автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Прогнозирование долговечности кремниевых биполярных интегральных схем по параметрическим отказам

гч. о-

СГ-

На правах рукописи

о?

Строгонон Андрей Владимирович

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КРЕМНИЕВЫХ БИПОЛЯРНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ ПО ПАРАМЕТРИЧЕСКИМ ОТКАЗАМ

Специальность 05.27.01 - Твердотельная электроника,

микроэлектроника и наноэлектроникя

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 1997

Работа выполнена на кафедре 'Полупроводниковая электроника' Воронежского государственного технического университета

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Горлов М.И.

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Петров Б.К.

кандидат технических наук Удовик А.П.

Ведущая организация

Воронежский завод полупроводниковых приборов

Защита диссертации состоится «9» декабря 1997 года в И часов на заседании диссертационного совета Д 063.81.01 при Воронежском государственном техническом университете (394026, Воронеж, Московский пр., 14, конференц-зал).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного технического университета

Автореферат разослан «Зо » СКГ1Я&Р1З 1997 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Горлов М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Для периода нормальной работы в отечественной практике установлено, что интенсивность отказов X для интегральных схем (ИС) высокой надежности характеризуется величиной от 10 6 до 10"9 1/ч и сверхвысокой надежностью от 10"' 1/ч и ниже. Учитывая линейную зависимость Л для этого периода от времени, получаем среднюю долговечность для ИС высокой надежности от 1 млн ч до 1 млрд ч и для схем сверхвысокой надежности более 1 млрд ч. Так как в календарном году 8760 ч, то это составит от 114 до 114155 лет и более.

В настоящее время в отечественных технических условиях (ТУ) на ИС установлены наибольшие показатели долговечности, равные 200 тыс.ч, и гамма-процентного ресурса сохраняемости - 25 лет при у = 95%. Это практически сегодня полиостью удовлетворяет все виды радиоэлектронной аппаратуры, в которых используются ИС. Но могут ли ИС практически сохранять свою работоспособность в течение 30 и более лег? Изменения каких составляющих конструкций схемы будут преобладать при длительной работе? Какими испытаниями можно подтвердить долговечность ИС? Возможно ли достоверно прогнозировать по поведению основных электрических параметров долговечность ИС на основе длительных испытаний? Ответы на данные вопросы практически отсунянугаг в научной литературе.

При прогнозировании долговечности высоконадежных ИС возможны два подхода: исследование физико-химических процессов, протекающих в элементах конструкции ИС, и составление выражений, отражающих закономерности этих процессов (физические методы прогнозирования), и математическое моделирование процесса деградации параметров ИС с функциональным оператором, подобным функциональному оператору исследуемого объекта (методы статистического прогнозирования). Физические методы прогнозирования позволяют моделировать воздействие одного или двух, максимум трех факторов, приводящих к ускорению процесса старения схемы. Однако эти методы не позволяют прогнозировать долговечность ИС в условиях эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры, поскольку не удастся учесть влияние множества факторов на их долговечность. При прогнозировании долпшечности высоконадежных ИС методы статистического прогнозирования являются более предпочтительными, однако нет единой точки зрения в выборе этих методов. Спектр предлагаемых к использованию статистических методов прогнозирования долговечности ИС по параметрическим отказам, базирующихся на позициях общих теорий, очень широк: имитационное моделирование, параметрическая надежность, распознавание образов, теория катастроф, анализ и прогнозирование временных рядов (метод Бокса-

Дженкинса) и т.д. Одним из преимуществ метода Бокса-Дженкинса перед другими методами прогнозирования является то, что он позволяет определить модели временных радов деградации параметров ИС, которые можно использовать для прогнозирования долговечности схем по параметрическим отказам. Но эти методы не доведены до практического использования в инженерной практике, поэтому в литературе отсутствуют конкретные практические примеры прогнозирования долговечности серийно выпускаемых ИС.

Данная работа выполнялась по теме ГБ 96-34 'Исследование и моделирование физических процессов в полупроводниковых материалах и приборах'.

Цель и основные задачи работы. Целью является решение научно-технической проблемы- прогнозирования долговечности серийно выпускаемых кремниевых биполярных ИС по параметрическим отказам, предназначенных дли эксплуатации в РЭА с длительным сроком активного существования. Для достижения этой цели определен комплекс основных работ, включающий:

анализ существующих методов прогнозирования долговечности ИС и долговечности элементов конструкции;

выбор метода прогнозирования долговечности биполярных ИС по параметрическим отказам;

определение минимального времени испытаний ИС, достаточного для получения достоверного прогноза по долговечности;

анализ и оценка долговечности кремниевых: биполярных ИС, выпускаемых серийно Воронежским заводом полупроводниковых приборов (ВЗПП);

экспериментальное и теоретическое обоснование метода прогнозирования долговечности ИС по параметрическим отказам при длительных механических и климатических воздействиях.

Научная новизна. В результате выполнения диссертации получены следующие новые научные и технические результа ты:

1. По данным наработки ИС типов 106ЛВ1 и 134ЛЫ в течение 70-120 тыс.ч разработан метод прогнозирования долговечности ИС по параметрическим откатам, основанный на методе Бокса-Дженкинса, применяемом для анализа и прогнозирования нестационарных случайных процессов и временных рядов различной природы.

2. Обоснована возможность использования разработанного метода для прогнозирования времени наступления параметрических отказов по данным наработки в течение времени, составляющего 20-30 % от гарантированной в ТУ долговечности.

3. Показано, что разработанный метод применим для прогнозирования процесса деградации электрических параметров ИС при длигсльнмх механических и климатических воздействиях.

Реализация результатов работы. Практическая значимость

1. Разработан и реализован на ЭВМ метод прогнозирования долговечности биполярных ИС по парамс!рическим отказам, основанный на методе Бокса-Дженюшса.

2. Проведено прогнозирование времени наступления параметрических отказов ИС типов 106ЛЕ1, 134ЛБ1, 134РУ6, 1804ИР1, 582ИК1 поданным испытаний на долговечность продолжительностью 25 - 120 тыс.ч.

3. На основании предложенного метода прогнозирования долговечности ИС по параме1рическим отказам синтезирован класс моделей АРПСС для описания процесса деградации параметров иог. и 1)0н ИС типов 106ЛБ1, 134ЛБ1, 134РУ6, 1804ИР1, 582ИК1, серийно выпускаемых ВЗПП. Деградация наихудших значений параметров при различных видах испытаний адекватно описывается обобщенной моделью АРПСС(0,(1,<|) (для параметра и01.) и моделью АРПСС(рД0) (для параметра и0ц). где й, q и р принимают значения 1 или 2.

4. Определена долговечность ИС типов 106ЛБ1, 134ЛБ1 по параметрическим отказам в условиях длительных механических и климатических воздействий.

Основные положения, вьпюсимыс на защиту

1. Метод прогнозирования долговечности кремниевых биполярных ИС по параметрическим отказам на основе метода Бокса-Джснкинса.

2. Обоснование замены длительных испытаний ИС на долговечность их моделированием на ЭВМ на примере ИС типов 134РУ6, 1804ИР1, 582ИК1, имеющих наработку, составляющую 20-30 % от гарантированной в ТУ долговечности.

3. Использование данного метода для прогнозирования процесса деградации элекгрических параметров ИС в условиях механических и климатических воздействий

Апробация работы. Рсзулыаты диссертации, полученные в работе, докладывались на ежегодных научно-технических семииарах: 'Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах' (Москва, МЭИ, 1995-1996); на ежегодных межвузовских научно-технических конференциях: 'Микроэлектроника и информатика' (Москва, МГИЭТ, 1995-1996); на IX и X отраслевых научно-технических конференциях: 'Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов' (Воронеж, 1995-1996), на Международной научной конференции 'Системные проблемы теории

надежности, математического моделирования и информационных юхисшиий' (Москва-Сочи, 1996); на Международном семинаре 'Релаксационные явления в твердых телах' (Воронеж, 1995); на 35-37 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов (Воронеж, ВГТУ, 1995-1997).

Публикации. Но теме диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 4 статьи в центральных журналах и монография. В работах, опубликованных с соавторами, диссертанту принадлежат проведение экспериментов, выбор модели, разработка алгоритмов и программ, расчет на ЭВМ, обсуждение полученных результатов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и -приложения. Работа содержит 157 страниц, в том числе 26 таблиц, 44 рисунка, включая список литературы из 166 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен литературный обзор по проблеме прогнозирования долговечности высоконадежных кремниевых интегральны?: схем.

Глава состоит из четырех разделов. В первом разделе рассмотрены физические методы прогнозирования долговечности ИС. Показана сложность подтверждения экспериментальной интенсивност и отказов порядка 10"8 1/ч и ниже современных ИС. Отмечено, что физические методы прогнозирования в своей основе не имеют строгих математических уравнений. За базовую модель, онисыпающую зависимость долговечности от температуры, в отечественных отраслевых стандартах тина РД 11.0755-90 и зарубежных справочниках по прогнозированию надежности типа М1ИШВК-217 (США) принята модель Аррениуса. Рассмотрены различные виды ускоренных испытаний ИС на долговечность. Обсуждаются экспериментальные оценки долговечности ИС, полученные с помощью этих методов. Согласно данным зарубежной литературы по ускоренным испытаниям кремниевых КМОП и биполярных ТТЛ ИС, интенсивность отказов имеет бимодальный характер, а долговечность при экстраполяции к температуре +55 "с? оценивается величиной более 100000 лет. Однако в литературе отсутствую! данные по

фактической /юработкс НС, подтверждающие достоверность прогнозов ускоренных испытаний.

Во втором разделе рассматриваются модели коэффициентов ускорения интенсивности отказов при действии различных ускоряющих факторов. Приводятся эмпирические формулы для определения долговечности элементов конструкции ИС. На основе обобщения литературных данных показано, чго при больших временах наработки деградационные процессы, протекающие в металлизации и оксиде Si современных ИС, вносят наиболее ощутимый вклад в причины отказов. Обсуждаются экспериментальные и теоретические оценки долговечности алюминиевой металлизации и оксида Si в зависимости от их конструетивно-технологических особенностей и режимов проведения ускоренных испытаний. Установлены факторы, влияющие на долговечность алюминиевой мегиллизации: конструкционные, технологические, эксплуатационные. Вычисленная долговечность алюминиевой металлизации по известным в литературе моделям изменяется в зависимости от структуры металлизации от 0.1 до 10е лет при Г = 50 °с и одинаковой площади поперечного сечения и плотности тока. Выводы показывают, что за начало наступления периода старения, связанного с оксидом Si, можно взять период 10-30 лет для схем, выполненных по микронной технологии. Для БИС и СБИС в случае использования специальных схемотехнических и конструкторско-технологических решений долговечность может бьггь получена 100 и более лет.

В третьем и четвертом разделах приводятся современные взгляды на проблему прогнозирования долговечности ИС. Кратко рассмотрены деградационные процессы и методы прогнозирования долговечности ИС по параметрическим отказам с позиций теорий: параметрической надежности, распознавания образов, катастроф, анализа и прогнозирования временных рядов. Отмечено полное отсутствие практических примеров прогнозирования долговечности ИС по наработке свыше 30 тыс.ч.

Во второй главе приведены основные конструкторско-техпологические особенности исследуемых ИС серий 106, 134, 582 и 1804. ИС серий 106, 134 обладают сверхвысокой надежностью, а ИС серий 1804, 582 - высокой. Гарантируемая долговечность ИС серий 106, 134 - 150 тыс.ч и в облегченном режиме 200 тыс.ч. Проведен первичный анализ данных но де1рэдации параметров ИС типа 106ЛЫ, имеющих фактическую наработку при испытаниях на долговечность 120 тыс.ч. Предложена итеративная схема метода протезирования долговечности ИС но параметрическим отказам с использованием метода Бокса-Дженкинса (рис.1). Согласно этому методу нестационарный временной ряд деградации параметра ИС представляется моделью авторегрессии проинтегрированного скользящего среднего (АРПСС) н прямой и возвратной форме:

I. Сбор данных испытаний ИС;

1.1. Оценка погрешности измерений;

1.2. Анализ данных (первичная статистическая обработка);

1.3. Преобразование исходных данных во временные ряды

2. Постулирование вида модели АРПСС по параметру наиболее сильно подверженному деградации;

2.1. Пробная идентификация модели;

2.2. Оценивание параметров модели;

2.3. Диагностическая проверка остатков модели и ее испытание

Нет

3. Удовлетворяет ли модель статистическим критериям

Да

]

4. Прогнозирование времени наступления параметрического отказа

5. Преобразование полученной информации в информацию основных показателей надежности

Пет

6. Прогноз адекватен имеющимся экспериментальным данным наработки ИС

Да

3

7. Использование модели |

Рис. 1. Структурная схема итеративного метода прогнозирования долговечности ИС но параметрическим отказам

Прямая форма: - (Кв)а,, I (1,1 2,...,

Возврашая форма: Жг^Ч'г, - (?(/•>,, I - -1,-2,...,

iK.II) - I Ф,Н- АН' . . ф,Нг I - Л'"'

(?(//)=--1 0хВ-02Н70^1!" =1- £<7 Л' (.'С- оператор ,

где ¿(И), {Ч/-') операторы пнторегресснн (Л11). Я,/''- операторы сдвига; V - оператор разности: V1/?, ■-.-- 7., (1- Н)У.,\ ^-нестационарный

временной ряд ди-радирующего параметра ИС; ¿-порядок разности, обеспечивающий переход от нестационарного ряда к эквивалентному стационарному; р порядок авторегрессии; 0(В), 0(Р) - порядок и операторы проинтирированного скользящей» среднего (СС) соответственно; а,,е, - последовательности независимых случайных величин, имеющих одинаковое нормальное распределение (белый шум).

На основе данных испытаний ИС типа 106ЛБ1 на долговечность, в течение 120 тыс.ч ставилась задача по части данных 30, 60, 90 тыс.ч испытаний подтвердить возможность прогнозирования поведения параметров схем с использованием метода Бокса-Дженкннса до 120 тыс.ч, а в случае положительного решения, осуществить прогнозирование долговечности ИС до наступления параметрического отказа, распространить этот метод на ИС с меньшей наработкой и определить минимальное время испытаний, достаточное для построения достоверных прогнозов по долговечности.

Приводится подробное описание основных этапов метода на примере деградации статических параметров ИС типа Ю6ЛБ1 выпуска января 1980 г., имеющих безотказную наработку 120 тыс.ч. Подгонка модели к экспериментальным данным осуществляется на примере деградации параметра 1101. (выходное напряжение низкого уровня) по следующей схеме:

1. Формирование временного ряда деградации параметра и0ь путем выбора наихудших значений столбцов информационной матрицы С?[у]. Строки матрицы \ - порядковые номера схем, столбцы - значения параметров и01. в момент ] го замера.

2. Используя снлайн-аппроксимацию (кубический сплайн с 34 точками перегиба), ич исходного временной) рмда деградации, составленной) из максимальных значений параметра и0\. в выборке продолжительностью 120 тыс.ч (40 измерений), формируются (произвольно) четыре ряда: 30 (ряд 1), 60 (ряд 2), 90 (ряд 3) и 120 (ряд 4) точек с интервалом времени 1000 ч. Ряд 1 строится по экспериментальным данным испытаний ИС на долговечность в течение времени 30 тыс.ч, а рялы 2,3.4 построены по аппроксимированным значениям. Адекватность аппроксимации кубическим сплайном проверяется по критерию Фишера.

3. Формируются разностные ряды У'2,, ¿/ = 1,2,3 до тех пор, пока они не окажутся стационарным» относительно математического ожидания и дисперсии. Выбирается разностный ряде наименьшей дисперсией.

4. Проводится идентификация подгоняемых моделей АРПСС к временным рядам деградации параметра и0].. Строятся автокорреляционная функция г(к) (ЛКФ) и частная АКФ ф(кА) (ЧАКФ) для наиболее длинного ряда (ряд 4): г,, его первой и второй разности Vх'/.,, и проводится пробная идентификация подгоняемых моделей АРПСС по внешнему виду этих функций иугем сравнения с теоретическими АКФ и ЧАКФ моделей АР, СС и АРПСС.

5. Но вычисленным значениям /-(А) с помощью специальных диаграмм проводится предварительное оценивание параметров модели АРПСС (рДя).

6. Точный поиск неизвестных параметров модели АРПСС Ф,0,а, осуществляется с использованием возвратной формы модели АРПСС (прогнозирование назад) нелинейным методом наименьших квадратов (демпфированный метод Ньютона или Гаусса-Ньютона). При этом предварительные оценки параметров, полученные на этапе 5 и использующиеся как начальные значения, будут переоценены методом наименьших квадратов путем минимизации суммы квадратов остатков.

7. Диагностическая проверка адекватности подгоняемых моделей АРПСС состоит из двух этапов. На первом этапе проводятся проверка с помощью критерия согласия Стьюдснта статистической значимости оценок параметров авто регрессий и процессов скользящего среднего, взаимокорреляции этих оценок; качественное исследование АКФ и ЧАКФ остаточных ошибок подгоняемых моделей; анализ остатков - оценка неадекватности модели по первым К- 20 автокорреляциям остаточных ошибок гк(а), к .-= 1,..., А', путем вычисления совокупного критерия согласия 0 и сопоставление его со статистикой хпроверка на 'нормальность'; качественная проверка на существование тренда в остатках; испытание подошанной модели, т.е. введение избыточных параметров, которые должны показать, улучшается ли воспроизводимость значений ряда данной моделью или нет, и проверка на стабильность параметров модели во времени. На втором этане индентифицируемая модель АРПСС сравнивается с наилучшей возможной моделью (например, с моделью линейног о тренда) но критерию наименьшей статочной дисперсии.

8. Прогнозирование наступления параметрических отказов осуществляется с использованием разностного представления модели АРПСС(0,1,2):

7;а = ^ы-, - - в7а,„--. < аы •

г де - прогноз в момент времени I с упреждением I. За параметрический отказ принят» достижение верхней (для параметра иог.) или нижней (для параметра выходное напряжение высокого уровня (11он)) границей 90 %

к

доверительного интервала прогнозируемых значений отказового уровня, установленного в 'ГУ. На основе разработанной схемы метода, для рядов 1, 2, 3 сформирована гипотеза об адекватном описании моделью ЛРПСС(0,1,2) процесса деградации параметра и0]. при испытании на долговечность п течение 120 тыс.ч (табл.1). Осуществлено прогнозирование долговечное™ по наихудшим значениям параметров и01. и иои ИС типа 106ЛБ1 (рис.2) н 134ЛБ1 по наработке 70-120 тыс.ч (рис.3), типов 1804ИР1, 134РУ6 по наработке 25 тыс ч, и тина 582ИК1 по наработке 40 тыс.ч (табл.2).

В третьей главе проводится анализ данных по надежности и сохраняемости ИС серии 106, 134 по данным из сферы эксплуатации РЭА. Анализ отказов ИС серии 134 (рис.4), забракованных потребителями в 1993-1994 гг., показал отсутствие периода старения, связанного с износовыми механизмами отказов. Приводится анализ результатов испытаний ИС типа 106ЛБ1 в условиях полевого и складского хранения в течение 15 лет и прогнозирование ресурса сохраняемости с использованием модели линейного тренда, диффузионно-немонотонного и нормального распределений. Показано отсутствие старения по параметрам и01. и и0ц при использовании модели линейного тренда.

О 10 20 30 40 50 60 70 ВО 90 100 110 120 130 140 150 180 Время шлштаний х 1000 ч

---- Ряд деградации ..... Прогноз ........- ±ЗЦ% дов. инт.

Рис.2. Пример графической верификации прогнозов модели АРПСС(0,1,2), подогнанной для параметра Uffl. ИС тина 106ЛБ1, при испытаниях на долговечность в течение 120 тыс.ч: ]-прогноз для ряда 1; 2-прогноз для ряда 2; 3-нрогноз для рада 3; 4-прогноз для ряда 4

о

Таблица 1

Сводка моделей АР11СС(0,1,2) иден-тфицированных да и временных радов ____деградации параметра U01. ИС тина 106JIE1______

Ряд Идентифицированная модель (стандар пше ошибки) Совокупный критерий сю гласил, 0

1 Z, = Z,_, + а, - 0.400а, , - 0.596а,.г + (0.032)2 (±0.169) (±0.167) 2.95

2 Z, = Z,., t а, - 0.37Ц_, - 0.626а,_2 + (0.023)! (±0.109) (±0.107) 5.74

3 Z, = + -0.360а,-0.638а,_г +(0.019)3 (±0.087) (±0.084) 9.14

4 Z, = + а, - 0.228а,- 0.538а,_2 + (0.017)1 (±0.080 (±0.085) 11.90

«ОН.В 38 3.6 3.4 32 3.0 2 Б 2.6 24 22

О 20 40 Ю 80 1С0 120 140 160 180 200 220 Время испытан ив х 1000 ч

-Ряд деградации .....Прогноз ------- 190%Д°я"нт.

1'нс.З. Поведение параметра Uon ИС тана 134ЛБ1Б (110 тыс.ч, ноябрь 1981 и 70 тыс.ч, октябрь 1981) при испытаниях на долговечность и прогнозы модели АРПСС(2,1,0) до наступления параметрического отказа (недостающие значения получены с помощью аппроксимации линейной регрессии)

Четвертая глава включает два раздела. Первый раздел посвящен исследованию влияния одиночных (300) и многократных (30000) ударов на параметры UOL и Ц_>н ИС тина 134ЛБ1. Провод шея протезирование стойкости ИС типа 134ЛБ1 к воздействию одиночных (рис.5) и многократных ударов по наихудшим и средиим значениям параметров согласно разработанному методу прогнозирования долговечности ИС по параметрическим отказам (габл.З), при ужесточении критерия отказа до

ю

Сабли на 2

Результаты upoi позирования времени н.тсчушютп параметрического oiyaia по параметрам И Ц ,л ИС типов 106ЛП1, 134ЛЫ. 13-11'Уб, 1К01И1Ч, 5Я2ИК1

Параметр 1)ид модели API 1С .С Прогнозируемая долговечность ИС с учетом 90 % доверительных интервалов, тыс.ч

ИСтипа 10ЛП1, 120 тыс.ч испытаний (яппа рь1980)

Mo,. AP1ICC(0,1,2): 150

V'Z, а, - 0 22Ха, , - 0.538л,. г +■ (0.017)г

Ион АРНСС(0,1,5):

V>Z, =- а, | 0.282я,,, + 0.485а,., + 0.450а,., + 130

* 0.322л,.4 + 0.670о,_5 + (0.017)'

ИСтипа 134ЛБ1, 110 тыс. ч испытаний (ноябрь 1981)

Uoi. APIICC(0,1,1): V'Z, =о, -0.718я,_, +(0.002)' >300

"ш АР11СС(2,1,0): V'Z, + 0.685V'Z,., + 0334V'Z,., -- а, + (0.082)' 215

ИСтина 134ЛБ1, 70тыс.ч испытаний (октябрь 1981)

Uol ЛРПСС<0,1,1): V'Z, = а, -0.718а,., + (0.002)г >300

Uoh АРПСС(2,1,0):

V'Z, + 0.657V'Z,., + 0.32.3 V'Z,, a, l (0.01 f,)! >300

ИС типа 134РУ6, 25 тыс.ч испытаний (май 1988)

Uol АРПСС(0,2,2): V'Z, - a, f 0.250a,_, + 0663a,_2 + (0.002)' >300

ИС типа 1804ИР1, 25 тыс.ч испытаний (декабрь 1987)

Uol APIICC(0,1,1):V'Z, - a, + 0.869«,4 (0.001) 2 50

tW APHCC(1,1,0):V'Z, - 0.868V'Z,_, =a, 4 (0.001)1 275

ИСтина 582ИК1,40 тыс.ч испытаний (ноябрь 1986)

1 ¡сл. | АРПСС(0.2Л): \'г2, = а, + 0.43Г«, , ( (0.012)' 53

Рие.4. Области временного распределении дефект» ИС серил J 34 у изготовителей РЭА: ФЛ-дсфскш фоттито1рафии; ФК-брак но функциональному контролю; ЭХР-лмктрохимичес-кос разрушение металлизации

10

S кг

а

s J

к 10

ВхоттЛ контроль в нронгтидсгво

Эксплуатации

Врсмкх 1000 ч

H

ги.в

0.105 0.19 О 1В5 0 10 О 175 0 17 0.1Б5 0.1В

О 6 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Число ударов х 10

1'ис.5. Прогноз поведения параметра и01, ИС пин 134ЛБ1 до наступления парамефического отказа, при ресурсных испытаниях на стойкость к одиночным ударам: 1-наихудшие и прогноз модели АРПСС(0,1,1); 2-среднне значения и прогноз модели АРПСС( 1,1,0)

Таблица 3

Сводка моделей ДР11СС, идентифицированных дои временных рядов деградации параметров и01, и ион ИС типа 134ЛБ1 при ресурсных испытаниях на стойкость

к одиночным и многократным ударам

Параметр и его значение Вид модели АРПСС Прогнозируемое число ударов до параметрического отказа

Одиночные удары, 1000 б

Ь'о,.; среднее: наихудшее: иоа; среднее: наихудшее: ЛРПСС(1,1,0):У,7,-О.549У,г,_, = а, + (0.001)' АРПССХОЛДУ-Уг,-«, -о.742в,_, + (о.ооз)г АРГ1СС(1,2,0): т 0.561Уг2 , - а, ( <0.0! 1)! ЛГНСС(?,2,(!): + 0,824У'^, , 1 ПЛАТ*/1 У., . -- а, + (0.012)2 1000 500 370 380

и«,; срсднес: наихудшее: Мно1 ократные удары, 150 р ЛГ11СС(1,1,0): V1/, + , = а, ч (0.007)? А1'ИСС(1,1,0): I ().5«2У'21 , - а, ((ООО?)' 230000 120000

0.19 В вместо 0.3 В по ТУ для параметра иоь и до 2.95 В вместо 2.4 В для параметра и0ц. Покатано, чю процесс деградации наихудших значений параметров ИС типа 134ЛБ1. при механических воздейстьияк, описывается

п

обобщенной моделью APIlCC(0,d,q) для параметра Uol. н моделью ЛРПСС(рД0) дли параметра Uqh, применяемыми для описания процесса деградации параметров UOI, и Uoii ИС типа 106ЛБ1, 134ЛБ1, 134РУ6, 1804ИР1 и 582ИК1 при испытаниях па долговечность.

Во втором разделе исследуется влияние термоциклов в диапазоне температур -60...+ 80 °С (400 циклов) и термоциклов со ступенчатым повышением верхнего предела температуры - 60...+150 V (130 циклов), -60...+200 "С (20 циклов), -60...+225 "С (20 циклов) и -60...+ 250 V (20 циклов) на долговечность ИС тина 106ЛБ1. За время испытаний отказов не наблюдалось. На основе обработки ста тистических данных показано, что термоциклы в диапазоне температур эксплуатации РЭА -60...+ 80 °С практически не влияют на долговечность ИС типа 106ЛБ1.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Возможность экспериментальной оценки долговечности высоконадежных ИС испытаниями при нормальных условиях в электрических режимах, оговоренных ГУ, практически исключена. Методики, предлагаемые регламентирую« (ими документами, основанные на линейной зависимости параметра от нагрузки, не пригодны для прогнозирования долговечности высоконадежных ИС.

2. Предложен и реализован на ЭВМ метод прогнозирования долговечности кремниевых биполярных ИС но параметрическим отказам, основанный на методе Бокса-Дженкннса как с использованием стандартных статистических пакетов программ, так и собственно разработанной программы, адаптированной к прогнозированию долговечности ИС на основе экспериментальных данных по длительной наработке 70 - 120 тыс.ч в условиях и режимах, оговоренных в ТУ.

3. Установлено, что процесс деградации параметров Uor. и U0h ИС типов 106ЛБ1, 134ЛБ1, 134РУ6, 1804ИР1, 582ИК1 при испытаниях на долговечность и ресурсных испытаниях гга стойкость к воздействию механических факторов носит нестационарный временной характер.

4. Проведено прогнозирование долговечности по наихудшим значениям параметров U0i. и 1)0ц ИС типов 106ЛБ1, 134ЛБ1 по наработке 70-120 тыс.ч и определена их долговечность в условиях механических и климатических воздействий. Прогнозируемое время наступления параметрических отказов ИС типа 106ЛБ1 гго наработке 120 тыс.ч оценивается величиной 130-150 тыс.ч, для ИС типов 134ЛБ1, 134РУ6 по наработке 25-110 тыс.ч -215 тыс.ч и свыше 300 тыс.ч, и для ИС типов 1804ИР1, 582ИК1 по наработке 25-40 тыс.ч - 50-275 тыс.ч. На основе изучения поведения АКФ процесса деградации параметров UDi. и U0h ИС типа Ю6ЛБ1 (наработка J20 тыс.ч)

в

определено минимальное время испытаний, достаточное для построения достоверной« прогноза долговечности этих ИС, которое составляет 20-30 % от гарантируемой долговечности в ТУ.

5. На основе предложенного метода прогнозирования долговечности ИС по параметрическим отказам синтезирован класс моделей АРПСС для адекватного описания процесса деградации параметров U0l и Uqh ИС типов 106ЛБ1, 134ЛБ1, 134РУ6, 1804ИР1, 582ИК1, серийно выпускаемых ВЗПП. Деградация наихудших значений параметра UOI. при проведенных видах испытаний адекватно описывается обобщешюй моделью APnCC(0,d,q) и моделью АРПСС(рДО) для параметра U0h, где d, q, и р принимают значения 1 или 2.

6. Предложенный метод апробирован на данных ресурсных испытаний ИС типа 134ЛБ1 на механические воздействия. По результатам ресурсных испытаний ИС типа 134ЛБ1 (при ужесточенных критериях параметрических отказов) на стойкость к воздействию 300 одиночных удароц, прогнозируемое число одиночных ударов составит не менее 370, а по 30000 многократных ударов не менее 120000 ударов. Это позволяет сделать вывод, что механические нагрузки в пределах 150-1000 g слабо влияют на параметры UOI, и Uoh ИСтина 134ЛБ1.

7. Установлено, что термоциклы в диапазоне температур -60...+80 "С практически не влияют на поведение параметров U0l и Uqh ИС типа 106ЛБ1 нри ресурсных испытаниях. Прогнозирование с использованием модели АРПСС(0,2,1), идентифицированной для параметра Uol, показывает, что для наступления параметрического отказа потребуется 316 термоциклов в диапазоне температур -60...+ 250 "С.

8. На основе анализа отказов ИС серии 134 выпуска 1984-1994 гг. в РЭА с длительным сроком активного существования показано отсутствие участка старения на кривой интенсивности отказов, связанного с изиосовыми механизмами отказов, после 10 лет эксплуатации. Прогнозирование ресурса сохраняемости ИС типа 106ЛБ1 по результатам складского хранения с использованием различных моделей оценивается величиной 85-195 лет.

ОСПОВПЫК РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

РАБОТАХ:

1. Расчет надежности шпечральиич схем по конструктивно - технологическим данным / М.И. Горлов, С.Ю. Королев, A.B. Кулаков, A.B. Строгонок - Воронеж: Изд-во В1"У, 1996. 80 с.

2. Г'орлов М.И., Строгонов AB. Геронтология интегральных схем: прогнозирование долговечности ИС // Петербургский журнал электроники. 1996. N 4. С. 35-41.

М

3. Горло» М.И., Строгонов ЛИ. Прогнозирование долговечности ИС методом нестационарных временных рядов // Изв. вуз. Электроника. 1997. N 2. С. 63-67.

4. Горлоз М.И., Строгонов АВ. Прогнозирование долговечности интегральных схем // Надежность и контроль качества. 1997. N7. С. 45-52.

5. Горлол М.И., Строгонов АВ. Прогнозирование долговечности ИС но параметрическим отказам методом Бокса-Дженкинса // Твердотельная электроника и микроэлектроника: Межвуз. сб. науч. тр. - Воронеж: Изд-во В1ТУ, 1997. С. 48-53.

6. Горлои М.И., Строгонов АВ., Рольщиков В.Е. К вопросу о геронтологии интегральных схем // Релаксационные явления в твердых телах: Тез. докл. Международного семинара (Воронеж, 5-8 сентября 1995 г.). Воронеж, 1995. С. 191-192.

7. Горлои М.И., Строгонов Л.Н Геронтология интегральных схем: прогнозирование долговечности с использованием ускоренных испытаний // Шумовые и деградациошпле процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докл. науч.-техн. семинара (Москва, 2-5 декабря 1996 г.). М.: МНТОРЭС им АС. Попова, МЭИ, 1997. С. 303-311.

8. Горлоз М.И., Строгонов АВ. Стойкость ИС серии 134 к ресурсным испытаниям на многократные удары // Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах (метрология, диагностика, технология): Материалы докл. науч.-техн. семинара (Москва, 27-30 ноября 1995 г.). М.: МНТОРЭС им АС. Попова, МЭИ, 1996. С. 247-249.

9. Горлоз М.И., Рольщиков В.Е., Строгонов А В. Интерпретация зависимое™ интенсивности отказов от времени для ИЭТ с точки зрения геронтологии // Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов: Тез. докл. IX науч.-техн. конф. (Воронеж, март 1995 г.). Воронеж, 1995. С. 34-35.

10. Рольщиков В.Е., Строгонов АН. Временное проявление отказов интегральных микросхем серии 134 // Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов: Тез. докл. IX науч.-техн. конф. (Воронеж, март 1995 г.). Воронеж, 1995. С. 35-37.

11. Строгонов АВ., Рольщиков В.Е. Протезирование поведения параметров логических интегральных схем при длительных испытаниях на основе диффузионного распределения // Микроэлектроника и информатика -96: Тез. докл. межвуз. науч.-техн. коггф. М.: МГИЭТ(ТУ), 1996. С. 30.

12. Строгонов АВ., Рольтциков В.Е. Особенности процессов деградации ИС серии 134 //Состояние и иугн повышения надежности видеомагнитофонов: Тез. докл. X науч.-техн. коггф. (Воронеж, март 1996 г.). Воронеж, 1996. С. 53-54.

13. Строгонов АВ. Применение трепдовых моделей для прогнозирования поведения параметров ИС серии 134, подвергшихся механическим воздействиям // Состояние и пути повышения надежности видеомагнитофонов: Тез. докл. X науч.-техн. конф. (Воронеж, март 1996 г.). Воронеж, 1996. С. 51-53.