УДК 621.3.019
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ КОНТРОЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ НА БЕЗОТКАЗНОСТЬ КМДП СБИС
Б. П. Петрухин, Н. А. Шавыкин
Проведен анализ данных результатов испытаний на безотказность КМДП БИС и СБИС, производимых ведущими фирмами ("Xilinx" и "Altera"). Получены верхние оценки интенсивности отказов с доверительной вероятностью P = 0,9 для всех видов цифровых ИМС, производимых этими фирмами.
Ключевые слова: сверхбольшие интегральные микросхемы, программируемые логические массивы, элементы памяти, показатели безотказности.
ВВЕДЕНИЕ
Основными элементами цифровой техники в мире сегодня являются интегральные полевые комплементарные микросхемы (КМДП ИС) — программируемые массивы логических элементов, микропроцессоры, различные элементы памяти и т. п. Основные производителями больших и сверхбольших КМДП ИС — фирмы "Altera", "Xilinx", "Atmel", "Intel" и др. В соответствие со стандартом ISO 9000 все изготовители обязаны подтверждать уровень качества своей продукции, в частности, показатели надежности. Указанные элементы относятся к классу высоконадежных изделий, у которых показатели безотказности (например, интенсивность отказов) составляет один отказ на сто миллионов при-борочасов и менее. Поэтому для подтверждения таких показателей нужно проводить контрольные испытания в форсированных режимах и условиях [1], при этом изготовители предупреждают, что пользоваться значениями интенсивности отказов, полученными при контрольных испытаниях, для оценки надежности изделий, в которые входят эти элементы, не рекомендуется. Но и получить достоверную информацию об отказах в процессе эксплуатации практически нереально.
Цель данной работы состоит в оценке возможности использования результатов контрольных испытаний, проводимых фирмами "Altera" и "Xilinx" в течение последних пяти и более лет.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ КОНТРОЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ КМДП ИС ФИРМЫ "ALTERA"
Испытания на безотказность фирма проводит в соответствии с MIL-STD-883 или JEDEC Std. под нагрузкой в форсированных режимах и условиях [2, 3]. Температура испытаний Ta не менее 125 °C; напряжение питания на 20 % превышает номинальное значение; продолжительность испытаний t не менее 1000 ч; объем выборки зависит от сложности. Для элементов с числом выводов корпуса n, не превышающих 100, установлен объем выборки 77 шт., для n от 101 до 240 — 45 шт., а для n больше 240 — 25 шт. В процессе испытаний элементов EEPROM (электрически перепрограммируемых ПЗУ) проводят до 100 циклов записи/стирания.
Прогнозирование интенсивности отказов основано на экспоненциальном распределении интенсивности отказов во времени, т. е.
X = const. Повышенная температура и напряжение являются ускоряю -щими факторами при испытаниях на безотказность. Эквивалентную наработку определяют как произведение фактической наработки при испытаниях и коэффициентов ускорения от температуры и напряжения.
Температурный коэффициент ускорения KyT = exp(EJk(1/Ti — 1/T2)),
где k = 8,62-10-5 эВ/К — постоянная Больцмана; Ea — энергия активации процесса, зависящая от механизма отказа, эВ (ее значения, принятые в фирме "Altera", представлены в табл. 1); T2 и Т^ — температура кристалла при испытаниях и работе соответственно, К (принято, что рабочая температура +55 °C, т. е. T\ = (55 + 273) К, а температура испытаний T2 = (125 + 273) К или выше, если учесть перегрев от рассеиваемой мощности).
Коэффициент ускорения по напряжению для пробоя подзатворно-
Таблица 1
Наиболее распространенные механизмы отказов интегральных микросхем по данным фирмы "Altera"
Механизмы отказов Энергия активации, Ea, эВ Коэффициент у, учитывающий влияние напряжения питания
Пробой подзатворного диэлектрика 0,7 3,2
Дефект межслойного диэлектрика 0,5 2,0
Дефект p-n перехода 0,8 —
Дефекты маскирования (диффузия, защитное 0,5 —
покрытие и т. д.)
Дефект металлизации 0,5 —
Элекгромиграция (зависит от /2, где / — плот- 0,5(Al—Si); Ч / i 1 ✓"ч \ —
ность тока) 0,7(Al—Cu)
Загрязнения (поверхности и объема) 1,0 0,0
Потеря заряда (для ЕЕРЯОМ) 0,6 (0,58) —
Горячие электроны (зависят от тока подложки) -0,06 —
80 60
H
Ë 40 20 0
2 3 4 2003-2008 гг. а)
73
38
"21,7-21,4^76
15,96
2 3 4 5 2003-2008 гг.
40 20
Ряд 1
1
34,347
28,4
3
25,446
15,82
40 20
ж 69 1
^"51,1^ ,3—4 2 6
-♦34
2 3 4 5 2003-2008 гг. б)
21,7
"42,54"
7,93 7,93 7,93
Т3^ I
2 3 4 5 2003-2008 гг. г)
Ряд 1
1
71,55
64,67
3
25,446
2005-2008 гг.
е)
2006-2008 гг. д)
Рис. 1. Верхняя оценка интенсивности отказов по видам технологического процесса:
а — Flex 0,5/0,42 мкм; б — Flex 0,3/0,35 мкм; в — Apex, Acex 0,22/0,25 мкм; г — Flex, Apex, Excalibur, Mercury 0,18 мкм; д — Stratix GX, Cyclone 0,13 мкм; е — Stratix II, Cyclone II 90 нм
60 H 40 ^ 20 0
Ряд 1
39,1
35,4
3
28,17
22,81
30 H 20
E 10 0
2004-2008 гг. а)
2004-2008 гг. б)
100
2 50 0
Ряд 1
К H 40 ^ 20 0
S,
1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 6
59,4 39,92 25,72 20,29 18,28 Ряд 1 88,8 57 54,6 12,8 12,3 12,3
2003-2008 гг.
2003-2008 гг. г)
Рис. 2. Интенсивность отказов микросхем памяти фирмы "Altera":
а — МАХ 7000S, 0,5 мкм; б — EPROM, 0,4 мкм; в — EEPROM МАХ700А, 0,3/0,35 мкм; г — EEPROM, 0,22 мкм
го диэлектрика определяют по сле-
дующему соотношению: Кн
или Т = ГКОр + RtКОр_п /"рас, гДе Тс и
напр
= ТкОр — температуры окружающей среды и корпуса соответственно, °С; Ррас — рассеиваемая мощность, Вт;
= ехр[(у/?ох/10 нм)(иисп - Цраб)], а для пробоя межслойного диэлектрика Кнапр = ехр[(У(иисп — ираб)], Rtc-n, Rt кОр-п — тепловые сопротив-
где у — коэффициент (см. табл. 1).
Температуру кристалла вычисляют из уравнения Т = Тс + Rtc-nPpac
ления "среда — кристалл" (переход) и "корпус — кристалл" (переход) соответственно, °С/Вт.
Коэффициент ускорения Ку =
= Ку7Кнапр-
Для расчета интенсивности отказов по результатам испытаний используют стандартную процедуру. Определяют число отказов d, полученных в ходе испытаний. Затем находят число степеней свободы v = 2d + 2 для распределения Хи-квадрат и по v опрделеяют зна-2
чение х2 для заданной доверительной вероятности (фирмы-производители принимают в качестве доверительной вероятности значение 0,6).
Интенсивность отказов рассчитывают по формуле X = = х2/(2' Ку • n • t), где n — число микросхем, t — фактическая продолжительность испытаний.
В нашем случае доверительная
2
вероятность при определении х2 была принята 0,9, что дает более пессимистическую оценку результатов испытаний.
В результате анализа, проведенного фирмой "Altera", определены следующие виды отказов (в скобках указан номер отказа).
Пробой подзатворного
диэлектрика..........(1) Ea = 0,7 эВ
Потеря заряда ячейки
памяти..............(2) Ea = 0,6 эВ
Дефект р-й-перехода . . . .(3) Ea = 0,8 эВ
Дефект корпуса........(4) Ea =1,0 эВ
Межслойный дефект . . . .(5) Ea = 0,7 эВ
Дефект кремния.......(6) Ea = 0,9 эВ
Дефект межсоединений. .(7) Ea =1,0 эВ
Раковина в межслойном соединении (via voiding) через сквозное
отверстие............(8) Ea = 0,8 эВ
Результаты контрольных испытаний КМДП ПЛИС фирмы "Altera" по видам технологического процесса представлены на рис. 1, а результаты контрольных испытаний микросхем памяти фирмы "Altera" — на рис. 2.
Усредненные значения интен-сивностей отказов ПЛИС фирмы "Altera", полученные в результате ускоренных испытаний и приведенные к нормальным условиям эксплуатации (наземная, стационарная аппаратура при T = 55 °С), представлены в табл. 2 с доверительной вероятностью P = 0,9.
В табл. 3 приведены значения интенсивности отказов в зависимости от характерного размера x. Из
0
0
Таблица 2
Обобщенные значения интенсивностей отказов КМДП БИС фирмы "Altera"
Технологический процесс, характерный размер в мкм Эквивалентная наработка при 55 °C (n ■ t), ч Число отказов, d X FIT
Stratix II, Cyclone II 0,09 мкм, 9 слоев Cu металлизации, UH0M = 1,2 В 109 (окисел) 108 (корпус) 107 (межсоединения) 108 (via) сумма 0 0 0 0 0 0,146 2,3 11,8 11,2 25,5
Stratix GX, Cyclone, 0,13 мкм, 9 слоев Cu металлизации, UH0M = 1,5 В 1,86 -1010 (окисел) 2,5-109 (корпус) 6,56-108 (via) 2,28-108 (межсоединения) сумма 1 0 2 0 0 0,124 2,1 3,5 10,1 15,82
Flex, Apex, Mercury 0,15 мкм, 8 слоев металлизации, UH0M = 1,5 В 1,32-109 (пробой, окисел) 1,35-108 (корпус) 4,78-107 (via) сумма 0 2 2 4 2,76 27,0 104,74 134,5
Flex, Apex, Acex 0,18 мкм, 8 слоев металлизации, UH0M = 1,8 В 6,4-109 (пробой, окисел) 2,12-108 (корпус) сумма 0 2 1 0,13 7.8 7.9
Flex, Apex, Acex 0,22/0,25 мкм, 5 слоев металлизации 109(пробой, окисел) 108(дефект Si) сумма 0 0 0 3,96 12,0 15,96
MAX 7000B, EEPROM, 0,22 мкм 1,8 • 1010 (пробой, окисел) 1,88 -108 (потеря заряда) сумма 0 0 0 0,124 12,2 12,32
Flex 0,3/0,35 мкм, 4 слоя металлизации 1010 (пробой, окисел) 108 (корпус) сумма 3,0 31,8 34,8
MAX 7000A, EEPROM, 0,3/0,35 мкм 4,40-109 (пробой, окисел) 1,84 -108 (межсоединения) сумма 0 1 1 0,88 17,4 18,28
0,4 EPROM (Флеш) 1,35E-109 (пробой, окисел) 1,09 -108 (потеря заряда) сумма 0 0 0 1,71 21,1 22,81
Flex 0,5/0,42 мкм, 3 слоя металлизации 6,98-108 (пробой, окисел) 2,387-108 (корпус) сумма 8 4 12 4,1 6,9 11,0
MAX 7000S, 9000 EEPROM, 0,5 мкм 4,3-109 (пробой, окисел) 1,8 • 108 (потеря заряда) сумма 0 0 0 0,53 12,5 13,0
0,5 EPROM UF 2,06-109 (пробой, окисел) 1,32-108 (потеря заряда) сумма 0 0 0 1,12 17,32 18,42
0,65 EPROM UF 5,18-109 (пробой, окисел) 3,73-108 (потеря заряда) сумма 3 1 4 I,3 10,4 II,7
табл. 3 следует, что средние значения для ПЛМ и памятей близки и с увеличением плотности компонентов БИС практически не влияют на значение интенсивности отказа. Это объясняется существенным улучшением технологии изготовления за счет введения нитридной пассивации, снижением порогового напряжения и, как следствие, снижением напряжения питания, повышением качества контроля, в том числе, и для традиционных технологий.
Проведенный анализ показал, что все наблюдаемые отказы происходят в основном в начальный период (период "детской смертности") и связаны со скрытыми дефектами. Преобладающим видом отказов для программируемых логических матриц (ПЛМ) я
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.