, содержащее компаратор, первый, второй, третий источники опорного напряжения, двухполярный генератор пилообразного тока, первый и второй блоки выделения абсолютного значения напряжения, сглаживающий фильтр, дифференцирующее устройство и элемент И. Данное устройство имеет более высокие значения точности и достоверности. Это достигается путём проведения отбраковки каждого из стабилитронов, входящих в двуханодный стабилитрон, как по напряжению стабилизации, так и по его изменению. Кроме того, данное устройство позволяет проводить динамическую отбраковку двуханодных стабилитронов, задавая различные скорости изменения выходного тока двухполярного генератора пилообразного тока.

Предложена и апробирована методика отбраковки полупроводниковых приборов по результатам диагностического контроля. Она предусматривает трёхэтапную отбраковку путём сравнения ш - параметра, низкочастотного шума иш и взрывного шума Шзр с пороговыми значениями.

Были разработаны прогнозные модели следующего вида: = а[п 1п [а,0) (1 ООО- 250)+е]+0,036;

^ут

V ^ у™ у

1ут ;

У К J

= ао0) 1п[а,0) (5000- 250)+е];

О)

)1п[а]с,)(1-^)(Ю000-500)+е]-0,267^-

'О)

Построенные модели удовлетворяют заданным требованиям по точности прогнозирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведён анализ активационных явлений в элементах радиотехники и связи. Предложено распространить активационные подходы, используемые при анализе кинетики протекания физико-химических процессов, непосредственно на совокупность функциональных параметров изделий полупроводниковой электроники. Представлена методология применения термоактивационного подхода при анализе процессов деградации изделий.

2. На основе анализа кинетики протекания индивидуальных физико-химических процессов в фрагментах твёрдотельных структур изделий радиотехники и связи выявлены закономерности, позволившие разработать ме-

тоды определения активационных характеристик кинетических моделей процессов деградации функциональных параметров при воздействии на изделие возмущающих факторов термического и полевого типов.

3. Разработаны математическая модель расходования ресурса полупроводникового изделия радиотехнического устройства детерминированного типа и методика определения параметров этой модели на основе моделирующих исследований.

4. Построена вероятностно-детерминированная модель расходования ресурса электронного устройства, которая основана на развитии основных принципов физической теории надежности. Модель учитывают уровень влияния индивидуальных возмущающих факторов на изменение функционального параметра в процессе эксплуатации.

5. Разработан алгоритм моделирования процессов деградации полупроводниковых элементов БРТУ.

6. Сделан выбор методов индивидуального программирования для исследуемого класса полупроводниковых изделий.

7. Предложена методика ИП показателей качества и надёжности полупроводниковых приборов для устройств радиотехники и связи космического назначения, обеспечивающая высокую эффективность.

8. Разработана методика и математические модели индивидуального прогнозирования полупроводниковых изделий. Проведено исследование эффективности предложенных моделей. Построены прогнозные модели для различных типов полупроводниковых диодов.

9. Разработано устройство контроля, позволяющее производить отбраковку двуханодных стабилитронов с более высокой точностью и достоверностью. Это достигается путём проведения отбраковки каждого из стабилитронов, входящих в двуханодный стабилитрон, как по напряжению стабилизации, так и по его изменению.

10. Разработано устройство для отбраковки диодов, позволяющее проводить динамическую отбраковку ненадёжных образцов с более высокой точностью, задавая различные скорости изменения выходного напряжения генератора пилообразного напряжения.

11. Предложена методика отбраковки полупроводниковых приборов по результатам диагностического контроля образцов, включающая измерение т- параметра, Иш, Шзр. и сравнение их с пороговьми значениями.

12. Рассмотрены вопросы имитационного моделирования в системах управления при экспериментальной проверке предложений, связанных с отбором ЭРИ и неподдающихся формальному количественному опииса-нию.

13. Проведено компьютерное моделирование процессов деградации ЭРИ методом вероятностного клеточного автомата.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Тюлевин, C.B. Устройство контроля стабилитронов [Текст] / C.B. Тюлевин, И.Н. Козлова, Г.П. Шопин, А.И. Архипов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета (СГАУ). -2012. - №7. -С.156-160.

2. Козлова, И.Н. Методика прогнозирования показателей качества полупроводниковых диодов [Текст] / И.Н. Козлова, C.B. Тюлевин, A.B. Токарева // Вестник СГАУ. - 2011 .-№7.-0.87-91.

3. Краснощёкое, А. Д. Моделирование в системах управления [Текст] / А.Д. Краснощёков, C.B. Тюлевин, И.Н. Козлова, A.B. Токарева // Вестник СГАУ.-2011.-№7.-С.158-161.

4. Козлова, И.Н. Прогнозирование срока службы изделий нанораз-мерного масштаба методами вычислительного эксперимента [Текст] / И.Н. Козлова // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения.-2011 .-Вып. 3(13). - С.96-101.

5. Козлова, И.Н. Математические модели дрейфа функциональных параметров электронных изделий [Текст] / И.Н. Козлова, М.Н. Пиганов, C.B. Тюлевин // Известия Самарского научного центра РАН. - 2010.-Том 12,- №4 (3). — С.668 — 673

6. Козлова, И.Н. Взаимосвязь кинетики процессов деградации функциональных параметров технических устройтв с интенсивностью протекания физико-химических процессов в конструкционных материалах [Текст] / Козлова И.Н., Саноян А. Г. // Вестник Самарского государственного университета путей сообщения. -2010.- Вып. 4(10). - С.189-193.

7. Агафонов, А.Н. Определение параметров деградации объектов при комплексном воздействии возмущающих факторов среды эксплуатации [Текст] / А.Н. Агафонов, В.В. Варфоломеева, И.Н. Ерёмина*, А.Г. Саноян // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. -2007. - № 9/2(59). -С.55-62.

Патенты на изобретения:

8. Патент РФ №2388006. Устройство для отбраковки диодов. Опубл. 27.04.2010. Бюл. №12. Пиганов М.Н., Шопин Г.П., Тюлевин C.B., Козлова И.Н.

9. Патент РФ №2445640. Устройство для отбраковки двуханодных стабилитронов. Опубл. 20.03.2012. Бюл. № 8. Пиганов М.Н., Шопин Г.П., Тюлевин C.B., Козлова И.Н.

10. Патент РФ №2450281. Устройство для отбраковки двуханодных стабилитронов. Опубл. 10.05.2012. Бюл. № 13. Пиганов М.Н., Шопин Г.П., Тюлевин C.B., Козлова И.Н.

Статьи и материалы конференций:

П.Козлова, И.Н. Методика отбраковки полупроводниковых диодов по результатам диагностического контроля [Текст] / И.Н. Козлова, C.B. Тюлевин, М.Н. Пиганов // Элементная база отечественной радиоэлектроники: тр. 1-й Росс.-Белорус. НТК. - Нижний Новгород, 2013. -С. 228-232.

12. Пиганов, М.Н. Направления повышения надёжности бортовой аппаратуры космических аппаратов [Текст] / М.Н. Пиганов, C.B. Тюлевин, И.Н. Козлова, A.B. Наседкин // Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика: тез. докл. 6-й междун. НТК. -Рязань: РГРТУ, 2013. -С.132-133.

13. Пиганов, М.Н. Управление качеством радиотехнических устройств космического назначения [Текст] / М.Н. Пиганов, C.B. Тюлевин, И.Н. Козлова // Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика: тез. докл. 6-й междун. НТК. -Рязань: РГРТУ, 2013. -С.133-134.

М.Козлова, И.Н. Алгоритм программы моделирования процессов деградации элементов конструкции изделий полупроводниковой электроники [Текст] / И.Н. Козлова // Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства: докл. Всерос. НТК,- Ижевск: ИжГТУ,-2011.-С.47-50.

15. Архипов, А.И. Устройство для диагностики и отбраковки полупроводниковых диодов [Текст] / А.И. Архипов, C.B. Тюлевин, И.Н. Козлова, A.B. Костин // Тез. докл. Всерос. НТК по неразрушающему контролю и технической диагностике, Самара, 2011-М.: Изд. дом «Спектр», 2011.-С.448-450.

16. Козлова, И.Н. Методика диагностического контроля и отбраковки полупроводниковых диодов [Текст] / И.Н. Козлова, C.B. Тюлевин, A.B. Наседкин // Тез. докл. Всерос. НТК по неразрушающему контролю и технической диагностике, Самара, 2011-М.: Изд. дом «Спектр», 2011,-С.455-457.

17. Козлова, И.Н. Анализ процессов деградации элементов космических радиоэлектронных средств при разработке методики прогнозирования их надежности [Текст] / И.Н. Козлова, М.Н. Пиганов // Инновационная экономика и промышленная политика региона (ЭКОПРОМ - 2010): труды междун. НТК. - СПб: Изд-во Политех, ун-та. - 20Ю.-Том 2. - С.438 - 449.

18. Козлова, И.Н. Вероятностно - детерминированная модель расходования ресурса электронного устройства [Текст] / И.Н. Козлова // Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития: сборн. науч. тр. по матер, междун. НТК. - Украина, Одесса: Черноморье. - 20Ю.-Том 3. - С.59 - 65.

19. Козлова, И.Н. Детерминированная модель расходования ресурса электронного устройства [Текст] / И.Н. Козлова // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всерросс. НТК 25-27 мая 2010. - Самара: Изд-во СГАУ. - 2010. - С.197 - 202.

20. Архипов, А.И. Индивидуальное прогнозирование показателей качества полупроводниковых приборов [Текст] / А.И. Архипов, В.П. Глухов, И.Н. Козлова // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всеросс. НТК 25-27 мая 2010. - Самара: Изд-во СГАУ. - 2010. - С.95-100.

21. Козлова, И.Н. Прогнозирование надежности элементов бортовой аппаратуры [Текст] / И.Н. Козлова, И.И. Арзамасцев // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всерросс. НТК 25-27 мая 2010. - Самара: Изд-во СГАУ. - 2010. - С.154 - 155.

22. Тюлевин, C.B. Выбор методов индивидуального прогнозирования показателей качества РЭС на основе экспертных оценок [Текст] / C.B. Тюлевин, И.Н. Козлова // Современные направления теоретических и прикладных исследований - 2009: сборн. науч. тр. по матер, междун. НПК 16 - 27 марта 2009. - Украина, Одесса: Черноморье. - 2009.-Том 4. - С.52 -56.

23. Козлова, И.Н. Индивидуальное прогнозирование срока службы радиотехнических устройств [Текст] / И.Н. Козлова // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всеросс. НТК 12-14 мая 2009. - Самара: Изд-во СГАУ. - 2009.-Ч.2. - С.93-94.

24. Елизаров, C.B. Индивидуальное прогнозирование качества микросборок методом вычислительных оценок [Текст] / C.B. Елизаров, И.Н. Козлова // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всеросс. НТК 12-14 мая 2009. - Самара: Изд-во СГАУ. - 2009.-4.2. - С.92-93.

25.Козлова, И.Н. Индивидуальное прогнозирование надёжности бортовых приборов [Текст] / И.Н. Козлова, M. Н. Пиганов //Высокие технологии, функциональные и прикладные исследования, образование: сборник трудов. Том 13 / Под ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвеенко. - СПб: Изд-во Политех, ун-та. - 2008. - С.343-344.

26. Ерёмина, И.Н. Индивидуальное прогнозирование электрорадиоиз-делий для бортовых радиоэлектронных средств методом обобщенного портрета [Текст] / И.Н. Ерёмина* // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций: матер. Всеросс. НТК 14-16 мая 2007. - Самара: Изд-во СГАУ. - 2007. - С.193-194.

27. Ерёмина, И.Н. Прогнозирование срока службы изделий на основе активационных моделей процессов деградации функциональных параметров [Текст] / И.Н. Ерёмина* //Надежность и качество: труды междун. симпоз. в 2-х томах. -Пенза. - 2007.-Том 2. - С. 18 - 21.

28. Ерёмина, И.Н. Энтропийные критерии и показатели качества технологических процессов создания и эксплуатационной устойчивости микро- и наноразмерных структур [Текст] / И.Н. Ерёмина*, А.Г. Саноян //Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения,

информатики и экономики: тр. X междун. НПК 1-5 октября 2007.-М.: -2007.-С.92-98.

29. Ерёмина, И.Н. Энтропийные методы анализа надежности устройств микро- и наноэлектроники [Текст] / И.Н. Ерёмина* // Физика и технические приложения волновых процессов: тез. докл. 7-ой междун. конф. 6-12 сентября 2007. - Казань. - 2007. - С. 58.

30. Ерёмина, И.Н. Индивидуальное прогнозирование ресурса электронных изделий, основанное на термоактивационных моделях деградации элементов конструкций РЭС [Текст] / И.Н. Ерёмина* // XXXIII Гагаринские чтения: тез. докл. междун. науч. конф. - М.: МАТИ. - 2007. -С. 57.

31. Ерёмина, И.Н. Энтропийный подход в вопросах надежности устройств микро- и наноэлектроники [Текст] / И.Н. Ерёмина* // IX Королевские чтения: тез. докл. Всеросс. науч. конф. с междун. уч. - Самара: СГАУ. - 2007. - С. 196.

32. Ерёмина, И.Н. Энтропийные модели надежности устройств электронной техники [Текст] / И.Н. Ерёмина* // XV Туполевские чтения: тез. докл. междун. науч. конф. - Казань: КГТУ. - 2007. - С. 38.

33.Карпов, О.В. Индивидуальное прогнозирование показателей качества микросборок методом экстраполяции [Текст] / О.В. Карпов, И.Н. Еремина* // Надежность и качество: труды междун. симпоз. -Пенза: Изд-во ПТУ. - 2005. - С.354.

34. Ерёмина, И.Н. Активационные модели процесса деградации элементов конструкций [Текст] / И.Н. Ерёмина* // Туполевские чтения: Матер, междун. молод, науч. конф. - Казань: Изд-во КГТУ. - 2005.-Том 4. -С. 15-16.

35. Ерёмина, И.Н. Индивидуальное прогнозирование долговечности микросхем [Текст] / И.Н. Ерёмина* // Надежность и качество: труды междун. симпоз. -Пенза: Изд-во ПТУ. - 2006.-Том 1. -С.279.

*- фамилия до замужества.

Подписано в печать 24.10.2013г. Тираж 100 экз. Отпечатано с готового оригинала-макета в СГАУ. 443086, Самара, Московское шоссе, 34.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)»

АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ ДЕГРАДАЦИИ И ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ БОРТОВЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

На правах рукописи

04201 451 97$

КОЗЛОВА ИРИНА НИКОЛАЕВНА

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук профессор М. Н. Пиганов

Самара 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................5

1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ И СИСТЕМАТИЗАЦИЯ ИНФОРМАЦИИ ПО ПРОГНОЗИРОВАНИЮ КАЧЕСТВА ЭЛЕМЕНТОВ БРТУ..........................14

1.1. Косвенный метод прогнозирования......................................................................14

1.2. Последовательное прогнозирование вероятностей.........................................17

1.3. Кластерный анализ......................................................................................................18

1.4. Адаптивное распознание образов..........................................................................19

1.5. Метод дискриминантных функций (МДФ)........................................................20

1.6. Классификация с оценкой значимости признаков...........................................21

1.7. Метод сравнения с прототипом..............................................................................23

1.8. Метод потенциальных функций (МПФ)..............................................................24

1.9. Метод k-ближайших соседей...................................................................................24

1.10. Алгоритмы вычисления оценок............................................................................25

1.11. Коллективы решающих правил............................................................................26

1.12. Метод нейронных сетей..........................................................................................27

1.13. Прогнозирования по кривой регрессии.............................................................29

1.14. Метод правдоподобия..............................................................................................29

1.15. Метод индивидуального прогнозирования с использованием принципов пороговой логики..........................................................................................31

1.16. Теория игр в прогнозирования РТУ....................................................................31

1.17. Метод регрессионных моделей.............................................................................32

1.18. Метод экстраполяции...............................................................................................33

1.19. Сравнительный анализ методов прогнозирования........................................36

1.20. Операторы индивидуального прогнозирования качества ЭРИ................38

1.21. Выбор методов прогнозирования........................................................................39

1.22. Краткие выводы и постановка задач...................................................................42

2. ОБЩАЯ МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПО УСТАНОВЛЕНИЮ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ ИНТЕНСИВНОСТЯМИ ПРОТЕКАНИЯ ПРОЦЕССОВ ДЕГРАДАЦИИ В ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИИ И СРОКОМ СЛУЖБЫ ИЗДЕЛИЙ..............................................................................................................45

2.1. Появление феномена "функциональный параметр" изделия как результат упорядочивания физических сред в процессе производства изделия.....................................................................................................................................45

2.2. Представление дрейфа функциональных параметров изделий твердотельной электроники в процессе эксплуатации как следствия протекания индивидуальных физико-химических процессов деградации в материалах и структурных фрагментах изделия......................................................46

2.3. Общие принципы кинетики протекания индивидуальных физико-химических процессов деградации твердотельных структур с позиции активационных моделей и представлений..................................................................52

2.4. Динамика дрейфа функциональных параметров изделия в процессе его эксплуатации с позиции активационных представлений и моделей.................57

2.5. Краткие выводы............................................................................................................57

3. МЕТОДОЛОГИЯ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕРМО АКТИВ АЦИОННОГО ПОДХОДА ПРИ АНАЛИЗЕ ДРЕЙФА ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ.......59

3.1. Постановка вопроса.....................................................................................................59

3.2. Детерминированная модель расходования ресурса.......................................61

3.3. Вероятностно-детерминированная активационная модель дрейфа функциональных параметров изделий полупроводниковой электроники......76

3.4. Краткие выводы по разделу 3.......................................................................82

4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ СРОКА СЛУЖБЫ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ НА ОСНОВЕ АКТИВ АЦИОННОЙ МОДЕЛИ ДРЕЙФА ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ......................................................................................84

4.1. Компьютерное моделирование процессов деградации элементов конструкций РЭС с помощью компьютерной программы «Моделирование

срока службы изделий электронной техники»..........................................................84

4.2. Прогнозирование сроков службы изделий наноразмерного масштаба методами вычислительного эксперимента (методом BKA)...............................101

4.3. Краткие выводы по разделу 4................................................................................117

5. РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВ КОНТРОЛЯ, МЕТОДИК ОТБРАКОВКИ И ПРОГНОЗНЫХ МОДЕЛЕЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ............119

5.1. Устройство контроля и отбраковки диодов.....................................................119

5.2. Устройство контроля и отбраковки стабилитронов.....................................123

5.3. Методика отбраковки диодов по результатам диагностического контроля.................................................................................................................................131

5.4. Разработка прогнозных моделей полупроводниковых приборов............139

5.5. Исследование других методов прогнозирования..........................................141

5.6. Краткие выводы по разделу 5................................................................................143

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ...................................................................145

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................................................147

ПРИЛОЖЕНИЯ.....................................................................................................................162

ВВЕДЕНИЕ

Одной из тенденции современного рынка электроники является повышение требований к надежности изделий. Отказы изделий космической промышленности приводят к большим финансовым затратам ввиду невозможности или дороговизны выявления и ремонта отказа, произошедшего на объекте, находящимся в космосе. К тому же, в некоторых случаях потери могут исчисляться не только деньгами, но и человеческими жизнями [1].

Важное место занимают вопросы показателей надежности систем со структурной избыточностью. Статистика показывает, что в последнее время увеличилось количество аварий, связанных с отказом бортовой аппаратуры (например, спутник «KazSat - 1»), При этом наиболее слабым звеном является электронная начинка [2].

Проблема обеспечения высокой надежности и безотказности космических аппаратов (К А) становится крайне значимой. Надежность К А в сильной степени определяется надежностью бортовых радиотехнических устройств (БРТУ).

Радиотехнические устройства космического назначения в период эксплуатации подвергаются интенсивным механическим, электрическим, тепловым, радиационным, электромагнитным и др. воздействиям. Это является одной из основным причин возникновения отказов. При этом могут возникать так называемые системные отказы, возникающие при одновременном воздействии всех или нескольких дестабилизирующих факторов. Актуальность задачи повышения надежности БРТУ связана также с увеличением требований к их функциональным возможностям и конструктивно технологическим показателям (увеличение степени интеграции, уменьшение массо-габаритных показателей).

На данном этапе широко распространена концепция повышения надежности бортовой аппаратуры, которая базируется преимущественно на повышении надежности ее элементной базы. По данным Тюлевина C.B.,

который провел анализ отказов РТУ космического назначения за 20 лет, основная доля отказов приходится на элементную базу. Им выявлены критичные электрорадиоизделия (ЭРИ) - диоды, интегральные микросхемы, стабилитроны и др. Следовательно, одним из путей решения задачи повышения надежности БРТУ является мониторинг стабильности параметров и качества работы полупроводниковых приборов и микросхем, а также отбор наиболее надежных образцов [3,4].

На ранних этапах проектирования, где закладывается та долговечность, которая будет реализована при изготовлении и обеспечена при эксплуатации, основным методом подтверждения требований электронных средств (ЭС) космических аппаратов (КА) и систем по долговечности является расчетная оценка (прогнозирование минимальной наработки) [5].

В настоящее время существует потребность увеличения сроков активного функционирования (САФ) КА. В связи с этим проблема обеспечения надежности бортовых радиотехнических устройств приобретает еще большую актуальность и значимость.

Опыт, накопленный предприятиями космической отрасли, показал, что создание КА со САФ более 8 лет затруднительно без изменения традиционного подхода к обеспечению отказоустойчивости и долговечности бортовых РТУ [6].

Одним из перспективных направлений повышения надежности бортовых РТУ является отбраковка потенциально ненадежных ЭРИ на основе диагностического контроля и индивидуального прогнозирования (ИП) основных показателей качества.

Диагностирование технического состояния радиоэлектронных устройств является неотъемлемой частью процесса их разработки, производства, испытаний и эксплуатации [7]. Существуют различные способы диагностирования РЭА, например, метод диагностирования параметрических отказов элементов [8]. За рубежом многие системы, например, на ПЛИС, имеют встроенные специализированные порты ТАР (Test Access Port), что

позволяет проводить тестирование и отладку модуля путем формирования тестовых воздействий и считывания реакции по интерфейсу JTAG [9]. Производители ПЛИС нового поколения оснастили кристаллы разнообразными программно-аппаратными механизмами для диагностирования [7]. К ним можно отнести Time Quest Timing Analyser, Signal Tap II Logic Analyser (фирма Альтера) [10].

Удобным средством решения задачи идентификации состояний исследуемой системы и протекающих в ней процессов служит искусственная нейронная сеть (ИНС), а процесс её обучения - средством хранения и уточнения соответствующих математических моделей [11].

Авторами [12] на основе данного метода разработан программный комплекс и методика обеспечения тепловой контролепригодности РТУ на этапе проектирования.

Решение задачи предотвращения отказов систем ответственного назначения в значительной степени зависит от возможности мониторинга и прогнозирования их технического состояния или остаточного ресурса [13]. Однако для многих технических объектов осуществить непрерывный контроль невозможно, а при дискретном контроле каждая оценка их фактического состояния часто связана с существенными материальными затратами. В этих случаях прогнозирование позволяет решать задачу назначения оптимальных моментов контроля, в промежутках между которыми не произойдет отказа [13].

Вопросом прогнозирования показателей качества РТУ посвящены работы Андреевой В.В., Антипова О.И., Викулина ИМ., Гаскарова Д.В., Горлова М.И., Карпова О.В., Кейджяна Г.А., Коробицына В.В., Пиганова М.Н., Сагояна A.B., Строгонова A.B., Тюлевина C.B., Фомина A.B., Workman W., Novak T., Vaccaro I., Smith I., Kato Y., Kool C.F., Mackintosh 1. и др.

Предложенные в данных работах методы, алгоритмы, модели и методики используются для прогнозирования показателей качества ограниченного

количества устройств и элементов. Для многих типов ЭРИ такие алгоритмы, модели и методики являются неэффективными.

Одной из причин низкой эффективности известных методик ИП является слабая изученность процессов деградации ЭРИ в процессе эксплуатации, отсутствие данных по детальному анализу активационных явлений, по кинетике протекания индивидуальных физико-химических процессов в фрагментах полупроводниковых структур. Это затрудняет определение и выбор наиболее информативных параметров, необходимых для разработки точных прогнозных моделей.

В связи с этим совокупность вопросов, связанных с комплексным подходом к повышению надежности БРТУ за счет отбраковки потенциально ненадежных образцов полупроводниковых ЭРИ на основе новых моделей и методик является весьма актуальной

Целью диссертационной работы является повышение надежности БРТУ за счет отбраковки потенциально ненадежных элементов на основе принципов электрофизической диагностики и индивидуального прогнозирования.

Объектом исследования является полупроводниковые приборы бортовых радиотехнических устройств космического назначения.

Предметом исследования является методы, методики, модели и алгоритмы индивидуального прогнозирования надежности и показателей качества полупроводниковых приборов БРТУ космического назначения.

Методы исследований включают аппарат математического и физического моделирования, численного анализа, теории распознавания образцов, экспертных оценок, элементы термодинамики, теории вероятностей и математической статистики.

В диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи: 1. Анализ активационных явлений в элементах радиотехники и связи, определяющих динамику процессов деградации функциональных пара-метров изделия.

2. Разработка метода определения активационных характеристик кинетического моделирования процессов деградации элементов при воздействии на изделие возмущающих факторов термического и полевого типов.

3. Разработка математической модели расходования ресурса полупроводникового изделия радиотехнического устройства космического назначе-ния и методики определения её параметров.

4. Разработка методики ИП показателей качества элементов устройств радиотехники и связи и прогнозных моделей, обеспечивающих высокую эффективность прогноза.

5. Анализ эффективности контроля и разработка методик диагностики и устройств отбраковки элементов и устройств БРТУ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 131 наименование, и приложений. Основная часть работы изложена на 161 странице машинописного текста, содержит 36 рисунков, 13 таблиц.

В первой главе рассмотрена проблема прогнозирования качества и надежности элементов БРТУ, сделан систематизированный обзор методов прогнозирования. Приведен сравнительный анализ этих методов. Описаны известные операторы (модели) прогнозирования. Сделан выбор наиболее эффективных методов индивидуального прогнозирования.

Во второй главе рассмотрена общая концепция по установлению взаимосвязи между интенсивностями протекания процессов деградации элементов конструкции космических РЭС и срокам службы изделий. Дрейф функциональных параметров элементов представлен как следствие протекания индивидуальных физико-химических процессов деградации в материалах и фрагментах изделия.

Детерминированная модель расходования ресурса полупроводникового изделия рассмотрена в третьей главе.

Определение параметров модели деградации технических параметров производится с помощью натурных моделирующих экспериментальных

исследований. Для проведения исследований берется партия элементов и принимается, что в пределах выбранной партии элементы являются идентичными с точки зрения их начальных параметров П0 и процессов деградации под воздействием возмущающих факторов.

Была также построена вероятностно-детерминированная модель. Четвертая глава посвящена прогнозированию срока службы изделий электронной техники на основе активационной модели дрейфа параметров.

Физико-технические принципы и этапы проведения анализа процессов деградации элементов конструкции РЭС представлены ниже.

Проведено компьютерное моделирование процесса деградации элементов БРТУ методом вероятностного клеточного автомата.

В пятой главе рассмотрены вопросы контроля, отбраковки и индивидуального прогнозирования полупроводниковых приборов. Предложено устройство для отбраковки диодов. Разработано устройство для отбраковки двуханодных стабилитронов. Предложена и апробирована методика отбраковки полупроводниковых приборов по результатам диагностического контроля. Она предусматривает трёхэтапную отбраковку путём сравнения ш - параметра, низкочастотного шума 11ш и взрывного шума ивзр с пороговыми значениями. В заключении указывается основные результаты и выводы. В приложениях представлены акты использования и другие материалы.

Научная новизна работы состоит в следующем.

1. Результаты анализа кинетики протекания физико-химических процессов в элементах и структурах устройств радиотехники и связи космического назначения, которые позволили разработать метод определения активационных характеристик.

2. Детерминированные и вероятностно-детерминированные математические модели �