Животкевич И.Н., Смирнов А.П. Надежность технических изделий - файл n1.doc

Животкевич И.Н., Смирнов А.П. Надежность технических изделий
скачать (1198.9 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc3994kb.15.05.2011 21:14скачать

n1.doc

1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   23

5.3. Модели электронных элементов
ИЭТ являются основными элементами, обеспечивающими выполнения функций ЭО ТИ. Вследствие этого особое внимание уделяется описанию надежности электронных элементов и, в первую очередь, ИС. Анализ известных подходов оценок отказов ЭО показал, что рассмотрение надежности электронного элемента целесообразно реализовать через описание компонент ненадежности с использованием физических моделей деградационных отказов. Перед методом расчетной оценкой надежности электронного элемента ставятся следующие задачи:
- описать доминирующие компоненты ненадежности электронного элемента, с учетом конструктивных особенностей и технологии производства;
- учесть в расчетах ВВФ по периодам эксплуатации, характерные для эксплуатации ТИ.
5.3.1. Общая характеристика моделей надежности элементов
В настоящее время нашли применение два подхода в описании надежности ИЭТ [41]:
- с использованием коэффициентных методов оценки;
- на основе физических моделей отказа.
Коэффициентные методы основаны на некоторых базовых статистических значениях показателей надежности элемента, определенных для стандартных условий применения. Эти значения с использованием набора поправочных коэффициентов корректируются исходя из представления об эксплуатации анализируемого объекта. Вторая группа методов оперирует аналитическими и иными зависимостями, определяющими формирование отказовой ситуации в элементе.
Применение коэффициентных методов оценки надежности ИЭТ регламентировано определенными правилами, которые вводят в перечень работ по прогнозированию свойств ЭО составной частью прогнозирование надежности. Широкая номенклатура методов, которыми пользуются при прогнозировании надежности, основаны на использовании в качестве показателя ИО компонентов системы. Математические модели, отражающие статистическую связь компонентов системы, позволяют оценить ИО всей системы [42,43]. ИО отдельных ИЭТ, используемая в моделях прогнозирования надежности, может быть определена из:
- государственных банков данных (справочников), которые содержат обобщенные сведения об ИО, полученные на основании тестовых испытаний и результатов эксплуатации;
- материалов контроля и испытаний, проводимых изготовителями электронных элементов;
- справочников специализированных организаций, в которых описаны модели ИО (например, [44]);
- статистической информации об эксплуатации приборов.
Необходимость прогнозирования ЭТХ ЭО ТИ на любом этапе разработки, как правило, зависит от того, в какой степени данные, применяемые в модели, на которую опирается прогноз, отражают свойства элементов аппаратуры, которые применяются в системе.
Использование коэффициентных методов предполагает сравнение рассматриваемого ИЭТ с другим электронным элементом, надежность которого (базовая ИО) определена ранее и для него известна эмпирическая зависимость в виде функции, связывающей параметры надежности прибора с рядом коэффициентов. Эти коэффициенты учитывают:
- электрические и схемотехнические характеристики элемента;
- уровень сложности;
- особенности технологии производства и систему качества;
- влияние ВВФ.
Разработанные коэффициентные методы оценок надежности ИЭТ отличаются по степени детализации, учету видов и механизмов отказов, конструктивных и технологических особенностей. В целом они применяются для приближенной оценки порядка величины надежности, грубого сравнительного анализа ряда вариантов ИЭТ по признаку надежности. Достаточно точные результаты могут быть получены при сравнении изделий аналогичных по схемным и конструктивным параметрам и изготовленным в одинаковых условиях производства.
Использование для оценки надежности ИЭТ методов, основанных на проведении большого объема дорогостоящих испытаний, позволяет получить лишь интегральную величину свойств изделий. В этой связи все большее значение приобретают методы, основанные на подробном изучении физико-химических процессов, протекающих в материалах и формирующих определенную группу или вид отказов. Это позволяет как прогнозировать интервальные оценки надежности ИЭТ, ЭО, системы, так и, опираясь на причинно-следственные связи при различных видах отказов, устанавливать пути совершенствования конструкций и технологии производства систем и давать обоснованные рекомендации по методам повышения их надежности. Физико-химический подход связан со значительным объемом специальных теоретических и экспериментальных исследований процессов, протекающих в материалах и их композициях и носящих фундаментальный характер [42].
Перспективным подходом по оценке надежности ИЭТ является метод, в основу которого положено условное разделение ИЭТ на отдельные элементы (компоненты), каждый из которых представляет собой реальный технологический и конструктивный объект. Это дает возможность на основе анализа надежности простейших элементов ИЭТ, за счет объединения статистики по всем видам испытаний, в том числе элементов аналогичного назначения в разных типах, например ИС, повысить точность и достоверность оценки на этапе проектирования. Кроме того, это позволяет наиболее полно рассмотреть физическую картину каждого вида отказа и выделить основные механизмы отказов наиболее ненадежных компонентов. В табл. 11 представлено частотное распределение видов отказов ИЭТ [45].
Важное значение при развитии физико-математических методов обеспечения надежности ИЭТ имеет развитие способов описания случайных конструктивных и технологических параметров. Такое сочетание позволяет учитывать особенности производства и эксплуатации системы. Данное направление получило развитие в системе ФСМО.
Распределение видов отказов физико-статистической модели отказов

Таблица 11


Вид отказа ИЭТ

Частота появления отказа, %

Пробои окисла

32

Дефекты металлизации

24

Дефекты проволочных выводов

11

Дефекты монтажа

8

Дефекты рисунка

5

Загрязнения

4

Отказы не установленной природы

16



5.3.2. Физико-статистические модели отказа электронных элементов
Научные и методические основы разработки и использования ФСМО ИЭТ разработаны в МИЭТ специалистами школы профессора Алексаняна И.Т. [36, 37, 46-49]. В рамках задач разработки и производства в электронной промышленности сформулированы и реализованы подходы имитационного моделирования надежности электронных элементов. Основу составляют компоненты ненадежности, конструктивные и технологические параметры, определяющие скорость деградационных процессов в первичных структурах. Проводится розыгрыш на ЭВМ отказовой ситуации.
Созданный авторами комплекс программ по расчету надежности ИЭТ, используемых в ЭО ТИ, отличается следующим [50]:
- совершенствование метода получения интервальных оценок надежности ИЭТ,
- учет влияния этапа электротермотренировки элементов при изготовлении и испытаниях на функционирование перед эксплуатацией в составе электронного блока,
- учет температуры, влажности окружающей среды и механических нагрузок по периодам эксплуатации,
- оценка функции изменения надежности элемента по периодам эксплуатации.
Наиболее принципиальным вопросом приведенного перечня работ является оценка функции изменения надежности элемента по периодам эксплуатации. При этом необходимо в каждый следующий период эксплуатации, характеризующийся особенностями функционирования и уровнями ВВФ, корректировать определенные параметры моделей отказов. В процессе эксплуатации ЭО ТИ за счет протекания деградационных процессов наблюдается увеличение числа микродефектов в структурах ИС. Это изменение прямо влияет на надежность работы каждой структуры. Происходит постепенное увеличение числа дефектов, которое влияет на несколько описываемых моделями процессов, приводящих к отказам.
Электромиграционные процессы, воспроизводимые одной из моделей, являются одними из основных причин отказов токоведущих дорожек электронных элементов. Отказы этого вида происходят из-за нарушения непрерывности электромиграционного потока в участках тонкопленочных проводников со значительными температурным градиентом, большими плотностями токов, а также неоднородностями структуры. Электромиграционные отказы проявляются в виде обрывов, развивающихся по межзеренным границам токоведущих дорожек. Модель описывает рост трещины в металлизированных дорожках до критического значения, когда ток в проводнике превышает допустимое значение.
В МОП - транзисторах с поликремневым затвором причиной зарядовой нестабильности является наличие загрязняющей примеси на границе окисла и алюминиевого контакта к истоку транзистора. Такого рода примесь служит источником подвижных ионов, которые образуются при диссоциации этих примесей и при наличии положительного потенциала относительно затвора. Эти ионы дрейфуют в область канала транзистора. Модель отказа по механизму зарядовой нестабильности связывает наличие загрязняющей примеси с изменением порогового напряжения на транзисторе. Моделирование отказа осуществляется при критической величине падения напряжения.
Одним из часто наблюдаемых видов отказов микросхем является пробой подзатворного и защитного окисла. Предполагается, что причиной пробоя подзатворного диэлектрика является эмиссия подвижных ионов на границе "затвор-диэлектрик" при положительном смещении напряжения на затворе. Механизм пробоя связан с выделением и накоплением в окисле ионов, что обуславливает уменьшение барьера, определяющего электронную эмиссию. Этот процесс описывает модель отказа "тонкого" окисла. Она оперирует вероятностью нахождения на поверхности активного дефекта, ответственного за зарождение ионных кластеров, приводящих к пробоям. Данная модель используется также и при описании надежности "толстого" окисла под алюминиевыми шинами. В этом случае эмпирические постоянные модели имеют отличные значения.
Модель надежности контактного соединения базируется на механизме отказа термокомпрессионного соединения. Основной причиной отказов соединения золотого проводника с алюминиевой контактной площадкой является потеря механической прочности вследствие взаимной диффузии материалов соединения, приводящей к уменьшению площади контакта или образованию хрупких интерметаллидов. По характеру проявления можно выделить отказы, связанные с обрывом по месту сварки и обрывам по деформированному сечению золотого проводника. Модель учитывает оба проявления отказа.
Важным фактором надежности электронного элемента являются отказы, вызванные проникновением паров влаги в подкорпусное пространство. При этом различаются три потока, вызванные диффузией паров, движением паров по порам материала корпуса элемента и движением влаги, вызванным разницей давления во внутреннем пространстве элемента и вне его при действии механической вибрации. Модель описывает механизм нарастания содержания влаги в подкорпусном пространстве при моделировании отказа в условиях критической концентрации.
Во всех моделях предусматривается фиксация изменения параметров от одного этапа эксплуатации к другому. По исходным параметрам модели увязаны между собой. Выбор моделей отказа электронного элемента осуществляется исходя из:
конструктивно-схемного исполнения элемента и наличия компонент ненадежности, которые описываются данными моделями;
условий работы аппаратурного блока, которые формируют возможную наработку во времени элемента и определяют актуальность того или иного деградационного процесса во времени.
Подключение к расчету модели производится в соответствии с действующими ВВФ на определенном характерном временном интервале эксплуатации. Структурная схема формирования результата расчета по физико-статистическим моделям отказа ИС представлена на рис. 15.
Комплекс программ расчетной оценки надежности электронных элементов содержит 6 отдельных подпрограмм, позволяющих оценить свойства электронного элемента по отдельным компонентам ненадежности:
отказ металлизированных дорожек,
отказ окислов (3 модели),
отказ контактных соединений,
отказ по механизму проникновения влаги,
и ориентирован на расчет надежности микросхем, собранных по КМОП-технологии.
Возможно использование отдельных моделей по оценке надежности других элементов (например, транзисторов, конденсаторов) при корректном описании исходных данных моделирования. Расчет осуществляется на основе априорной информации о физических процессах в элементах ТИ и соответствующих этим процессам моделям отказа. Модели отказа представляют собой функции случайных аргументов, параметры распределения которых определяются для базовой технологии производства и конструкции исследуемого ТИ. Комплекс программ содержит также пользовательский интерфейс, управляющую подпрограмму, серию обслуживающих подпрограмм и графический пакет.


Рис. 15. Структурная схема формирования результата моделирования

надежности ИЭТ по физико-статистическим моделям отказа

5.3.2.1. Модели, связанные с деградационными процессами в структурах изделий электронной техники
Оценка времени до отказа металлизированных дорожек определяется следующим выражением [51,52]:
(222)
где t - время до отказа;
А, m, w, n - параметры модели, определяемые эмпирическими коэффициентами;
- относительное уменьшение площади поперечного сечения проводника;
S - площадь поперечного сечения;
j - плотность тока,
k - постоянная Больцмана;
Т - температура проводника.
Выражение (222) может быть линеаризировано следующим образом:
. (223)
Проводя экспериментальную оценку времени до отказа на тестовой структуре в условиях планируемого эксперимента, находят значения коэффициентов.
Например, ИС 565РУ6: A = 7,08; m = 0,073; w = 1,6; n = 1,1;

В качестве параметра в модели используются вероятность появления дефекта в соединении . Допуская, что эта вероятность прямо пропорциональна вероятности отказа соединения, имеем выражение, описывающее вероятность попадания дефекта на единицу площади металлизации
(224)
где - вероятность отсутствия дефекта на момент времени t,
- ВБР соединения за время
Соответственно записываются значения параметров модели отказа металлизации PARM1(8)
(225)
где - параметр модели отказа, определяющий вероятность появления дефектов в металлизации в i и i+1 периоды эксплуатации;
- ВБР за расчетный интервал оценки надежности металлизации.
В обозначении параметра модели PARM первая цифра - номер модели, вторая - номер параметра.
Время до наступления отказа электронного элемента вследствие зарядовой нестабильности в окисле определяется выражением [51]:
(226)
где - критическое изменение порогового напряжения на транзисторе;
- длина канала транзистора;
- относительная диэлектрическая проницаемость SiO и электрическая постоянная ( = 8,85 · 102 Кл./Вм);
g - заряд электрона;
М - подвижность ионов;
- концентрация загрязняющей примеси;
- постоянная диссоциации;
- толщина загрязняющей примеси;
- толщина окисла;
E - средняя напряженность электрического поля в p - n переходе.
При оценке надежности ИС по механизму зарядовой нестабильности на границе окисла транзистора используется значение порогового напряжения - . Принято условие, что существует прямая связь между изменением ВБР компонента ненадежности и изменением среднего значения порогового напряжения. При этом значени определяется выражением
(227)
где - ВБР по механизму отказа на конец i периода эксплуатации,
- ВБР на начало i периода эксплуатации.
Значения величин и определяются при расчете с использованием модели отказа по механизму зарядовой нестабильности. В процессе моделирования по периодам эксплуатации меняется значение соответствующего параметра модели PARM2(11)i, определяющего пороговое напряжение в p - n переходе.
Вероятность отказа электронного элемента вследствие пробоя подзатворного окисла определяется выражением [51]:
(228)
где ,
А - площадь окисла под затвором,
D - плотность дефектов на единицу площади окисла,
- плотность подвижных ионов в начальный момент периода эксплуатации на границе "металл - окисел",
k - постоянная Больцмана,
Т - температура,
t - время нахождения элемента под электрической нагрузкой,
F, n, t, - коэффициенты получаемые из специальных коротких предварительных экспериментов.
В моделях, описывающих пробой "толстого" и "тонкого" окислов транзисторов ИС, используются значения плотности дефектов на единицу площади окислов. Предполагая, что число дефектов на единицу площади окислов при протекании деградационных процессов от этапа к этапу эксплуатации системы возрастает пропорционально вероятности возникновения пробоя, значение плотности дефектов запишется в следующем виде:
(229)
где - вероятность пробоя окисла.
При моделировании на ЭВМ меняется значение соответствующего параметра моделей отказа "толстого" PARM3(1) и "тонкого" PARM4(1) окислов, определяющих плотность дефектов по периодам эксплуатации.
Модель отказа электронного элемента вследствие нарушения контакта в термокомпрессионном соединении "Al - Au" и обрыва золотого проводника в месте его технологического пережатия определяется выражениями [51]:
(230)
где t* - время образования диффузионной зоны, определяемое из выражений





где - предел прочности материала проводника в начальный период времени,
k - постоянная скорости движения порообразующей фазы,
F - начальное усилие обрыва проводника по деформированному сечению,
F - минимальное усилие обрыва проводника (критическое значение),
К - постоянная скорости движения границы порообразующей фазы при температуре термообработки,
К - постоянная скорости движения границы порообразующей фазы при температуре эксплуатации,
, - коэффициенты, получаемые из специальных коротких предварительных экспериментов,
h - толщина Al металлизации,
f - высота зоны пережатия золотой проволоки,
K’(Al) и К(Al) - поперечная и продольная постоянные скорости движения фронта диффузии в Al,
с - постоянная, равная отношению объемов, занимаемых соответственно в золоте и в алюминии.
Аналогично выражению (224), описывается изменение вероятности появления дефекта в соединении по периодам эксплуатации ТИ.
Соответственно записываются значения параметров модели отказа соединения PARM5(4):
(231)
где - параметр модели отказа - вероятность появления дефектов в ТКС в i и i+1 периоды эксплуатации;
- ВБР за расчетный интервал оценки надежности ТКС.
5.3.2.2. Модель отказа по механизму проникновения влаги
При определении зависимости медианного срока службы ИС, герметизированных эпоксидной композицией марки МОРТО 300, от температуры и влажности [53] делается предположение, что отказы ИС были обусловлены преимущественно влиянием влажности. В основе этого допущения лежали экспериментальные результаты. За критерий отказа принималось относительное изменение какого-либо параметра ИС свыше 20%. На основании сделанного допущения была предложена следующая модель зависимости медианного срока службы ИС, герметизированных пластмассой, от влажности:
(232)
где - медианный срок службы ИС;
- давление паров воды, Па;
А, В - константы, определяемые экспериментально;
К - константа, определяемая экспериментально, Па.
В [55] предложена модель оценки интенсивности отказов дискретных транзисторов и логических ИС в пластмассовых корпусах:
(233)
где Т - температура, С;
Ф - относительная влажность;
А, В - постоянные, определяемые экспериментально.
Доминирующим механизмом отказов определена коррозия алюминиевой металлизации. При этом критериями отказа являются:
- увеличение обратного тока коллекторного перехода свыше 1 мкА,
- уменьшение коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером ниже 20 или его увеличение свыше 400,
- увеличение прямого падения напряжения эмиттер-база свыше 1.75 В.
В работе [13] для оценки зависимости от температуры, относительной влажности и смещения медианного срока службы ИС, герметизированных пластмассой, в конструкции которых используется метод монтажа кристалла лицевой поверхностью вниз, предложена эмпирическая модель, основанная на сравнении Эйринга
(234)

(235)
где E - энергия активации, Дж;
k - постоянная Больцмана;
Т - абсолютная температура, К;
В, , h - константы, определяемые экспериментально;
V - напряжение смещения, В.
Доминирующим механизмом отказов ИС в этом случае является процесс электролитической коррозии металлизации в местах дефектов пассивации кристалла ИС, связанный с переносом ионов металла (сплава), используемого для образования контакта металлизации кристалла с системой соединений, выполненной на подложке.
В работе [56] предложена эмпирическая модель зависимости времени наработки на отказ отдельно взятой ИС от относительной влажности и температуры:
(236)
где А - константа;
- параметр, зависящий от влажности;
Т - абсолютная температура, С;
k - постоянная Больцмана;
Q - энергия активации.
Эксперимент проводился при относительной влажности (Н) % и температуре 85 С для периодов от 25 до 1000 ч с приложением напряжения смещения и без него. Критерием отказов явилась коррозийная восприимчивость пластмассовых корпусов. Рассмотрение модели отказов ИС вследствие попадания влаги под защитный корпус и действия температуры составлены при представлении о неизменности интенсивностей отказов в данном временном интервале. Основная информация вносится с использованием прямого физического эксперимента. Такое построение модели затрудняет ее использование в структуре связанных физико-статистических моделей. Целесообразнее использовать модель деградационных процессов, действующих на наружных слоях кристалла ИС, конкретного физического процесса, а не рассматривать отказовую ситуацию интегрально.
Модель проникновения влаги во внутреннюю полость ИЭТ ЭО ТИ рассматривается на примере ИС при представлении суммарного потока 3-х составляющих:
- диффузионного потока, определяемого разностью влагосодержания в атмосфере внешней среды и внутреннего объема ИС;
- вязкостного потока, определяемого разностью давлений в атмосфере внешней среды и внутреннего объема ИС;
- динамического потока, определяемого внешним механическим воздействием на корпус ИС с двигающейся в микропоре жидкостью, подталкиваемой перепадом давления.
Первые две составляющие подробно исследованы в работах [57,58], а третья составляющая является предметом внимания автора.
Диффузионный поток влаги из внешней среды во внутреннюю полость ИС описывается следующей зависимостью [58]:
(237)
где - эффективный радиус поры по множеству значений для данного корпуса ИС определенной партии,
l - длина канала течи сквозной поры,
- коэффициент взаимной диффузии паров воды,
P - среднее давление в поре,
- средняя скорость теплового движения молекул воды,
R - универсальная газовая постоянная,
T - абсолютная температура корпуса ИС,
- молекулярный вес воды,
- парциальное давление паров воды в подкорпусном пространстве ИС,
- парциальное давление паров воды в электронном блоке (вне корпуса ИС).
Вязкостный поток влаги из внешней среды во внутреннюю полость ИС описывается зависимостью [58]:
(238)
где - коэффициент вязкости паров воды,
- соответственно давление газовой среды на входе и выходе сквозной поры корпуса ИС.
Изменение парциального давления паров воды во внутренней полости ИС определяется выражением
(239)
где V - объем внутренней полости ИС.
Рассмотрим изменения парциальных давлений по времени во внутренней полости ИС при движении диффузионного и вязкостного потоков влаги. Предположим, что на определенном шаге расчета t > 0, а . Из (239) с учетом (237) после решения дифференциального уравнения получим зависимость изменения парциального давления, вызванного диффузионным потоком влаги, во времени:
(240)
Используя (239) с учетом (240), получим зависимость изменения парциального давления, вызванного вязкостным потоком влаги, во времени:
(241)
Выражение (241) получено в предположении, что на шаге расчета от до величины P1, P2 являются постоянными.

1   ...   4   5   6   7   8   9   10   11   ...   23


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации