автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Исследование и разработка методов моделирования характеристик ИМС в условиях воздействия радиации



' На пранах рукописи

ЗОЛЬНИКОВ Владимир Константинович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ Х АРАКТЕРИСТИК ИМС В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАДИАЦИИ

0!сциа.1ьы>сть 05.1 '.Л? -- Си«емы гвтсшатшашш

проектирования

АВТОРЕФЕРАТ диссертациинаомскани.; >члюй степени доктора ••ехшпеских наук

Воронеж - 1998

Работа выполнена на кафедре вычислительной техники в Воронежско) государственной лесотехнической академии

Научный консультант - д-р техн. наук, проф. Межов В.Е.

Официальные оппоненты: д-р техн. наук, проф. Кофанов Ю.Н.

д-р техн. наук, проф. Юрочкин А.Г. д-р техн. наук, проф. Горлов М.И.

Ведущая организация - Российский научно-исследовательский

институт "Электронставдарт" (г. С.- Петербург)

Защита диссертации состоится /5 ноя оря 1998 г. в 14 часов конференц-зале на заседании диссертационного совета Д063.81.02 при Ворс нежском государственном техническом университете по адресу: 39402« г.Воронеж, Московский проспект, 14

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежск ого государ ственного технического университета.

Автореферат разослан /2. О&ГПяЪря $998 г.

Ученый секретарь .»

диссертационного совета // Львович Я.Е.

ОБЩАЯ XАРАКГЕГИСЛ1 [KA РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Расширение сферы применения элементной базы в различны;. системах /ираилсш'.« i кентолч на космических летательных аппаратах, в ядернь.х эпергг'к-!ческ:Я уешк вке.х на судах, космически;, кораблях и т.п., атомных электростанциях (АЭС), для которых возможны, кроме нормального режима работы, и и ¡штатные елгуяичи, треб>ст создания полого -класса радиаиионко-сгойких ИМС.

Известные отечественные и зарубе»ные программные комплексы, системы и подсистемы лр-'дшначенвп; д;н' гптомптюировакно-о проектирования ИМС, или не позволяют г.ршизпрсвать. раСотоадоеибность ИМС л услозлях воздействия ионизирующего излучения (.ИИ), или прогнозируют ее не полностью. Это связано прежде вегго с тем, что татю САП? п: имеет пр'Облсшл-эрикгпфс-пакных подсистем с соответствующей информационной базой, математическим и программным обеспечением.

Кроме того, постоянно уточняются требования по составу и параметрам ИИ. Недавно проведенный анализ внешней дестабилизирующей обстановки реальных условий эксплуатации ИМС в космическом пространстве, на АЭС и т.п. показал, что требуется существенная корректировка параметров ИИ по спектрально-энергетическим и амплитудно-временным характеристика л». Это приводит к модификации, а в некоторых случ чч.ч и пересмотру физических vодолей, определяющих воздействие радиан:* п на ИМС,«. о зедгг к необходимости соо-ткгплвующей модификации раишчлых видон эбест.ечення САПР з части учета гшняим ИИ.

Одним из кгю ¡;i'.b:ií »том птов моди;л;к;|ции САПР í вгкг.-ся нозый подход к физической стране иуодмсск ¡ х в ИМС, Hcc.ucro»ания, проведенные в последи ;е вре.'л::, год! эгрдюн, что существу я глубока;. сгязь у ca.iv процессами, связанными с д1градс1!.и:й эжю ? эпа р дмстрс» от радиации и сстесп пенного старения. Это проявляется гн и чоцедяр чганги факгорнв космического гросгрансгеа, ддв которого характерна н-шая wr. с: маетность воздействия радиации. В существующих САПР практически отсутствуют средства моделирования, которые способны модели-ропать комплсксчле вогдейстглс гстссшсчиоп» старения цргднацин.

Следу.:т <пмс) что мискс чедекгато'шо освшцеим вопросы моделирован;« тепловых и термомеханических эффектов, характерных для рентгеновского излучения. Комплексное моделирование теп лоз ых эффектов и эффектов, связанных с процессами ионизации и необратимой деградацией шрамегров, решено не достаточно полно на уровне ф|'эиче»«»ч модолиренлчня и гш более \ ъ. математическом и программном уро.ше п cKeiewí ausгома ги зиргааыюго троектированш.

Недостаточно отработаны методы проектирования на схемотехническом уровне БИС м СБИС, уч1гыягю,цн<. протчхы радияционнсю воздействия и естественного старения. Это связано, с <>дц.;й стороны, с увеличением тиела компонентов систем и функциональных связей между ними, а с другой стороны, с постоянным уточнением характеристик радиационного воздействия. В этой связи следует отметить то, что увеличение степени интеграции и функциональной сложности ИМС поставило задачу совершенствования технических средств проектирования.

Проектирование ИС на функционально-логическом уровне также требует своего решения в части учета необратимых эффектов радиации и переходных эффектов. В

настоящее время для этой цели применяются различные подходы, но они не учитывают комплексного характера изменений характеристик логических параметров, вызванных различными процессами деградации.

Таким образом, дня создания радиационно-сгойких ИМС в области теории и разработки САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали комплексного подхода к их развитию, начиная от совершенствования технических средств и физических моделей процеосов и заканчивая математическим обеспечением и программной реализацией.

Цель работы: создание и исследование автоматизированной подсистемы моделирования ИМС при их эксплуатации в полях ионизирующего излучения, которая обеспечивает комплексный подход к радиационному воздействию и учитывает последние требования в части характеристик воздействия ИИ. Эта подсистема должна прогнозировать показатели радиационной стойкости и параметрической надежности в различных режимах эксплуатации и проводить анализ работоспособности ИМС в условиях воздействия радиации.

Для решения поставленной цели должны быть решены следующие основные задачи: формирование методологии единого системного подхода при прогнозировании работоспособности ИМС в условиях ИИ;

разработка моделей физических процессов, происходящих в конструкции ИЭТ при воздействии ИИ с сильной степенью поглощения (рентгеновское излучение), которые учитывают изменение тепловых и термомеханических процессов во времени и в зависимости от габаритных размеров конструкции;

разработка модели деградации электропараметров ИМС при воздействии статических видов ИИ с учетом мощности дозы, температуры среды и режима работы ИМС;

разработка моделей активных компонентов биполярных ИМС, которые зависят от конструктивно-технологических особенностей исполнения, режимов работы ИМС, спектрально-энергетических и амплитудно-временных характеристик гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений с учетом последних требований к параметрам воздействующей радиации;

разработка алгоритмов и программного обеспечения для моделирования реакции ИМС на импульсное ИИ;

разработка алгоритмов и программного обеспечения, позволяющих моделировать тепловые и термомеханические процессы, происходящие в конструкция ИЭТ при импульсном ИИ;

разработка алгоритмов и программного обеспечения, позволяющих моделировать поведение электропараметров ИМС к статическим видам ИИ;

разработка программного и информационного обеспечения для комплексного автоматизированного моделирования работоспособности ИМС в составе САПР;

разработка АРМ для проектирования ИМС в условиях, воздействия ИИ и интеграция программно-технического комплекса в состав автоматизированных средств сквозного проектирования.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы физические методы исследования поведения ИМС в условиях ИИ, элементы теории системного анализа, методы вычислительной математики, структурного и системного программирования, теории цепей, методы теории графов, а также новые информационные технологии.

На защиту выносятся следующие основные изуч.ше положения:

1. Методология единого системного подхода при прогнозировании поведения ИМС в условиях »оздейстзаа ИИ, осно шиш на комплексном подходе < процессам: энерговыдезения взаимотейстия процессе v естественного старения и радиационной деградации. Разработка методики поэтапного подхода к прогнозированию поведения ИМС в услогшя'х ИИ

2. Модели тепловых и т сдшомеханмческих процесс«»», происходящих в конструкции ИЭТ при вучействии V И с сильней степенью потопления (рентгеновское излучение), ксториг "ч.чтизак.т .'пменжие чарг-ггера этих п/сцесгов по времени и в зависимости от габаритных размеров конструкции, а также возможность определения температуры ахташплх компзпжоа в ;лсбип шмеш а*смени дня моделирования работоспособности КМ С нл схгмотсАШьссксм уровне.

3. Модель деградации злектропараметроп ИМС при воздействии статических видов ИИ с учетом мощности дозы, температуры среды и -режима работы ИМС, а также взаимного влияни я п роцессэи деградаци л от радиации и естественного старения.

4. Модель активных компонентой биполярных ИМС и макромодель выходного биполярного элемента цифровых логических ИМС ТТЛ и 'ГТЛШ, определяющие работоспособность в полях ИИ, учитывающие конструктивно-технологические особенности исполнения, режимы работы ИМС, спеетрально-энергетич'хкие и амплитудно-временные характеристики 131-;, вкяючг.» iiccr-rwc т£>С;.',>иил-и-я >: параметрам радиыш*.

5. АлП'р]/гмкч:ч:м|е пр >га\Я)('и и 'ipoiрамучоепйчеттшп: автоматизированного опредеяЕняя по«сазчте!сй croíit.ocrw и iivumchocth. а га», ж; ах зависимостей от ам-плитудно-вргмешшх v. отгоральги-чнергеiнчсских x.ipiKT-'p.ici и* ИИ.

6. Шдсисг*»ш ьн>лс1-цшнзн11Я харагпгрдеык ИМ С, примгяяемих в полях ИИ, которая об'.'слешшае; комн. екш |й пдрдод к радиамюнноч) воздействие и учитывает последни г трсбоЕ эния и ч -KTti х.чрак 1еристик воздействии ЛИ.

Научная wsnma состоит в ся-туоцж

1. Разлита методология единого системного подхода при прогнозировании поведения ИМС в условиях ИИ, которая использует предложенные принципы: единства

процессов эдетюиь'дяючря р.ти.ины:. знк>* ИИ и единства рассмотрении процессов дмрэдати- ИМС о ; «сгот-енкогп сгараня и радиащы с учетом зависимости от широкого набора входных воздействий, включая радиационное воздействие, состоящее из нескольких вндоз ИИ, разнесенных но времени.

2. Разработаны модели физичесчих процессов, происходящих в конструкции ИЭТ при вс>зде{чпвии ИИ с еиль'ий citneitwo пеглощеннк (рситшювжое излучение), которые тяюиюкя учетам дга-.лмвк t тепловых и термомеханических процессов и меисимост ью термоме»аьпческ! ч о г?пряжен»; от габаритных размеров конструкции, а также возможное ш i определения гемпературь нит^вньн элементов в любой момент времени.

3. Разработана модель деградации электропараметров ИМС при воздействии статических видов ИИ, в которой предложен принцип учета мощности дозы, температуры среды и режима работы ИМС. включая взаимодействие процессов естественного старения и деградации электропараметров от радиации.

4. Разработаны модели активных компонентов биполярных ИМС и предложена макромодель выходного биполярного элемента цифровых логических ИМС ТТЛ и

TTJIIII, отличающиеся не только учетом конструктивно-технологических особенностей исполнения и режимов работы ИМС, но и влиянием спектрально-энергетических и амплитудно-временных характеристик ИИ на показатели стойкости, включая последние требования к характеристикам воздействующей радиации.

5. Разработаны алгоритмы для прогнозирования поведения ИМС в условиях ИИ и программное обеспечение автоматизированного определения показателей стойкости и надежности, а также их зависимостей от амплитудно-временных и спектрально-энергетических характеристик ИИ.

6. Модифицированы технические средства и создана подсистема САПР для анализа и проектирования радиационно-стойких ИМС.

Практическая ценность раб оты.

Разработанный комплекс методов, алгоритмов и созданная автоматизированная подсистема позволяют существенно расширить класс решаемых прикладных задач по радиационной стойкости ИМС. Основной практический вывод диссертационной работы заключается в создании единой методологии анализа радиационной стойкости ИМС при воздействии различных видов ИИ и разработке на ее основе инструментария для заказчиков и инженеров служб, отвечающих за радиационную стойкость ИМС.

Методы, алгоритмы и комплексы программ, взаимодействующих в автоматизированной подсистеме, разработанные в диссертации, внедрены на ряде предприятий, выпущены отраслевые руководящие материалы (РМ) и руководящие документы (РД), которые позволяют не только определить показатели стойкости ИМС, но и проектировать радиационно-стойкие ИМС. Использование этих методов дает ценную информацию по анализу поведения компонентов ИМС в условиях ИИ, которую практически невозможно получить в эксперименте.

Данная подсистема моделирования более адекватно отражает реакцию ИМС на ИИ, так как в нее включены уточненные характеристики ИИ и физические модели, которые наиболее точно соответствуют реальным процессам. Внедрение этих методов позволило разработать ряд новых серий ИМС, обладающих повышенной радиационной стойкостью, в НИИ электронной техники.

Реализация и внедрение результатов работы.

Представленные в диссертации исследования являются результатом научной работы, проведенной на ряде научно-исследовательских институтов, предприятий и организаций (НИИ электронной техники, Воронежском заводе полупроводниковых приборов, НИИ приборов, Нововоронежской атомной станции, Ужгородском государственном университете, Ташкентском институте ядерной физики и др.). Работы выполнялись в рамках более чем 80 научно-исследовательских работ, выполняемых по заказам Министерства электронной промышленности. Реализацию данной работы также можно представить двумя направлениями: первое связано с определением показателей стойкости, второе, - с разработкой радиационно-стойких ИМС.

Результаты проведенных исследований по первому направлению позволили разработать ряд методик для прогнозирования стойкости и параметрической надежности биполярных ИМС. Данные методики согласованы с НИИ приборов, утверждены РНИИ "Электронстандарт" и внедрены в НПО "Электроника". Кроме того, разработана типовая методика испытаний и оценки стойкости ИМС биполярного технологического исполнения, которая конкретизирует госстандарт в части определения показателей стойкости.

Расчетные значения показателей стойкости наш пи отражение и отраагаюм справочнике.

Исследования, связанны:*. с проектированием ргдиадиснно-стойких ИМС, применялись в НИИ электронной техники, пчи разработке ряда серий биполярных ИМС - 1 50:5, 1504, Б150-, Б15С4, ¡Ж:, 1:04, ¡Ю", bcíto сотге IOC -тилоночиналов. Основные рекомендации и гдовида создания радшщиошю-стоКме. ИМС нашли отражение в ряде РД, выпущенных как НЛО "Э.'кгстрннина", так и отрастю в целом.

Кром«: того, научныедоу.иляты рг.богы >ii0i<04tвы и мл одическое пособие "Методы прогнозирования и оценки стойкости и надежности изделий ппалротюй техппт в условиях .злигелького НИИ", и'цан-¡о.: J'-Hk'Sl "Э.чгхтронсгэцдьрг".

Апробацш ¡ш)0ыы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и совещаниях по выполнению более тем 6С 1ШР н ОКР а РП11Й 'Элемронсганлар!в НИИ'П и на предприятиях электронной промышленности за период с 1985 по 1998 год.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах, в том числе: на И межотраслевой научно-технической конференции "Влияние кизкоинтсискпнмх пчдучешш юсмическсго пространства и атомных станций на элементы и устройства радиоэлектроники и электротехники" (199бг); на П1 межотраслевой научно-технической конференции "Влияние иизкоинтенсивных излучений космического пространства и атомных станций на элементы и устройства радиоэлектроники к хккгротелнтки" <1997). на Fccc :Г;гхог кг.пференцш "Радиационная стойкость электронны*: ,'.i:cicm (Сюйюсть 9.'!)' 099;!); Мсхду-кродмой научно-технической конференции 'Актуаяьчьч: проблемы анализа н абезжшня надежности и качества яр сборов, у< грейав (( си'-й'.'м'1 (Я« {.за, 1')98 • на 5-й Hayn з-техни'-секой кг н|>еренцы! в Институте ртлиочечаронл» (Вориих, ?); на XXXV отчетной научной конференции I) ЗГТЛ I ¡iopiiHc:-!, 19'в).

Публикации ,!>«y.'inmxw pafaimr. tío гене ¿iicccinai««» опубликовано 47 печатных рмбог, р. tov числе илш ра<}».я "С«т«.'ма прося пролиим биполярных радиаци-оннэ-стойких ИМС ".

Структура п объем диссертация. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключен!1 я, ¿nm:a mm'p.v> >рм i- Брошкам*. M;-..:'cpua.i дисссртации изложен на ?.48 стргнигд вкпгчая ил.т эпрыиинь й ьппфиал.

СОДЕРЖА.!!!® РАБОТЫ

Во 1юсд1'пия к дисог^г.ишк оаосиовгна иктуапулоль темы диссертационной работы, формулируются цель, научная новизна, практическая значимость полученных результатов лреьодягся о.'.-ншпне положения, ышолише на защиту, излагается краткое содержиши глав лигеютзции

В первой глапе диссертационной работы рассмотрены физические процессы, возникающие в микросхемах при эксплуатации в полях ионизирующего излучения, классифицированы эффекты, наблюдаемые в ИМС, и определена методология единого системного подхода при прогнозировании показателей радиационной стойкости.

Эта методология заключается в следующем:

1. Единый физический механизм рассмотрения знерговы.целения при воздейст-

вии на ИМС радиации.

Все многообразие процессов, происходящих в биполярных ИМС, зависит от различных характеристик ИИ. Однако, если эти процессы рассматривать в зависимости от механизма энерговыделения, который определяется параметрами источника излучения и свойствами материала, то можно получить физически связанный единый механизм. В качестве параметров ИИ необходимо выбрать поглощенную дозу и мощность поглощенной дозы. В зависимости от вида излучения они будут рассчитываться по определенным соотношениям, которые учитывают спектральный состав, временные характеристики и т.п. Это позволит все многообразие видов ИИ свести к ограниченному набору входных характеристик - доза и мощность дозы, соответствующие определенному виду излучения, спектра льш-энгргетическис и амплитудно-временные характеристики.

2. Единый комплексный характер моделирования процессов деградации ИМС под действием радиации и естественного старения.

Воздействие на ИС ионизирующего излучения малой мощности приводит к тому, что наряду с процессами деградации электропараметров от облучения присутствуют процессы естественного старения. Совместное воздействие радиации и естественного старения изменяет надежность и радиационную стойкость изделий. Важной особенностью является и то, что влияние этих процессов друг на друга не адднтивно. Экспериментальные исследования показали, что уменьшение мощности воздействия ИИ приводит к тому, что увеличивается вклад в деградацию электропараметров от процессов естественного старения. Дальнейшее уменьшение мощности приводит к тому, что деградация электропараметров происходит только за счет процессов естественного старения. Существующие модели и средства программирования оценивали стойкость ИМС или показатели надежности, т.е. "работали" в областях, где доминировало влияние только радиации или только процессов естественного старения. В данной работе исследуется и область, где эти процессы присутствуют совместно, что соответствует реальным условиям космического пространства.

Радиационное воздействие также можег носить комплексный характер и состоять из нескольких видов воздействия, разнесенных во времени. Для оценки радиационного воздействия от комплекса видов ИИ предусмотрено определение функции дозы или мощности дозы, зависящей от времени и учитывающей все амплитудно-временные и спектрально-энергетические характеристики ИИ.

Кроме того, предусмотрено и моделирование влияния температуры среды и режима работы ИС на показатели стойкости и надежности.

3. Выработка поэтапного подхода к проектированию радиационно-сгойких ИМС.

Принципы поэтапного подхода к проектированию ИМС:

На первом этапе анализируются особенности изготовления и условия эксплуатации ИС, в результате чего ИС разбивается на библиотечные компоненты и обусловливаются связи между ними.

На втором этапе проводится оценка факторов внешней дестабилизирующей обстановки для каждого элемента ИС (при этом учитываются условия неоднородности полей ИИ) и строятся функции воздействующих факторов.

На третьем этапе определяется выбор разброса технологических параметров на основании статистических испытаний серии компонентов. Выбор параметров осуще-

ствляется для намучшего, наихудшего и наиболее вероятного сочетания значений параметров элементоп по крнтер-по радиационной стойкости.

На четвертом отапс прмгиччвпея миделированиг поведения ИС к условиях ИИ и определяй ito. цеказатзлл радиационном стойкости. Полученные результаты являются прогнозируемыми значениями радиационной стойкости и могут быть использованы как окончательные ;>аультвты лиЛо как точные даьные для обоснования дальнейшего поиска друп-'.х ра г. с ациоино-ci ойких. ИС или использования схемотехнических, кспструьтти ix «подов печыиения радиационной стойкости устройств.

4. Со .адат« нового ic.ni.rrpy ствио-технодоппгског«) базиса для разработки ра-диационно-сюйких. ИМ С.

На основе анализа экспго^ентйиьн'л* и расеттых дшшж по реакции 1ШС к 1ГЛ были шзрапотоны ©счп»чь»е теу.нол^гм^егки:, конструктивные л схемотехнические методы дли разработки радиационно-сгойких И '.1С , которые вошли составной частью в отраслевой РМ по проектированию радиациснностонких ИМС,

Вторая глава посвящена моделированию тепловых и термомеханических эффектов. В представленной диссертационной работе классический подход к этим явлениям получил дальнейшее развитие.

По тепловым эффектам

Тепловые эффекты рассматриваются с учетом перераспределения температуры между слоями. При 3! ом оцеишкиягя чем ерат/ра ^-нокыя элеиентоз кристалла ИМС не только нелосрезстип по после вгсы '^сгши-, но a ai»m n¡>:oT<:ip;s гремя после импульса. Данное предаь»л;'1',1н: и-люлилс c.ipenei.rn, .-змечепие геыперптуры аотияных элементов кри-сгаша во вжмени к опрсг«л ia эр емгь.^ю /ог.ч;рю ра<>/рхга¡собности.

По Тч'рмомс.ипшчс ti*:i'!ii эффектам

Тгрючеш-ишски: з Эдектм paceiu/rp.ma отс.м с учете« динамическою перераспределения темперагур и гаЗарнгныг. размерам изделия. Такой подход позволил определить ялиг.гпс "абарчт! 1ь;>; размера» слоев на напри кения, которые возникают между ними и в рлде случим определяю! ря ¡рушение шиярукщи.

Для реализации вышеуказанного аспекта рассмотрения тепловых и термомеха-ническик •|ффект'№ ичторои б»и:и пре.що.чгны модгш:

1. Модель кгрера« прицепе» и» кила а ст.))кт\ре -пдела», представляющая собой однослойную одномерную модель (многослойная структура с реальной шириной заменяется на однослойную с приведенной шириной, равной реальной, умноженной на коэффициент, учитывающий различие в тепло физических константах).

2. Динамич-;скмя ;U)"iep-i.:n модель нппряже-шй, возникающих в результате теплового. расшщ (.'¡-а- !.. :нк-'«с.П'1з i.imcrpyKuw изделия, дгя чего многослойная структура заменяете? чз совокупгпстъ плоскостей, прсдстаиляющь'Х набор материалов с различными физическими ко» eratirí ми.

Так как поглощенная доза дает начало всем физико-химическим преобразованиям в конструкции ИМС, вначале определяют дозу каздого слоя. При этом в отличие от общепринятого подхода доза определяется не как средняя неличина по слою, а через определенный шаг квантования по толщине слоя. Выбор шага квантования определяется свойствами слоя и воздействующего излучения.

Процессы, связанные с тепловыми эффектами, происходящие в конструкции изделий, можно разделить на две независимые фазы:

мгновенный разогрев, вызванный поглощением лучистой энергии рентгеновского излучения материалами изделия, который достигает максимального значения непосредственно последействия импульса;

перераспределение первоначального профиля температур между слоями, которое обычно приводит к увеличению температуры кристалла.

В предыдущих работах рассматривалась только первая фаза этого процесса, в настоящей диссертации рассматривается также и вторая фаза. Для этого необходимо решить нестационарное уравнение теплопроводности

ср^- = |Ну^га<1(;еТ)) (1)

ш

с граничными условиями на границах раздела структурных слоев и условий теплоне-реноса на внешних границах многослойной структуры с окружающей средой

гиг,

0(Ь)

дх

~а1(Г<)(Тср Тд^)),

(2)

где % ~ коэффициент теплопроводности; с - теплоемкость; р - плотность; Т -температура; I - время; ацм)- коэффициент теплопередачи; Тср - температура среды; То(ц - температура внешних слоев на границе раздела со средой.

Решение данного уравнения осуществляется с помощью предложенной автором модели - многослойную структуру, состоящую из N слоев, сводят к задаче для одного слоя со сложными начальными и граничными условиями. Для этого коэффициент температуропроводности всех слоев приравнивается к коэффициенту температуропо-водности кремния, а их толщины, кроме кремния, изменяются таким образом, чтобы сохранились неизменными значения обоих типов тепловых сопротивлений этих слоев: температурного Ят = Ь / Ь и теплоемкостного Яс = с р Ь, где Ь - толщина слоя; Ь - толщина структуры.

Полученная задача со сложными начальными условиями решается с помощью

принципа суперпозиции. При этом сложный начальный профиль распределения температур (рис.1 а) заменяется на сумму простых,

Рис. 1. Разложение сложного начального профиля распределения имеющих аиали" температур (а) на сумму относительно простых (б), имеющих тическое решение аналитическое решение ' (рис.1 б). Решение

исходной задачи в этом случае является суммой решений более простых задач. Граничные условия основной задачи включаются в первую задачу разложения, а остальные решаются при нулевой температуре среды (Тср = О °С).

Для первой задачи темгература в каждой то<-ке (рис.1 <>): Г" =Т,т *(Т, ■ r,T)-G(r|) IL"!^ |?..')(п-П) + :: 0(ti-1) + G(t| + 2) ~0(il-2)], (3)

где

()(£,) ==:! - (.Tic -4= -!- eric • {......^ Bi »1 ■ e.vp! В -t ■

2 v'Fo 2-,'JFu 4''

'4 принимает чнелкл.кй ц; ц + 1; iy-t; i]+2; г •?..

Щ,-.----- ; T|~x/L; Fo=— ;

г l

a - коэффициент .;;;Г;лспро1!>,Д|10с; п; L - юлщина сфук урм; x - координата; т - время; Тер - температура среды; Ti - температура первого слоя. Для остальных задач (рис.! б)

Т№) - Jji_L.ij. -[OOi'-n-iJj1) 3(n'-i]o}) ~ö(Il'+rli)) MbOOr-C-l)]-

(4)

- -Ч,— • [oOi'+по'>+o(Ti'~Tio>)_ е(ч'+V<>2> +1) -- ow-V«' -1)1

Температура в каждой точке структуры в любой момент времени определяется

как сумм) гочучлтьк л»><а >ьн >i». rewipa' ур

I' = V 'I , ¡5)

М - число с. к ct.; '1-, - Iсм пера;) p;i ; -то. .> а>и.

Роиен.1С дм лип к|>ае.ч>и з i мчи с ncpepjcrip, дс кт i и гейта в многослойной структуре ( 0130 и-г с'ф.-л.с.шп, темпе:аг\ ?у в :кЛЫ\ ючке структурь; в тобой мо-м;н)' врсме е.

Тсрмемсхаж-ч>;скт*1 >[vkt мо'жп з •цад.гшчпь гремя фазами: возникновение напряжений сжатия в каждом конструктивном: элементе изделия; генерации упругих ночи обпастгш!, с которых -и.пг* «емне сжатия достигает машш&шюй вемгт.ш, с ;;:ч:.ге,л,гкзш< й ин^рф'.рсн.чи.ч};

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

Ранее существующий подсол рассматривал все эти три фазы. Однако оценка напряжений чехлу слоями I.'1: 1сгр\кции ркои up шй.к.с- умета ¡аслрмтшлх размеров слое» и нрснг.-со» иерерсспре/кч;ы!.ч имлср^.ур с целый определения максимального напряжения (i.e. напряжение между словму рассматривалось непосредственно пс<ле импульса). Чтором »радго*:н подчод, ю. горый обеспечивает учет габаритных pa iMcpoe. .1 lahwi дннзицку нроагсеев вогпкневенпя напряжении, что позволяет оценивать их в момент времени, когда они достигают максимальных значений.

Для учел-а габаритных размеров и процессов перераспределения тепла предложена модель, в которой реальная конструкция изделия заменяется на плоскости, рассекающие изделие таким образом, чтобы они содержали принципиально ненадежные узлы с тачки зрении соотношения габаритных размеров. Как правило, для ИМС такие сечения направлены по глубине структуры крииалл - прокладка -основание.

Динамическое рассмотрение задачи заключалось в анализе процессов перераспределения температур и определении момента времени, когда процессы расширения материалов достигают своего максимального значения и еще не происходит выравнивания температурного поля внутри структуры. Время, необходимое для расширения одного слоя, можно в первом приближении оценить по формуле Ь/Узв.

Для учета габаритных размеров при вычислении напряжения необходимо решить уравнения теории упругости для многосвязной области.

Каждый слой характеризуется набором параметров, которые в общем случае зависят от температуры: а(Т) - температурный коэффициент расширения (ТКПР); Е(Т) - модуль Юнга; у(Т) - коэффициент Пуассона; О(Т) - модуль сдвига; Т - температура. Численные значения этих констант определяют при решении уравнения теплопроводности для момента времени, когда напряжения достигают максимальной величины. Решение задачи возможно при решении самосопряженного уравнения четвертого порядка в конечных разностях с переменными коэффициентами Еу, уц, О у и шагами Ы, -д в каждом узле ¡о, на которые разбивается пластина: 4+2И+2

¡=1,2,-...М; г!,2,. .„К; (6)

т-1+21=1+2

Е Ъ

т=|-21—1—2

1 Г «и» -АТ„и - «и -АТи

+

Ь, ^ ь, ь,.,

1 («и+,-ДТи+1-аи -дтц а и • ДТЦ - а и_, • Л1

Уравнение (6) решается относительно ф методом сеток. При этом граничными условиями в состоянии равновесия является:

ср|г=0 , ^ =0 • О

да г

Напряжение в точках ц рассчитывается по формулам: . (ф«+. ~Ф;| Фа-Фч-Л 1

') 'Ы ) ч

Ф.+Ц-Ф|| Фч-Ф^.Л ^ ; (8)

Ь,

3 (а'ф=ф||>1-ф1+1и~ф|[+ф|+ч Л

ь>х1 Ч'

Критерием катастрофического отказа является превышение прочностных или температурных предельных значений материалов, необходимых для их разрушения или расплавления.

Основные этапы разработанного алгоритма определения стойкости по тепловым и термомеханическим эффектам приведены на рис.2.

Ценность предложенных моделей состоит в том, что они повысили адекватность расчета, т.е. результаты расчета позволили объяснить некоторые экспериментальные факты разрушения конструкции ИМС и временную потерю работоспособности ИМС,

которые не учить»слиа. в хяаисич'лкой модели.

Оирцпткягс до»ы дли каждого слоя Анализ «руугур* КМС л определен»» шага, Д1Я расчета дозы

Расчет дозы для каждого с по в ь квантован яьи. точках

Расчет начального пробил гомлера тур Температура определяется в точках,

п кс горы-. рассчитмпгетс1 доза)

Расчет динамического поля температур

1. Перерасчет многослойной задачи к однослойной со сложным начальным

грофч.т;м тсл'-гргтур

2. Определение шага по времени (нзхождениг интервала времени, который

определяет временные точки дхя определения поля температур)

3. Ог'ределение температуры в каждой временной течке

4. Перерасчет однослойной задачи к многослойной и определение профиля температур для реальной структуры -------- .г

1 Ра /чет зависимости температуры от •¿ремечи дня апиннпх элемент©з ММС

[....................................Р.<|1ет ВПР___________

Рг.(Ч'.т герчпм;. хани ческ IV ;;фф1'ккш

I. Расчет и11{>я>г:!я <:>;, уяп Д1я одн-шерпоИ л но'осло "ней модели и нривг.ж.1 на |'сло!нг рачруг.ишя мат,:р.(ала

Определенно моменте ярем.; дтя к>>горого i-w.ee -ш- ывакпея напряхения, вызванные расширением материалов

2. Расчег иперфереи упруги:1', вели и проверка н 1 условие разрулегия

\ атс:рнала

Расчет расширения материалов для найденного момента времени

3. Определение напряжения иакву слоями для одномерной «одели и проверка успоюм ш от;>ьге слоев между собоГг

4. Опрел ; л гни г I1; п| стен.« меяду сисям-« для мздемн, я редставл яющей собой нлосхосггм, ¡1 проверка условия на отрыв слоев между собой

Определение т.чкнич напряжения, привод* щего к разрушению [ Расчет предельной дозы [

Рис. 2. Основные этапы алгоритма расчета тепловых термомеханических эффектов

В третьей главе представлено моделирование реакции ИМС на воздействие статических сидоп излучения, включая малую мощность воздействия. Автором пред-

ложена модель аллроксимащюшюго типа, учитывающая специфичность процессов, возникающих в ИМС при малых мощностях дозы с учетом температуры окружающей среды и электрического режима эксплуатации.

При исследовании радиационной стойкости оценивается изменение электропараметров от дозы воздействия. Критерием отказа является выход электропараметра за норму ТУ. В данной работе рассматриваются постепенные (дрейфовые) отказы изделий, или параметрическая надежность. Таким образом, областью определения данной модели является радиационная стойкость и параметрическая надежность.

Специфика воздействия статического излучения низкой мощности заключается б том, что характеристическое время термического освобождения захваченных дырок и ловушек соизмеримо со временем облучения в диапазоне мощностей дозы Р = (0.01100) Р/с. Поэтому в этом диапазоне вышеуказанные параметры будут зависеть от мощности дозы. Электрический режим в процессе облучения влияет на миграцию электронов и дырок, кинетику захвата дырок ловушками, что в конечном итоге сказывается на деградации электропараметров.

Модельное представление воздействия статических видов ИИ малой мощности на характеристики надежности ИС должно содержать в деградационной части параметра - критерия годности (ПКГ) - три слагаемых: изменение ПКГ под действием естественного старения, изменение ПКГ под действием радиационной деградации и изменение ПКГ под действием неаддитивности этих процессов. В качестве параметра-критерия годности были выбраны максимальный выходной ток низкого уровня, выходное напряжение низкого уровня и выходное напряжение высокого уровня, и строилась математическая модель аппроксимационного характера.

Сущность ее заключается в том, что строится уравнение, описывающее изменение среднего значения ПКГ (с учетом среднеквадратичного отклонения) от времени (причем в это уравнение неявно входит доза воздействия). Определение изменения среднего значения (нахождение функциональной зависимости от дозы, мощности, температуры и электрического режима) проводится с использованием аппроксимирующих выражений, содержащих параметры аппроксимации. Среднеквадратическое отклонение вычисляется стандартным образом. Таким образом, кроме средних значений параметров аппроксимации модели, рассчитываются среднеквадратические отклонения параметров аппроксимации, по которым и оценивается параметрический ресурс изделия по гамма-процентной доверительной границе.

Из менение ПКГ с учетом разброса параметров определяется по предложен ной формуле:

Т

У = (Уо + ко,) + (Уоб + ка2) • Кш + (Уоб + ко2) • (1 - ехр(—-))

+ (Уст + каэ) + Ку • (Уоб + ка2) ■ (Уст + ка3) , (9)

где У - общее изменение электропараметра; Уо - начальное значение параметра; Уст - изменение электропараметра вследствие старения; Уоб - изменение электропараметра вследствие облучения; Кт - коэффициент, учитывающий изменения вследствие различной мощности воздействия; Т - температура среды; I - время; Ку - коэффициент, учитывающий взаимное влияние процессов старения и "облучения"; а|, аг, оз -среднеквадратичные отклонения параметра (сл - отклонения для начального значения ПКГ, сг2 - отклонения ПКГ при испытании на гамма-излучение высокой мощности,

аз - отклонения ПКГ вследствие старени.я-1; к - толграншый множитель. Причем знаки к<Т|, ког, коз определяются нормой ТУ. Баги норма ТУ ограничивает ПКГ сверху, они имеют положительный зла*, а 'х::п снизу - то офицатольный.

Таким образом, гамеисш г ПКГ складывается к» изменения от облучения при нормальной температуре (второй член уравнении), учета повышенной температуры среды (третий член уравнении), изменение вследствие ста]:гния при различной температуре (четвертый член уравнения). Учет взаимного или «кия процессов старения и облучения осущесгалчегся гши 1м членом}равнения.

Среднекмдрагичгские отклонения п фаметро», входящих в математические модели параметров - критериев годности, рассчитываются по результатам испытаний и описываются извест«ой формулой:

где Х^Ср - среднее значение параметров аппроксимации,] характеризует вид параметра аппроксимации модели; Х^ - значение параметра аппроксимации, для которого расчетная точка модели совпадает с экспериментальной для каждой ИС.

Другими словами, для каждой ИС определяются параметры аппроксимации модели, характеризующие поведение электропараметра по всем диапазоне доз или времени испытаний. Таким обр.т.ом, рпхучпгт<м случайный набор значении параметров аппроксимации (вектор падоилрэв! яри зязанных к конкретной ИС. Каждая из компонент вектора параметров ст «бразда к обр:«иу носит случайны», характер, поэтому будет описываться статисшчикими срщш.*. и стандарты л отклонением, которые необходимы для рг.счега покя'атеяг стойкости и надежности.

Дпя разработка, данного "лете/и были проведены как теоретические (анализ литературных дпяиыч), так и 'ч;< ¡л-риыягга/лнш иссюдонг ¡ия. Экспериментальные исследования проводились на ИС серии 530 с тестовыми cipjKiypai.su, а также на ИС серий ¡34, 100, ]Ь04. Круме того, определений деградации элехтроларамет-ров от естественного старения использованы результаты, полученные на НПО "Электроника' в течете боже 20 лет работы бодге чом по 200 "ипонс ччналгм И С различного киис1р>сти1МО-т<» ¡шло/ не» ого ченомитгя.

Аппроксимируя результаты экспериментальных исследований, установлено: Изменение среднего значение электропараметров описывгется формулой вида

где U о - начальное таченис улектрош^амсгра Uol (до облучения); Uol - значение электоопарзмглра l'oi при облучен»»- дозм! I); D - до«; M, А2 - параметры аппроксимации; 1о - начальное знз-ю'шс элекгропараметра loi. (до о-Злучекия); îol - значение электропараметра loi. при облучении дозой D; В1 - парамеггр аппроксимации.

Для прогнозирования деградации электропарамегров ИС' вследствие старения целесообразно использовать аппроксимационную зависимость. Аррениуса изменения параметра от времени. Тогда по результатам испытаний на надежность рассчитывают деградацию электропарамегров вследствие старения по формуле

N

(10)

Uni -Uo+Al'D-exp ( 42-Р).

L >l. " ! / (В!-О -H/lo),

(12)

и = 11о + Со -ехр(--^-), (13)

к-Г

где Со, С), Сг - параметры модели; к - постоянная Больцмана; Т - температура; I - время; ЪГо - начальное значение параметров 1Лоь и 1оС, и - значение параметров Ь'оь и 1оь по истечении времени 1. Кроме того, определены Кт и Ку из экспериментальных данных в зависимости от мощности воздействия.

Таким образом, получены уравнения, связывающие соответственно изменение среднего значения электропараметра и гамма-процентной доверительной границы ПКГ от времени и дозы. Эти уравнения сводятся к уравнению относительно только времени или только дозы с помощью соотношения 1 = Ц/М. Решение этих уравнений относительно времени определяет показатели надежности, а решение относительно дозы определяет показатели стойкости. В качестве показателей стойкости определяется доза отказа, при достижении которой гамма-процентный квантиль изделий по выбранному параметру - критерию годности превышает норму ТУ. В качестве показателей надежности ИС используются средний ресурс и гамма-процентный ресурс.

Основные этапы предложенного алгоритма определения показателей стойкости и надежности следующие:

1. Определение условий эксплуатации ИМС. Определение ПКГ.

2. Выбор необходимых значений параметров аппроксимации для каждого ПКГ из базы данных.

3. Если данные отсутствуют, то выбираются параметры подобных ИМС, сходных по технологии, схемотехнике и конструкции, или проводятся испытания ИМС на долговечность (ускоренные) и на воздействия ИИ (при этом проводятся также испытания в режиме "облучение-отжиг").

4.Составляется основное уравнение ПКГ от дозы и времени, которое приводится к виду, зависящему только от времени или дозы.

5. В соответствии с заданными доверительными границами рассчитываются среднеквадратичные отклонения.

6. Полученное уравнение решается относительно времени или дозы, из которых рассчитываются показатели стойкости и параметрической надежности.

Использование полученных моделей и разработанного алгоритма позволило провести моделирование в области малой мощности воздействия и учесть взаимодействие процессов деградации от радиации и естественного старения, которых не рассматривали ранее.

Четвертая глава посвящена моделированию переходных процессов в цифровых биполярных ИМС. Для прогнозирования работоспособности ИС по этим эффектам автором разработаны два подхода.

Первый связан с оперативным получением результатов прогнозирования и использует макромоделирование, а также результаты испытаний. Он опирается на предложенную автором модель. Основа ее состоит в том, что ИМС заменяется на макромодель, состоящую из выходного каскада (главной частью которого является выходной транзистор) и макрофрагмента, представляющего входные и внутренние блоки ИМС. Область применения этой модели - ИМС малой и средней степени интеграции.

Второй связан с более точным прогнозированием. Смысл его заключается в том,

что оценка стойкости производите« с ломоцыо стандартного расчета выходных электропараметров в структуре САПР, в которой в качестве библиотечных элементов ис-

поы-:.уются vc.vjí.i бипог.ярпы ; гран мто зов, дсодов, v ш-рофрагментон м т.п., учитывающих радиационное воэд ri'crsrt г. Мэде/шрозание работоспособности ИМС г> этом случае осуществляется на .ту: уровнях: электрическом и логическом.

1.. Мак; он юл cjai [i о в дни е

Макромоделироваиие проводится. на основе расчетных и расчетно-экспгрнментальных че годов. Они тэочгепя в просе,дении нсиьгггннй на медмирующей установке (МУ| гаь'ма-пчпульа i пплггнь мн амппитудко-гремечнвми и спектрально-энергетическими характеристиками, на основе которых определяются псе параметры макромоделирования и прогнозировячия ргаюгин ИМС в условиях импульсного ИИ с любыми амплитудно-временными и слентралыю-оне.ргетическими характеристиками. Если параметры макромоделирсвання определены и внесены в базу данных, то используется расчетный метод. Библиотека исходных, дзнных сформирована на основе результатов испытаний ИС, полученных на различные отечественных и зарубежных предприятиях электронной промышленности и в исследовательских центрах более чем за 20 лег работы.

В цифровых ИМС ТТЛ и ТТЛШ состояние микросхемы определяется выходными транзисторами, управление которыми осуществляется базовым током, генерируемым предыдущими каскадами. Выходной транзисторный каскад рассматривается в качгствс ipaHuscicpnoro кл<снш с оГчним шн ггером, на который оказывают влияние вераме грлнзисгорь: выхо.н си< хаа.адл. Та--им оСр&.юм, при расчете ИМС заменяется на эквивалентную схему, шгедггавлиютцую ссбой схему тюшения выходного тракмсторною каскада (с<кипой к-тсрой «ищется модернизированная модель выходного транзистора) и мичрифра! v.« »rr, который выполняет функцию предыдущих каскадов ИМС и фэтотокон перехода. На рпс.З в качестьг примера приведена принципиальная злектр-псская схема лсгичгсхого »лемента 2-ЮШ-НЕ и и;.гкромодель этого логического элемента,

Расчетная част» заключается в вычислении реакции наиболее чувствительного выходного транзисторного каскада ИМС (с учетом также и предыдущих каскадов) -L'i(t) na. воздействии: ИИ - и rcptwie es < переходной чамкгеристнке критериального параметра ИМС Ш) с тшочцыо макромоделирсвання:

U{t)=UT(t) V(t), (14)

где V(t) - дискретная функция времени, объединяющая в;е параметры макромоделирования.

Входные хгриктсрнспк,! ИМС ^одешрпотсд 1еиграюрами тока (ток базы и ток эмипера). Выходные характеристики ИМС предложенной макромодели соответствуют коллип орно-лиитп:рному напряженно транзистора. Учет динамических характеристик обеспечииается использование;.) c;ai (дартьых конденсатором перехода коллектор-база и эмиттер-база в модели транзистора Эбереа-Молла, учитывающих как барьерную, так и диффузионную емкость перехода. Учет радиационных эффектов осуществляется введением дополнительных генераторов ионизационных токов, включенных параллельно р-n переходам (модернизация модели Эбсрса-Молла) и в базовую цепь выходного транзистора, а также изменением времени жизни неосновных носителей заряда и уменьшением коэффициентов усиления от флюенса нейтронов.

2. Сплошное моделирование

Моделирование на основе учета всех компонентов основано на моделировании в составе САПР, где в качестве библиотечных элементов используются компоненты ИМС.

Моделирование осуществляется на двух основных уровнях - на электрическом и поведенческом. Прогнозирование на электрическом уровне подразумевает получение реакции ИМС на радиационное воздействие по основным электрическим параметрам, например, напряжению низкого уровня, напряжению высокого уровня, функционированию ИМС и т.п. В результате получается характеристика, которая моделирует изменение электрических параметров ИМС ог ИИ. Для прогнозирования на электрическом уровне в электрическую схему компонентов вводились данные, ко-Рис.З Электрическая схема выходного т0РЬ1е позволяли учесть радиационные эф-каскада ИС 1505ЛБ1 (а) и его эквива- фекты. Моделирование на поведенческом лентная схема замещения (б) уровне прогнозирует логическое поведение

ИМС. Оно позволяет проанализировать реакцию ИМС на воздействие ИИ на двоичном уровне (состояние логического "нуля" или состояние логической "единицы"). Основными параметрами, которые обеспечивают поведение ИМС под действием радиации, являются времена задержек на включение и выключение ИМС, а также нагрузочная способность компонента.

Физическое рассмотрение процессов позволяет определить величину ионизационных токов в зависимости от технологических параметров и параметров излучения, учесть внутренние связи в каждом компоненте И С, которые выражаются в виде дополнительных генераторов токов.

В данной модели учитываются следующие сложные явления, которые не были учтены или были учтены не полностью в ранее существующих методах расчета.

1. Изменение коэффициентов усиления транзисторов не только от вида и продолжительности воздействия, но и с учетом спектрально-энергетических и амплитудно-временных параметров воздействия. Для этого применяются номограммы Грегори-Сандера и аппроксимация экспериментальных зависимостей деградации различных транзисторов от дозы ИИ, спектра и т.п., полученные на различных предприятиях.

2. Время жизни неосновных носителей заряда в зависимости от концентрации основной легирующей примеси и уровней потока нейтронов, протонов, электронов и их сечений захвата. Для этого применяются полученные нами из экспериментальных данных аппроксимационные зависимости изменения времени жизни от факторов ИИ и технологических параметров.

3. Величина "фактора отжига" с учетом спектрального состава, .для чего используется известная универсальная кривая отжига от величины динамического заряда, численное значение которого'¡"п.ж; определяет.); полученной нами аппрохеимэцион-ной зависимостью диндмическо! о заряда or величины вторичного ионизационного тока и параметров рассасывания злряда.

4. Попышиие температуры ¡'ктквных элементов а зависимости от факторов ИИ и ее влияние на электропараметры ИС. Для этого используется модель Шокли - Рида - Холла, параметры которой определены нами из экспериментальных данных, по которым также составлен;,! ашгроксимациыные зависимости.

Основные математические соотношения, используемые в этих моделях, заключаются » следующем-

(. Любой вид во.1действия МИ (рентгеновское, гамма, нейтронное) пересчитыва-ется к мощности дозы по соотношениям

Рmax = f(К,WЕ(Е),f (Е,(),f „(Е), 1Етхн ■ Евгр1), (15)

где К - коэффициент, учитывающий ослабление потока рентгеновского излучения, для остальных видов ИИ равен 1; f„(E) - спектр излучения (нормируемый к 1 по интервалу энергии); f(E,t) - плотность потока излучения: W(E| - коэффициент, характеризующий ионизирующее воздействие единичного потока корпускулярного излучения для энерши Е; Ееерх - максимальное значение энергии в спектре; Еннжн - минимальное знач;ш,е энергии з с г гс к гре.

2. .Величина ионизационного тока в р-н переходе определяется соотношениями

при t<ti-

i 7 ГГ' 1

Ippi(t) - q -.уЧР'СО • Spi - {Wpn+ Ip • c.tf ( |— ) + In- erf(-,—) ; (16) [ У1!' Vtn J

при t>tn

Ippî(t) = q • q'-P(t) • Spn • jlp • (tri() - erî( )] +

+ ln.|er1 Ч^-егК^)

v 'tp V j

i

(17)

где 1рр(1) - ионизационный ток; - заряд электрона; с[' - скорость генерации носителей; Р(Д) - чолиооь дозы кзл учения в ¡-том прямоугольном импульсе; 1р(Р), !п(Р) -коэффициенты собирании в прилегающих ^ р-н переходу областях, определяемые выражением

1» - к. , [р = к • -/оп и , (18)

где Ор - коэффициент диффузии неосновных носителей в р-области; Оп - коэффициент диффузии неосновных носителей в п-области; Wp-n - ширина р-п перехода; Бр-п -площадь р-п перехода; ш - время действии импульса; 1р - время жизни неосновных носителей в р области; (п - время жизни неосновных носителей в п области; К- коэффициент учитывающий нелинейность ионизационного тока, который может быть аппроксимирован соотношением

F. (1 - exp(-tIP(t)/tK)) • (1 - M • exp(t 11„)) (exp(-t/tK))N

где к, N. М, Р - параметры аппроксимации.

Суммарный ионизационный ток р-п перехода 1рр(г) равен

ipp(t)=£ippi(t)6(t-t,)

(20)

где 5(М,) - дельта-функция; I, - шаг разбиения реального импульса на совокупность прямоугольных; I - время.

3. Время жизни неосновных носителей заряда определяется по формулам

tn=-

1

; (21)

2-10*-f^f+1.2-10"s.NAu +

Fn

зоо т ,1

tn = -

8 • 10' • (th(Y) + 0.18) 1

- 2.8 • 10 • х

(22)

Fn-

f 300 Y'

'т j

т )

7 • 10 ■ (th(Y) + 0.3)

где Т - температура кристалла; Ñau - концентрация золота; Y - уровень инжекции, который определяется с помощью специальной программы расчета электропараметров транзистора и обычно не превышает 3; X - концентрация основной легирующей примеси.

4. Коэффициент усиления транзистора рассчитывается с помощью соотношения

У -У

(1 + 270.-^-f(l + B(t)).Ipp(t).(l-exp(г У (23)

ЬЭ > а» 7 КБ /В(кон) /13(0)

где В(0), B(t), В(кон) - начальное, текущее и остаточное значения коэффициента передачи тока транзистора; ta - время пролета электрона по активной базе толщиной Wa; S3 - площадь эмиттера; íkb - параметр аппроксимации.

Использование предложенных моделей дает более адекватное моделирование, так как уточнены спектрально-энергетические и амплитудно-временные характеристики излучения, а также некоторые явления, о которых говорилось выше.

В пятой главе рассматриваются технические средства и программное обеспечение для моделирования параметров радиационно-стойких ИС в типовых АРМ проектирования изделий электронной техники.

Работа по созданию программного обеспечения шла параллельно с созданием технических средств моделирования, поэтому в данной главе рассматривается: архитектура типовых АРМ и созданные технические средства АРМ, структура программных средств, базовые графические средства описания проектов ИМС. Особое внимание уделено про-

грзммным модулям, отвечающим за осеслел енке радиациош ой стойкости изделий. В заключительной части главы представлены способы работы данною комплекса как в рамках интегрированной САПР, так и автономно. Структура ра:;рабо~ашюго АРМ приведена на рис.4.

Преимуществом АРМ является включение в его состав разработанного ускорителя логического моделирования (VJÍM), что по^вш.леч «шить вычислительные затраты при моделировании. УПМ представ гнет собой мноюпроиеесорную систему, включающую в себс процессор обмела (ПРО), гргшегсор ястоескогс моделирования ЩЛМ), процессор

моделирования памяти (ИМИ), объединенные синхронным каналом.

Программное обеспечение для анализа работоспособности ИМ С в условиях ИИ выполнено в форме подсистемы САПР, которая может функционировать как в рамках САПР, так и автономно в АРМ на Gaie мпкроЭВМ. Место ,ja;;:ioii подсистем!.: в структуре САПР приведена на рис. 5 (на рисунке пол-система носит обозначение ПРАД). В структуру САПР входят: монитор системы -угразляющий модуль системы проектирования; ПРИАМ - многоуровневое моделирование электронных схем; ПРАЩ IC-TM - дщ ическое моделирование, экспресс-анализ схем на тесто-пригодность, автоматизированная генерация тестов; ПРАНИС-К - схемотехническое моделирование; АИДА - топологическое проектирование матричных БИС; СИАТ-ИНГРЕД - топологическое проектирование многослойных печатных плат; ПУМА -поддержка рабо';ы м.корше.п «отческого молею рсьаинч г системе проектирования; ИГРА - графически* предана: ПРАД- чзделгггма учега радиации

Подсистема адаптиропана дяя типовых АРМ проектирования электронной и вычислительной гошки на основе ПЭВМ PC IBM и íhk apauioro ускори геля логического моделировали» (могуч использоваться также миьи-ЭВМ '(Электроника - 82», микроЭВМ Электроника - МС0104» и программно-совместные отечественные и зарубежные ЭВМ). Разработанная подсистема функционирует под управлением операционной системы MS-DOS, Windows - 95, МОС - 32М, МВС, ЮНИКС. Подсистема моделирования реализована на алгоритмическом языке Фортран 77, PASKAL и С. Для функционирования БГП требуется объем ОЗУ до 0,í> M Байт.

ВИДЕОМОНИТОР

Проце-есор ,

Оператиенэс! i Вкешии '¡У I ! ЗУ

Глппаратнэя!

j физичвспая тпашя ! Еи&ммш I

-li_IL____Ik_JL?

Канал управления ЭВМ_J. )

Адапгар обмена сарупш ЭВМ

l.'l HT« р ерей с. о (эмок а

(Хцескр абиет

11|юц(.сснр

Пр-.даяр

Я:

:> С

В ! iyjР S HI ! И f Í_JK n Hi i л у пр авл £ ¡ни я Рис. 4 Структура уккфицнроьашюй АРМ

Базовая программа управления

Система управления данными Система управления Система упраалония расчетом

Входные данные выходные данные -з|г—1 Блок передачи управления Бгю* приема Vnpeft-пения

Комплекс программ

расчета тепловых и термо-механичеосмх эффектов

Комплекс программ расчета ионизационных эффектов и эффектов смещения

Рис.5. Структура интегрированной подшсгемы проектирования радиадаонно-сшнкш ИМС

Внутренняя струетура подсистемы Г1РАД представлена на рис. б. Она состоит из трех комплексов программ, управление которыми осуществляется с помощью базовой программы управления. Информационное обеспечение представлено системой управления данными и банком данных (входных и выходных). Для формирования входных данных предусмотрен язык БИМОД. Интеграция разработанной подсистемы в структуре САПР осуществляется через систему данных. Данная подсистема подготавливает данные необходимые дая моделирования на схемотехническом и функционально-логическом уровне, например, параметры модели транзисторов, времена задержек и т.п. Данный подход обеспечивает единство расчета и управления на-Рис.6. Взаимодействие комплексов программ рас- чальными и рассчитанными зна-чета показателей стойкости и- надежности с помо- чениями, и также взаимодействие щью базовой программы управления er0 с другими программными

средствами САПР. Кроме того, работа каждого из трех комплексов программ может быть осуществлена автономно. Рассмотрим их работу более подробно.

Для расчета тепловых и термомеханических эффектов, возникающих в корпусах ИЭТ, разработан комплекс программ IRBIC (influence radiation on the body of integrated circuits - влияние радиации на структуру интегральных схем).

Комплекс программ расчета для статических видов ИИ М&ЛОЙ МОЩНОСТИ

РАСЧЕТ ш 3 X X 5

УПРАЛЯЮЩЕЕ ПРОГРАММНОЕ ОПЕСПЕЧЕНИЕ ПОДСИСТЕМЫ САПР, ДИСКОВАЯ ОПЕРАЦИОННАЯ СИСТЕМА

Комплекс прикладных прогоамм IREiiG

Комплек: IRHÍC

Я

CCS

D. i_

О

о. г:

о; го х m о с; .о

Páowsi дач: ([> ¡

Pr)?«ÍTWnTPWrfi

PiiC4íjT на'1(>яш!'нии: окаги* (N?|; растнженир (Ч/ЖАЗ).

CtílHOMepHWí +&](

с/юями (SAWSЦ; интерференция волн (WOLNY).

-V С<?р:Ж>Ы? I дофамин

4.1 (-If I )

Д^нг.мика Т«!МГйрвТур i

"\. ......i

LI:

Наложение

МйЖ.^у

__ь CJ'OínM-

Д'-умермаи

модель

4- IDWUMO)

"Компас OV.T

К s

2 ?

Он состоит из ocio иной программе! ¡RB3C, в которой формируются начальные данные i'i происходит расчет, программы вывода OUT и apoi рампы поиска рассчитанных значений POISIC.

Расчет осуществляется ддя сечений ИС, насчитывающих не Солее 20 слоев, в 4 вариантах (ргжимах): одномерная модель, двумерная модель, перераспределение тепла, общий режим, включающий в себя вы-

ш.-перечисленные. Оценка

стойкости НС" производится по 2 уровням: пороговому и предельному. С гр уступа комптекса изображена на рис.7.

Для расчета иошна-циошых эфф;ктоп, возникающих в ИМС, разработан комплекс программ Р '.К .1! (piognosis ng icactioii in Uic inicgraíeii circuits on the inflience rf.diaiion), состоящий из программы PIUC1R, в "o-Topo'í ферчиируюгея -ia-

чальные даньые, система )pauiíeni,¿¡ и выходная гшфорлшцид (крометого, в ней определяются параметры мекро«ючелир.:вэкч j); MI) JCN, где происходит расчет мощности дозы и нонимииа него тс i-:;:., ucJHi.Kai0id.iT0 в база-ко.Ш'Мс тортом перезоле при рассчитанной выше мощности дозы; TRANS, и которой происходит расчет переходного процесса в ИМС; REAK, определяющей реакцию ИМС; OUT - вывода рассчитанных значений и программы поиска J'OJSK (рис.3.). Данный комплекс программ рассчитывает все необходимые параметры для моделирования реакции ИМС к импульсному ИИ.

Кроме того, автономное применение данного комплекса позволяет определить изменение критериального параметра ИМС в зависимости от времени при воздейст-

Кс-милек: P01SK

та а 2 £ 2 X (А

Не

с; <з о с:. l. с:

П:<иск

JV-iyilVrTO1*

■a -J i ь;вод ¡С'ТОИК)

"j '--'{ Hiifop

Рис.7. Структура комплекса программ расчета тепловых и TípMOMCxarmnxicir: эс^гктсв

вии импульсного излучения. Расчет производится в двух режимах: статическом и динамическом. Основные этапы алгоритма комплекса программ 1ЯВ1С и РШСЖ приведены на рис.9 и 10 соответственно .

Комплекс прикладнызс программ РИСНЧ

Конанекс PRIOR

Формирование

данных (0АГ4) s

1_ |

Формирование

системы уравнений \l

I !!

Определение * 8

параметров ä I

Комплот REAK

Формирование данных (ОАЖ)

Определение реакции ИМС

Определение

iWb ча г<ьп ой

И

аз

Для определения временной потери работоспособности (ВПР) рассчитывается переходная характеристика критериального параметра для заданной мощности излучения с указанием времени, в течение которого параметр находится за пределами норм ТУ.

Определение уровня бессбойной работы (УБР) производится аналогично ВПР на первом этапе. Затем варьируется мощность дозы, для которой определяется переходная характеристика. Величина мощности дозы, для которой изменение параметра укладывается в норму ТУ с заданной погрешностью, определяется как УБР.

Для практической реализации определения всех необходимых параметров для САПР с целью моделирования работоспособности ИМС в условиях длительного воздействия статических видов ИИ, а также определения минимальной наработай и предельной дозы отказа разработан программный комплекс «ИАРЫК» (расчет показателей надежности и стойкости).

При работе в составе САПР данный комплекс программ рассчитываег параметры, необходимые для определения стойкости ИМС. При работе в автономном режиме он прогнозирует изменение среднего значения и среднеквадратичного отклонения ПКГ ИМС в зависимости от времени или дозы воздействии излучения. Расчет производится в двух режимах: оперативном с большой степенью погрешности и дпителыюм с относительно малой погрешностью.

Рис. 8. Структура комплекса программ РЫСГО.

]

.'1игерат.*.:*' ,

\ л, с. а г/н<!"<зннекчв, :

«¡»ЛЬ эя^вта) / !

_д» — —\ ело«

у;-

\ Фо;**;*:' и и д.') '

>ц !!.>)* дан

X

Фпсрыпм [>»кт Ш4ПОД101ШЧ'.1

ip.-c.ic«.-)-1 ы^ ли&ш И

ИГЖ>»(КНс>0 ПОМ _Г!«иГ1»( к!ТуТ»_

Рас^т напряжений На?

КОДвПИ

А

/ 1Чук||| \ !:<• . -----С ра^та .......Л

1

ру ч»г и;хр1 «и*« ! ^ ( / \

г.1' ,>е р.«с ¡<»тегу л !

__Спр*Д|!л»чм> (11«и ¡ь- агЧ|>г I

Нет У> ' 1,1

----<' V

------------N Й1«.у1егч' г

(Балоаый дмсгмтчер рзг»т Г

Пр*1:«миа выыц» и_1

.,.« у >пг.ч

Рис. 9 Основные эг Л1у. ра(огы << э»лиск-са программ 1к£1С

-Ч

/«мЬормЧ

"Т/

|)МНММЧ>ЛМШ-7 «не*»-« -а « мплг /

Сг«р ьт* «».¡дп 0СГ'ЦК2;

^иС1С««т «чу «иецк к оэр*«»- | ро— МШИ ГОДНОЙ ИИфор^ЩЩИ |

_1_С

*о<м|в1ини« сметами 1

I__аЛ'У*.........j

ПЕ

'■ЛкМС-АЦИСМИОП т

I Рым«* шетеии ур» нм I

V1™/---

Олр*д*тмм прогнозируем*

псгр«и1жгсг«| раечт

^^ у^ГХ к^ранм» .ы«грол14ажг.х>а

\ / ( Я

Т

>¡#7 & ------•' "

\ *

»кпгмер*!.

!Прсгрмиа ашода

КИМ.»

Рис. !(; Осюзные этапы работ!.! комплекса программ РШСШ

Структура комплекса программ лри ведена на рис. 11, а основные этапы алгоритма на - рис. 12. Про;рамм.тыр коми ккс ;е,бчтиет в дауя ре:шма>.. оперативном, где производите!! боли: бысгр-кй насчет 6с» кп.жьздяанпи бдзы резулыакю испытаний ИС и по упрощенным формулам, и точном, где расчет премчгоднтгя с использованием базы данных Сиедует отделить, что зрс.;> смотрен и емшаш ый режим расчета, когда в баз: даниьи. прксугиаусг только «»сть данных.

Таким образом, применение данного комплекса прарамм в составе подсистемы САПР позволит определить все необходимые характеристики для прогнозирования стойкости и надежности ИМС. К таким характеристикам относятся: значения электропараметров компонентом ИМС от времени и дозы, величина коэффициента усиления компонентов, нагрузочная способность компонентов. Автономнэе применение данного комплекса определяет основные показатели стойкости и надежности ИМС: предельную дозу

отказа, минимальный гамма-процентный ресурс, средний ресурс и т.п. Работа комплекса осуществляется в диалоговом режиме с использованием библиотек как начальных, так и рассчитанных данных.

Комплекс прикладных программ ИАРЬМЭ

Рис. 11. Структура комплекса КАРШБ

Рассчитанные программными модулями величины помещаются файлами на диске и затем распечатываются на мониторе или на принтере в формате А4 в необходимом количестве копий. Общий просмотр результатов дтя рассчитываемых изделий осуществляется програ м • мой РОШК. Данный вариант вывода позволяет создать библиотеку рассчитанных значений,что исключает необходимость повторных расчетов, а также позволяег оперативно находить и сравнивать результаты расчета для различных изделий.

Анализ и проектирование раднацион-но-стойких ИМС предполагают рассмотрение системы на каждом из уровней.

На физическом уровне во всех трех про-

граммных комплексах решаются вопросы взаимодействия излучения с вещелтюм и определения таких параметров, как поглощенная доза и мощность поглощенной дозы активными элементами ИМС. Кроме того, рассчитываются такие характеристики, как времена жизни неосновных носителей заряда, их зависимость от амплитудно-времешых и спектрально-энергетических характеристик, коэффициенты усиления в зависимости от характеристик излучения с учетом амплитуды, спектра и т.п. Все эти характеристики через базовый управляющий модуль ВАБиРЯ передаются в систему библиотечных компонентов интегрированной САПР. Следует отметить, что комплекс программ ИШС формирует температурное поле активных элементов кристалла, которое также передается через базовый управляющий модуль ВАЗиРЯ в систему интегрированной САПР.

—-Г"

\ Окц лннь I. *"!!]:■ 'и

1

/\

су!| 1}

\ Формирование дзнчых м базы / ^ Iю ИО йна/югичнь» по '<ониь / \ рут ийно-технолог и омну ' \ НЗЭЧЗ^ШК)___'

/X ,

ч»6амд1н-/ ~ . »4» / \

рчгет I ____/

V

н|_0, р'!Д( .к*<и» погрилн: т р-ьс-^вга ^

СИи^ым файл* вы »едя 011ЯЕ2: лрнсаспнм ему игмнм и р«в!ние«ыходной информации

Формирован« системы

131с чег «эназзтшн й с 01 ■ I

Оа^ет.екние пар» ■ п < I ст ойк&г.»

Релвнн<ч;цстеыь урл.нмии

' Р» с

рас нт!

Cr■¡^■:r•■■l■t по«!!!' ;/ч!Н ([о\чул I

Ни электрическом урочпе формируются такие х;.ра гп:р;< „тики, как импульсные источники юка, по сзоей форме повторяющие ионизационные токи, возникающие гз ИМС прп но щемствнп импульсного ИИ. Кроме того, при моделировании на уровне мак-р-->Фр£.1 мен 101) формируются н ;обходимые вольтампер-!ые характеристики.

Все эти характеристики ч ?ре) базовый управляющий модуль ВЛЯИРК также передаются в систему библиотечных компонентов интегрированной САПР. Кроме I :ио, при модетирован.ш на ) ккгричеспоч >ровне инт. |"р|фов;шна!' система САПР ипюлыусг харзктс-рипиш для компонентов им;;, потученьг.!.1 на ¡>изи-ческэм уровне.

/ 'я ф} ш. цичналыю-логическом (или поведенче-а:о\.) ур'Усне пр.тисодит фор .п-рование таких переменных, как задержки компонентов ИМС на включе-ше и выключение. Числение 1нач1*ни» '»тич задержек г от-'чакхс* при проведении моделирования на электри-'еском уроьке, где вычистится задержки компонентов ИМС с учетом переходных процессов и изменения времени жизни неосновных носителей заряда, коэффициентов усиления. Из анализа уменьшения коэффициентов усиления и прогнозирования па электрическом уровне формируется переменная - нагрузочная способность компонента ИМС, которая по команде ТОКИ, при моделировании на поведенческом уровне определяет реальную и номинальную нагрузочную способность компонента.

ОГРТ.ГМИУЗ П'!НЧЦ ГТ0'Г!>*-Ч У КЧ^ГТППСГ.: ф^ Т-Т * Г '«ЛСХ (

I

(Окончаний)« ■ —<

Ле^хвд^ч да

1Х1ЫЙ ^

.....

/ Ор« код ✓ 1грофаум<!:

Х1ывоД1 р«' ъУ/ЛЬПТОВ

« XX_

11|> г II .11.19 II

Рис. 12 Основные тг.чгъл ялгер л ч,т та 5 >гы ь иро-

дам м расчсгэ показ ;п г-л«сг>>йнш-> и я ыед-нност Л МС

В шестой главе проведен анализ точности расчета и эффективности средств моделирования цифровых радиационно-стойких микросхем.

Оценка точности математического обеспечения проверялась путем сравнения результатов расчета с экспериментальными данными, полученными на моделирующих установках, а также по результатам испытаний, полученных в реальных условиях эксплуатации ИМС на АЭС, включая имитирование нештатной ситуации.

Расчет проводился на ИС серий 1084,1505,1504,134,106,1838,1554, а также транзисторах и транзисторных сборках - всего более 400 изделий. Экспериментальная проверка проводилась по наиболее типовым представителям этих серий - всего более 100 изделий. Результаты расчета в сравнении с экспериментальными результатами показали хорошее совпадение. При воздействии импульсных видов ИИ (гамма-, нейтронного и рентгеновского) оценивались ВПР, УБР и УТО (если он возникает). При воздействии статических видов ИИ (гамма-, нейтронного, электронного и протонного) определялась доза отказа изделий. По некоторым ИМС серий 1804, 1504 и 1505 проводилась оценка комплексного воздействия рентгеновского и гамма-излучений, а также гамма- и нейтронного излучений. При этом оценивались такие показатели, как ВПР, УБР и УТО. Кроме того, оценивался предельный интегральный поток рентгеновского излучения, при котором наступают катастрофические отказы изделий по тепловым и термомеханическим эффектам, для экспериментальной проверки которого, создавалось специальное излучение с повышенным содержанием рентгеновской компоненты.

В зависимости от вида воздействия расхождение среднестатистических результатов расчета и эксперимента можно представить в виде таблицы, приведенной ниже.

Виды воздействия Погрешность расчета , % не более

Статические виды ИИ Предельная доза

гамма-, электронное, протонное 15. 20, 20 соответственно

Импульсные виды ИИ ВПР УБР УТО

гамма- 15 10 20

нейтронное 20 15 20

рентгеновское 20 20 20

Комплексное ИИ ВПР УБР УТО

гамма- и нейтронное 20 20 25

гамма- и рентгеновское 20 20 25

Как видно из таблицы, результаты расчета и эксперимента дают хорошее совпадение.

Эффективность расчета складывается из многих факторов среди которых доминирующее значение имеет быстродействие (продолжительность расчета) и затраты памяти. Для данной подсистемы оценить эти факторы теоретически довольно трудно, поэтому оценка этих параметров производится экспериментально. На рис. 13-16 показаны быстродействие и необходимые затраты памяти.

11:00 3009 ^о00 60(10

Ги<,.13. Продолжительность времени расчиы ш>мсичди.ы Д.1Я лыг.удьснию и «жшмс-ско| о нзлучсннь для моделирования оа о.ккгричижом уроые

:.!•}. Продол* «,%кн.«сст» ч; с«."км р.чсчгга пожигга«.! импульсного и статиче-

Рис. 15. Затраты оперативной памяти подсистемы для импульсного и статического излучения плв модетгровани? на элрчтричесом уровне

(Баз зоео 4300 восо

Рис. 16. Затраты оперативней памяти г.одсистемы для импульсного и статического излучения для моделирования на логическом уровне

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Создана автоматизированная подсистемы моделирования характеристик ИМС при эксплуатации в полях ионизирующего излучения, которая обеспечивает комплексный подход к рассматриваемым явлениям и учитывает последние требования в части характеристик воздействия ИИ. Эта подсистема прогнозирует показатели радиационной стойкости и параметрической надежности в различных режимах эксплуатации, а также проводит анализ работоспособности ИМС с целью разработки радиа-ционно-стойких ИМС.

В ходе выполнения указанной работы были решены следующие задачи:

1. Сформулирована методология единого системного подхода при прогнозировании поведения ИМС в условиях ИИ, которая позволяет различные виды воздействия представлять сравнительно ограниченным набором характеристик, проводить моделирование ИМС к комплексному воздействию ИИ (состоящему из нескольких видов ИИ, разнесенных во времени), с учетом единства процессов деградации ИМС от естественного старения и радиации.

2. Разработаны модели физических процессов, происходящих в конструкции ИЭТ при воздействии ИИ с сильной степенью поглощения, с этой целью были решены следующие задачи:

изменение температурного профиля со временем в структуре материалов, обладающих различными теплофизическими характеристиками и имеющих сложный начальный профиль температур;

динамическое изменение напряжения между слоями структуры, имеющими различные теплофизические характеристики и сложный начальный профиль температур.

3. Определены математические соотношения, позволяющие рассчитывать характеристики процессов, связанных с перераспределением тепла и с неоднородным расширением и последующей деформацией материалов вследствие их нагрева.

4. Разработана физическая модель деградации электропараметров ИМС при воздействии статических видов ИИ, которая рассматривает деградацию параметров как от естественного старения, так и от радиации.

5. Определены математические соотношения, позволяющие определять деградацию критериальных параметров ИМС при воздействии статических видов ИИ с учетом мощности дозы, температуры среды и режима работы ИМС, включая взаимодействие процессов естественного старения и деградации электр э лараметров от радиации.

6. Разработана модель оценки показателей стойкости цифровых биполярных ИМС ТТЛ и ТТЛШ при воздействии на них импульсного ИИ (гамма-, СЖР- и нейтронного излучений), основанная на макромодели выходного биполярного элемента цифровых логических ИМС ТТЛ и ТТЛШ и моделях активных компонентов биполярных ИМС.

7. Предложены математические соотношения, определяющие реакцию моделей активных компонентов биполярных ИМС и махромодели выходного биполярного элемента цифровых логических ИМС ТТЛ и ТТЛШ к ИИ на схемотехническом уровне, учитывающие конструктивно-технологические особенности исполнения, режимы работы ИМС, спектрально-энергетические и амплитудно-временные характеристики ИИ, включая последние требования к характеристикам воздействующей радиации.

8. Разработаны модели компонентой ИМС и их параметры при моделировании работоспособности ИМС на логическом уровне, учитывающие комплексное изменение параметров от широкого набора <>хоиных характерна' ш ДЛ1 переходчых процессов н процессол, связанных о не atipa", нчы.чи ишеиелияыи.

9 Разработаны алгоритмы и npoip'-iMvuoe оКеснечсни: автоматизированного определения показ«!слей стойкости н падскнопн, а та»«с их зависимостей от амплитудно-временных и спектрально-энергетических характеристик ИИ, для чего были решена следующие очл:

разработан мп сд, алгоритм и программное otíeca.f-je те для расчета тгпловых и термомеханических эффектов, которые нг.шлн практическую реализацию в типовой методике расчета тепловых ч термометрических эффектов, внедренной и НИИЭ1, согласованной с 11 ЦНИиН МО и НИИП ч утвержденной РНИИ "Электронст андарт";

разработан метод, алгоритм и программное обеспечение для расчета переходных процессов, которые нашли практическую реализацию в типовой методике расчета переходных процессов , внедренной в ИИИЭТ, согласованной с: 22 ЦНИИИ МО и НИ-ИП и утвержденной РНИИ "Электронставдарт";

разработан метод, алгоритм и программное обеспечение для расчета необратимых эффектов, которые кашли практлчгсьую реализацию л типово й методике расчета необратимых зффепоо, внедряй-oi г. КИЮ >'f, согласивimn. с 22 ЦНИИИ МО и Hi ill)"! и упверхд-.' uicii РНИИ '" ч rpoi. ггандарт"

Ю. Мол1.фи.1и;:о тик п: ai- чп. кис :pe,¡ri на i пмд.ша подсистема САПР для анализа и проютирдашшя p¿t '«шич&ю-сгсйьил ИМС.

¡ 1. С ноюшьв р.!1)5а1|От.шпсГ методики н просрочь ргсчета был проведен расчет типовых предстпв|пел(¡i ИМС, (ршнисторов к диодов различного конструктивного исполнения, который ло-.ншич определить их по »¡о пели стойност-i и надежности и причины .чкхеда нзделт.т hj ст ;';:я.

i2. Анализ поведения ИМС в условиях ИИ позволил оптимизировать технологические, конструктивные и схемотехнические параметры по критерию радиационной стойкости, что на ил о отраи^иис » trpaaifiwm РД пс разработке радиационное стойких ИМС Силоляркоп; ic/.¡;o;>o»u-icc¿ccrc кеподненля

ПУБЛИКАЦИИ HO ДИССЕРТ,ШДОИНОЙ РАБОТЕ

1. Система проецирован :-!■•: оилолярных радазлисино-стойхи:< ИМС: монография 'В.Е.Межов, В.К.Моты: и ков, Д. Н.Сол он ей, В.Мгжс». - Погож ж ВГ'ЛТА, 19>Ж-256 с.

2. Микросхемы интегральные полупроводниковые с диэлектрической изоляцией элементов. Методы конструирования интегральных микросхем, стейких к воздействию ИИ ЯУ и ФКП I А.В.Каюков, В.Г.Малини«,Т.М.Агаханян. В.К.Зольников и др. И PM В II 0306.1 - 86. - Л.: ВНИИ "Электронстандарт", 1989.-68 с.

3. Микросхемы интегральные полупроводниковые транзисторно-транзисторной логики с диодами Шсткн (ТТЛШ), выполненные по зптаксиаяьно-планарной технологии с изоляцией элементов р-n переходом. Методы конструирования интегральных микросхем, стойких к воздействия:» ИИ ЯУ и ФКП / Е.А.Кузьмкн, М.М.Михайлов, В.К.Золышков и др. // PM НИИЭТ. - Воронеж: НИИЭТ, 1937. - 44 с.

4. Разработка методов создания интегральных микросхем ТТЛ с электрической изоляцией элементов: Руководящий документ I Б.А.Кузьмин, А.В.Медведков, М.М.Михайлов, В.К.Зольников. - Воронеж: НИИЭТ, 1984. - 83 с.

5. Физические процессы, модели, методы оценки и уровни стойкости ЭРИ при раздельном и последовательном действии ИИ, в том числе факторов И1-И5, обусловленных новыми физическими принципами: Методическое руководство / Е.А.Кузьмин, В.К.Зольников и др. - Воронеж: НИИЭТ, 1993. - 327 с.

6. Методы прогнозирования и оценки стойкости и надежности изделий электронной техники в условиях длительного НИ: Методическое руководство / А.В.Баюков, В.В.Хаустов, М.М.Малышев, В.К.Зольников и др. - С.-Пб: РНИИ "Электронстандарт", 1995. - 453 с.

7. Зольников В.К. Базовая методика расчета стойкости ИМС при воздействии факторов И4, И5 по тепловым и термомеханическим эффектам. - Воронеж: НИИЭТ, 1989. - 1.45 с.

8. Зольников В.К Методика оценки показателей стойкости при воздействии ИИ различной интенсивности. - Воронеж: НИИЭТ, 1992. - 25 с.

9. Зольников В.К Базовая расчетно-экспериментальная методика оценки стойкости биполярных ИМС к реальным условиям воздействия факторов И1-И5 (включая комплексное воздействие). - Воронеж: НИИЭТ, 1992. - 45 с.

10. Зольников В.К Методика трансформации результатов испытаний на МУ к реальным условиям нейтронного излучения (по обратимым эффектам). (Для предприятий электронной промышленности). - Воронеж: НИИЭТ, 1992. - 12 с.

11. Зольников В.К Методика оценка стойкости биполярных ИМС, работающих при воздействии факторов И2 при повышенной температуре среды. - Воронеж: НИИЭТ, 1992. - 18 с.

12. Зольников В.К Типовая методика испытаний и оценки стойкости биполярных ИМС к воздействию факторов И1,И2,И4,И5 с учетом комплексного характера воздействия и импульса напряжения обусловленного факторами И8-И11, к ГОСТ РВ 20.404-97. -Воронеж: НИИЭТ, 1997. -187 с.

13. Зольников В.К., Афонин H.H., Мануковский О.Н. Модель перераспределения температуры в структуре ИМС при воздействии излучения с большой степенью поглощения // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТПО. -1991. - Выл. 1. - С. 51-55.

14. Моделирование ионизационных процессов в цифровых ИМС при воздействии импульсного излучения / В.К.Зольников, Н.Н.Афонин, О.Н.Мануковский, В.Е.Межов, В.В.Скворцов II Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТПО. -1991. - Вып. 1. - С. 73-78.

15. Моделирование ионизационных процессов в ИМС ТТЛ и ТТЛШ при воздействии импульсных видов ИИ / В.К.Зольников, Е.А.Кузьмин, О.Н.Мануковский, В.Е.Межов, М.М.Михайлов, В.В.Скворцов // Специальная электроника. Сер. 8. - 1991. -Вып. 1(37).-С.23-29.

16. Зольников В.К., Кузьмин Е.А., Мануковский О.Н. Метод оценки стойкости интегральных схем к факторам И4, И5 // Специальная электроника. Сер. 8. - 1991. - Вып. 1(37).-С. 13-18.

17. Зольников В.К., Лихолет Н.П. О применении в качестве изолирующих покрытий соединений, образующих непрфьшный ряд твердых растворов // Полупроводниковая электроника. Т.239: Сб. науч. тр. - Воронеж: ВГПИ, 1985. - C.2S - 32.

18. Исследование кинетики электропараметров биполярных ИМС при циклических испытаниях в режиме «облучение-отжиг» /В.К.Зольников, Н.НАфонин, О.Н.Мануковский, И.В.Куликов, Е.А.Кузьмин II Петербургский журнал электроники. С.-Пб, 1994.-С.46-51.

19. Модель и методика-расчета показателей стойкости и надежности ИМС биполярного технологического исполнения при воздействии гамма-излучения малой мощности / В.К.Зольников, В.Г.Калинин, Н.А.Провоторов, Е.А.Кузьмин // Специальные вопросы атомной науки и техники. Сер. Воздействие излучений на аппаратуру, элементы и материалы, - 1997.- Выл 1-2. -С.39-42.

20. Зольников В.К. Исследование деградации злектропараметров ИМС биполярного технологического исполнения при воздействии гамма-излучения малой мощности // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру. - 1997. - Вып 1-2. - С.36 - 39.

21. Зольников И.К., Калинин В.Г. Прогнозирование работоспособности биполярных ИМС при воздействии пшми-из^-чгнпя м.шой мощное'и// Вопросы аточной науки и тсх-шки. С«р. Фк'жа раднгшионнот во¡.аейсгиня на эадиаэяектронную аппаратуру. -

1997.-Вып 1-2,-С.40-43.

22. Золы- икот и .К., Гвс-здеискин А.В. Солоней Д.Е. Исследование кинетики отжига радиационные дебетов в бипо лярны;-; ИМС // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на раднаэлектронную аппаратуру. - 1997. - Вып. 1-2. -С.43-49.

23. Модг..г;ироь;:ние и расчет птрамйфэи раднлннокно-с.'огёкш ИМС" / В. А .Телец, В.Г.Малиьин, М.^.Малышев, й.К.Зольниюв, В.Я.Нисков II Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру -

1998,- Вып. 1.-С.34-35.

24. Методы разработки топового хс( струк 1 инно-) ехнологического базиса для создания радмациокно-сгойких ИМС / В.Г, Малинин, М.М. Малышев, В.Я. Нисков,

B.К.Зольников // Вопросы атомной науки и техники, сер Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру - 1998. - Вып. 1. - С.36-37.

25. Зольников В.К. Щчлраммно; обеспечение для моделирования работоспособности ИМС в полях гамма-излучения малой мощности // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную .аппаратуру. - 1998. -Вып. 1.-С.38-39.

26. Зольников В.К. Исследование кингтики изменения электропараметров биполярных ИМС в полях гамма-излучения малой мощности II Сб.науч.тр. - Воронеж: ВГТА. -1998. - С.25-2Я

27. Зольником Н.1С., Сол ¡шей Д.Б. Расчетная оцегка злектронараметров биполярны* ИМС, при -экс-гпуагацм: ?• лолдч г.ни1а-иы£>чеш»и мзлол мощности в различны»; термотоковых ре>кач<а.ч //С(> пуч.тр. • Воронеж: ВГТА. 199.4. - С.29-32.

28. Золышкон В.К., Соло«й Д Ц. 11 еслецовзп:.- е механизмов восстановления элек-тропграметрсв бииэляриых ИМС после гг.чма-обдучеши под воздействием высокой температуры //Сб.научлр. - Воронеж: ВГТЛ, 1998. - С.53 ■■ 35.

29. Золы (икон В. К. Подсистема прог «Кирова!-ия стойкости ИМС, работающих а полях ионизирующего излучеш ч ¡1 М:.тфиакь- XXXVI ежегодной отчиной научной конференции за 1498 г. Тгч.докл. 'нг.уч.-тмн ючф. - .Воронеж: В "Тл, 199;?. -С.90.

30. Золышкои В.К. Моделирование т арг.метро:! кадехносгя ИМС в полях гамма-излучения малой мощности II Материалы XXXVI ежегодной отчетной научной конференции за 199Я г : Тег докл. пзут.-тотг. кон^) - Тироне*: ЗГТА, 1998. -С.91.

31. Зслышкоя 8.К. И<сл.'допа1|ие пели: енньп. процксс«» в полупроводниковых структурах » импул»с-ш* пол.-* га»« «а-ичпуч^иия Солгиой мощности.// Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Сб.науч.тр'. - Воронеж: ВГЛТА, 1998. -

C.157-160.

32. Зольников В.К. Отбракотса потенцийлмю-менядяты" ИМС с использованием радиационного метода// Млггпатмчежое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров >»бо■»удо&аикя и систем \iipa>лечия лесного комплекса Сб.науч.тр. - Воронеж: ВГЛГА,' 1998. - С.315-319.

33. Зольников В.К. Модель перераспределения температуры в яруктург ИМС при воздействии рентген«:вского из (учеши II Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования н систем управления лесного комплекса: Сб.науч.тр!. - Воронеж: ВГЛТА, 1998. - С. 160-165.

34. Зольников В.К. Моделирование и расчет термомепанических напряжений, возникающих в структуре корпуса ИМС, при воздействии рентг еновског о излучения // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и сияем управления лесного комплекса: Сб.науч.тр. - Воронеж: ВГЛТА, 1998. -С.165-169. '

35. Зольников В.К. Моделирование процессов перераспределения температур и возникновения напряжений в структурах покрытия на деревянных подножках // Оптимизация и моделирование технологических процессов лесного хозяйства. - Воронеж: ВГЛТА. -

1998. - С.51-59.

36. Зольников В.К. Расчет показателей стойкости и надежности ИМС биполярного технологического исполнения при воздействии гамма-излучения малой мощности II Оптимизация и моделирования в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. трудов -Воронеж: ВГТУ, 1998. -С.100-104.

37. Межов В.Е., Зольников В.К., Соловей Д.Е. Исследование механизмов отжига радиационных дефектов в биполярных ИМС II Оптимизация и моделирования в автоматизированных системах: Межвуз. сб. науч. трудов. - Воронеж: ВГТУ, 1998. - С.105-110,

38. Межов В.Е., Зольников В.К., Межов А.В. Моделирование поведения радиацн-онно-стойких ИМС // Актуальные проблемы анализа и обеспечение надежности и качества приборов, устройств и систем: Сб. докл. науч.-техн. конф. / Под ред. А.П.Андреева,

A.В.Блинова, Н.К.Юркова. - Пенза: Нзд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1993. - С.234-235.

39. ЗольниковВ.К. Моделирование надежности цифровых биполярных ИМС в полях гамма-излучения малой мощности // Актуальные проблемы анализа и обеспечение надежности и качества приборов, устройств и систем: Сб. докл. науч.-техн. конф. / Под ред. А.П.Андреева, А.В.Блннова, Н.К.Юркова. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1998. - С.235-236.

40. Зольников В.К. Оценка показателей стойкости и надежности биполярных ИМС, работающих в полях гамма-излучения малой мощности // Труды Военного института радиоэлектроники: Тез. докл. 5 науч-техн. конф. - Воронен: Изд-во Военного института радиоэлектроники, 1998.-С.190.

41. Зольников В.К. Прогнозирование стойкости ИМС, работающих в полях ионизирующего излучения II Труды Военного института радиоэлектроники: Тез. докл. 5 науч.-техн. конф. - Воронеж: Изд-во. Военного института радиоэлектроники, 1998. - С.204.

42. Зольников В.К. Расчет стойкости и надежности биполярных ИС, работающих в полях излучения малой мощности II Высокие технологии в региональной информатике: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГТУ, 1998. - С.145.

43. Зольников В.К. Модель и программное обеспечение для проектирования радиа-ционно-стсйких ИМС II Высоки: технологии в региональной информатике: Та. докл. науч.-техн. конф. - Воронеж: ВГТУ, 1998. - С.146.

44. Прикладное программирование / В.К. Зольников, Ю.А.Чевычелов, Д.Е.Соловей, Е.С.Хухрянская - Учебн. пособие. - Воронеж: ВГЛТА, 1998. - 92 с.

45. Моделирование и расчет параметров радиацистио-стойкнх ИМС/ А.В.Телец,

B.Г.Малилин, М.М.Малышев, В.К. Зольников, В.Я.Нискса // Радиационная стойкость электронных систем: Науч.-техн. сб. - М.: СПЭЛС-НИИП, 1998. - С.23.

46. Методы разработки конструктивно-технологического базиса для создания ра-диацнонно-стойких ИМС I В.Г.Малилин, М.М.Малышев, В.К.Золышхос, В.Я.Нисков // Радиационная стойкость электронных систем: Науч.-техн. сб. - М.: СПЭЛС-НИИП, 1998.-С.24.

47. В.К. Зольников. Программное обеспечение для моделирования работоспособности ИМС в полях гамма-излучения малой мощности // Радиационная стойкость электронных систем: Науч.-техн. сб. - М.: СПЭЛС-НИИП, 1993. - С.61.

ЛР №020419 от 12.02.92. Подписано в печать 01.10. Уст. печл. 2,0. Тираж 80 экз. Заказ 260. Издательство Воронежского государственного технического университета 394026 Воронеж, Московский просп., 14



/

У у .г- ./у. .

/ / ' •■ / ,,

ВОРОНЕЖСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ЛЕСОТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

на правах рукописи

ЗОЛЬНИКОВ ВЛАДИМИР КОНСТАНТИНОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИМС В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ РАДИАЦИИ

Специальность 05.13.12 - системы автоматизации проектирования

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Воронеж 1998

Содержание

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................3

ГЛАВА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ В МИКРОСХЕМАХ, ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В ПОЛЯХ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ И СРЕДСТВА МОДЕЛИРОВАНИЯ.....................................................................................13

1.1. Характеристики дестабилизирующих факторов, воздействующих

на радиоэлектронную аппаратуру..............................................................................13

1.2. Взаимодействие ионизирующего излучения с биполярными ИМС и

возникающие при этом эффекты.................................................................................18

1 .З.Критерии оценки стойкости и надежности биполярных ИМС......................23

1.4. Методология единого комплексного подхода для прогнозирования показателей радиационной стойкости.....................................................................24

1.5. Цель и задачи исследования.................................................................................28

ГЛАВА2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ, ВОЗНИКАЮЩИХ В МАТЕРИАЛАХ ИМС ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИЗЛУЧЕНИЯ С БОЛЬШИМ ПОГЛОЩЕНИЕМ.........30

2.1. Общие физические принципы моделирования тепловых и термомеханических эффектов....................................................................................31

2.2. Моделирование тепловых и термомеханических эффектов

в материалах микросхем..............................................................................................34

2.2.1. Тепловые эффекты.................................................................................................37

2.2.2. Термомеханические эффекты...............................................................................42

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ В МИКРОСХЕМАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СТАТИЧЕСКИХ ВИДОВ ИЗЛУЧЕНИЯ С МАЛОЙ МОЩНОСТЬЮ...................................................................................................................50

3.1. Общие принципы моделирования........................................................................51

3.2. Математическая модель деградации электропараметров микросхем в полях ионизирующего излучения малой мощности в различных термотоковых режимах.................................................................................................54

ГЛАВА 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИОНИЗАЦИОННЫХ ЭФФЕКТОВ И ЭФФЕКТОВ СМЕЩЕНИЯ.......................................................................................................................62

4.1. Общие принципы моделирования ионизационных эффектов и эффектов смещения с помощью макромоделирования..............................................................62

4.2. Математические модели прогнозирования

ионизационных эффектов и эффектов смещения...................................................71

ГЛАВА 5. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ ИМС В ТИПОВЫХ АРМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ................................99

5.1. Архитектура и развитие технических средств типовых АРМ...................... 100

5.1.1. Обзор уровня и перспектив развития САПР изделий электронной техники......101

5.1.2. Архитектура АРМ проектирования ИЭ и ВТ...................................................107

5.1.3. Состояние и пути развития отечественных АРМ.............................................117

5.2. Структура программных средств проектирования

микросхем в типовых АРМ на ПЭВМ.......................................................................126

5.3. Базовые графические средства описания проектов типовых АРМ ...........132

5.3.1. Особенности структуры базовой графической подсистемы.................................................132

5.3.2.Особенности реализации лингвистических и информационных средств............138

5.3.3. Возможности основных алгоритмов..................................................................145

5.3.4. Особенности программной реализации базовой графической подсистемы... 162

5.4. Программные модули, обеспечивающие учет радиационных эффектов в подсистеме моделирования цифровых

радиационно-стойких микросхем...........................................................................171

5.4.1. Комплекс программ расчета стойкости микросхем по тепловым и термомеханическим эффектам....................................................................................171

5.4.2. Комплекс программ расчета электропараметров микросхем при воздействии импульсных видов излучения.....................................................................182

5.4.3. Комплекс программ расчета электропараметров микросхем при воздействии статических видов излучения малой мощности......................................189

5.5. Системный подход к моделированию параметров радиационно-стойких цифровых микросхем в АРМ проектирования изделий электронной техники и режимы работы подсистемы..........................196

5.5.1. Реализация системного подхода при проектировании

радиационно-стойких ИМС в разработанной подсистеме.........................................196

5.5.2. Режимы работы подсистемы.............................................................................201

ГЛАВА 6. ЭФФЕКТИВНОСТЬ СРЕДСТВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЦИФРОВЫХ РАДИАЦИОННО-СТОЙКИХ МИКРОСХЕМ............................................................207

6.1. Экспериментальная оценка точности и эффективности

разработанных средств моделирования..................................................................208

6.2 Внедрение средств моделирования.....................................................................213

6.3. Разработка методического обеспечения..........................................................225

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................................234

ЛАТЕРАТУРА....................................................................................................................237

Введение

Актуальность проблемы. Расширение сферы применения элементной базы в различных системах управления и контроля на космических летательных аппаратах, в ядерных энергетических установках на судах, космических кораблях и т.п., атомных электростанциях (АЭС), для которых возможны, кроме нормального режима работы, и нештатные ситуации, требует создание целого класса ра-диационно-стойких ИМС.

Известные отечественные и зарубежные программные комплексы, системы и подсистемы, предназначенные для автоматизированного проектирования ИМС или не позволяют прогнозировать работоспособность ИМС в условиях воздействия ионизирующего излучения (ИИ), или прогнозируют ее не полностью. Это связано прежде всего с тем, что такие автоматизированные САПР не имеют проблемно-ориентированных подсистем с соответствующей информационной базой, математическим и программным обеспечением.

Кроме того, постоянно меняются требования по составу и параметрам ИИ. Недавно проведенный анализ внешней дестабилизирующей обстановки реальных условий эксплуатации ИМС в космическом пространстве, на АЭС и т.п. показал, что требуется существенная корректировка параметров ИИ по спектрально-энергетическим и амплитудно-временным характеристикам. Это приводит к модификации, а в некоторых случаях и пересмотру, физических моделей, определяющих воздействие радиации на ИМС, что ведет к необходимости соответствующей математической и программной модификации САПР в части учета влияния ИИ.

Одним из ключевых моментов модификации САПР является новый подход к физической стороне процессов, протекающих в ИМС. Исследования, проведенные в последнее время, подтвердили, что существует глубокая связь между процессами, связанными с деградацией электропараметров от радиации и естественного старения. Это проявляется при моделировании факторов космического пространства, для которого характерна низкая интенсивность воздействия радиации. В существующих САПР практически отсутствуют средства моделирования, которые способны моделировать комплексное воздействие естественного старения и радиации.

Следует отметить, что также недостаточно освещены вопросы моделирования тепловых и термомеханических эффектов, характерных для рентгеновского излучения, особенно в части соответствующего математического и программного обеспечения. Причем комплексное моделирование тепловых эффектов и эффектов, связанных с процессами ионизации и необратимой деградацией параметров, решено не достаточно полно на уровне физического моделирования и тем более на математическом и программном уровне в системе автоматизированного проектирования.

Недостаточно отработаны методы проектирования на схемотехническом уровне БИС и СБИС, учитывающие процессы радиационного воздействия и естественного старения. Это связано, с одной стороны, с увеличением числа компонентов системы и функциональных связей между ними, а с другой стороны, с постоянным уточнением радиационного воздействия.

В этой связи следует отметить то, что увеличение степени интеграции и функциональной сложности ИМС поставило задачу совершенствования технических средств проектирования.

Проектирование ИМС на функционально-логическом уровне также требует своего решения в части учета необратимых эффектов радиации и переходных эффектов. В настоящее время для этой цели применяются различные подходы, но они не учитывают комплексного характера изменений характеристик логических параметров, вызванных различными процессами деградации.

Таким образом, для создания радиационно-стойких ИМС, в области теории и разработки САПР были выдвинуты актуальные задачи, которые потребовали комплексного подхода к автоматизированному проектированию, начиная от совершенствования технических средств и физических моделей процессов и заканчивая математическим обеспечением и программной реализацией.

Цель работы: создание и исследование автоматизированной подсистемы моделирования ИМС при эксплуатации в полях ионизирующего излучения, которая обеспечивает комплексный подход и учитывает последние требования в части характеристик воздействия ИИ.

Эта подсистема должна прогнозировать показатели радиационной стойкости и параметрической надежности в различных режимах эксплуатации и про-

водить анализ работоспособности ИМС с целью оптимизации параметров ИМС по критерию радиационной стойкости.

Для решения поставленной цели должны быть решены следующие основные задачи:

- формирование методологии единого системного подхода при прогнозировании работоспособности ИМС в условиях ИИ;

- разработка моделей физических процессов, происходящих в конструкции ИЭТ при воздействии ИИ с сильной степенью поглощения (рентгеновское излучение), которые учитывают изменение тепловых и термомеханических процессов во времени и в зависимости от габаритных размеров конструкции;

- создание модели деградации электропараметров ИМС при воздействии статических видов ИИ с учетом мощности дозы, температуры среды и режима работы ИМС;

- создание моделей активных компонентов биполярных ИМС, которые зависят от конструктивно-технологических особенностей исполнения, режимов работы ИМС, спектрально-энергетических и амплитудно-временных характеристики гамма-, рентгеновского и нейтронного излучений с учетом последних требований к параметрам воздействующей радиации;

- разработка алгоритмов и программного обеспечения для моделирования реакции ИМС на импульсное ИИ;

- разработка алгоритмов и программного обеспечения, позволяющих моделировать тепловые и термомеханические процессы, происходящие в конструкции ИЭТ при импульсном ИИ;

- разработка алгоритмов и программного обеспечения, позволяющих моделировать поведение электропараметров ИМС к статическим видам ИИ;

- создание программного и информационного обеспечения для комплексного автоматизированного моделирования работоспособности ИМС в составе САПР;

- разработка АРМ для проектирования ИМС в условиях воздействия ИИ и интеграция программно-технического комплекса в состав автоматизированных средств сквозного проектирования.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы физические методы исследования поведения ИМС в условиях ИИ, теории сис-

темного анализа, методы вычислительной математики, структурного и системного программирования, теории цепей, методы теории графов, а также новые информационные технологии.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

1. Методология единого системного подхода при прогнозировании поведения ИМС в условиях воздействия ИИ, основанная на комплексном подходе к процессам: энерговыделения, взаимодействия процессов естественного старения и радиационной деградации. Разработка методики поэтапного подхода к прогнозированию поведения ИМС в условиях ИИ.

2. Модели тепловых и термомеханических процессов, происходящих в конструкции ИЭТ при воздействии ИИ с сильной степенью поглощения (рентгеновское излучение), которые учитывают изменение характера этих процессов во времени и в зависимости от габаритных размеров конструкции, а также возможность определения температуры активных компонентов в любой момент времени для моделирования работоспособности ИМС на схемотехническом уровне.

3. Модель деградации электропараметров ИМС при воздействии статических видов ИИ с учетом мощности дозы, температуры среды и режима работы ИМС, а также взаимного влияния процессов деградации от радиации и естественного старения.

4. Модель активных компонентов биполярных ИМС и макромодель выходного биполярного элемента цифровых логических ИМС ТТЛ и ТТЛШ, определяющие работоспособность в полях ИИ, учитывающие конструктивно-технологические особенности исполнения, режимы работы ИМС, спектрально-энергетические и амплитудно-временные характеристики ИИ, включая последние требования к параметрам радиации.

5. Алгоритмические процедуры и программное обеспечение автоматизированного определения показателей стойкости и надежности, а также их зависимостей от амплитудно-временных и спектрально-энергетических характеристик ИИ.

6. Подсистема моделирования характеристик ИМС, применяемых в полях ИИ, которая обеспечивает комплексный подход к радиационному воздействию и учитывает последние требования в части характеристик воздействия ИИ.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Развита методология единого системного подхода при прогнозировании поведения ИМС в условиях ИИ, которая использует предложенные принципы: единства процессов энерговыделения различных видов ИИ и единство рассмотрения процессов деградации ИМС от естественного старения и радиации с учетом зависимости от широкого набора входных воздействий, включая радиационное воздействие, состоящее из нескольких видов ИИ, разнесенных во времени.

2. Разработаны модели физических процессов, происходящих в конструкции ИЭТ при воздействии ИИ с сильной степенью поглощения (рентгеновское излучение), которые отличаются учетом динамики тепловых и термомеханических процессов и зависимостью термомеханического напряжения от габаритных размеров конструкции, а также возможностью определения температуры активных элементов в любой момент времени.

3. Разработана модель деградации электропараметров ИМС при воздействии статических видов ИИ, в которой предложен принцип учета мощности дозы, температуры среды и режима работы ИМС, включая взаимодействие процессов естественного старения и деградации электропараметров от радиации.

4. Разработаны модели активных компонентов биполярных ИМС и предложена макромодель выходного биполярного элемента цифровых логических ИМС ТТЛ и ТТЛШ, отличающиеся не только учетом конструктивно-технологических особенностей исполнения и режимов работы ИМС, но и влиянием спектрально-энергетических и амплитудно-временных характеристик ИИ на показатели стойкости, включая последние требования к характеристикам воздействующей радиации.

5. Разработаны алгоритмы для прогнозирования поведения ИМС в условиях ИИ и программное обеспечение автоматизированного определения показателей стойкости и надежности, а также их зависимостей от амплитудно-временных и спектрально-энергетических характеристик ИИ.

6. Модифицированы технические средства и создана подсистема САПР для анализа и проектирования радиационно-стойких ИМС.

Практическая ценность работы.

Разработанный комплекс методов, алгоритмов и созданная автоматизиро-

ванная подсистема позволяет существенно расширить класс решаемых прикладных задач по радиационной стойкости ИМС. Основной практический вывод диссертационной работы заключается в создании единой методологии анализа радиационной стойкости ИМС при воздействии различных видов ИИ и разработке на ее основе инструментария для заказчиков и инженеров служб, отвечающих за радиационную стойкость ИМС.

Методы, алгоритмы и комплексы программ, взаимодействующих в автоматизированной подсистеме, разработанные в диссертации, внедрены на ряде предприятий, выпущены отраслевые руководящие материалы (РМ) и документы (РД), которые позволяют не только определить показатели стойкости ИМС, но и проектировать радиационно-стойкие ИМС. Использование этих методов дает ценную информацию по анализу поведения компонентов ИМС в условиях ИИ, которую практически невозможно