научная статья по теме АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ИМПУЛЬСНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ КМОП-МИКРОСХЕМ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ИМПУЛЬСНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ КМОП-МИКРОСХЕМ»

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 1, с. 49-53

ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПОКАЗАТЕЛИ СТОЙКОСТИ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ

УДК 621.3.049.77:539.1.043

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ИМПУЛЬСНУЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОЧНОСТЬ КМОП-МИКРОСХЕМ © 2015 г. К. А. Епифанцев1, П. К. Скоробогатов1, О. А. Герасимчук2

Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ 2Научно-производственный центр импульсной техники ФГУП ВНИИА E-mail: pkskor@spels.ru Поступила в редакцию 20.05.2014 г.

Приведены результаты экспериментальных исследований образцов КМОП-микросхем CD4001BCN_NL на импульсную электрическую прочность (ИЭП) при двух значениях температуры окружающей среды +25 и +125°C. Анализ полученных результатов показал, что температура среды влияет на значения показателей импульсной электрической прочности исследуемой микросхемы. Величина и характер изменения ИЭП может быть описаны моделью теплового повреждения p-n-перехода.

DOI: 10.7868/S0544126915010056

Под импульсной электрической прочностью микросхем понимается максимальная амплитуда одиночного импульса напряжения с заданной длительностью и формы, при которой еще не происходит повреждения прибора. В реальных условиях эксплуатации электронной аппаратуры значение температуры среды может отличаться от значения комнатной температуры. Поэтому возникла задача по исследованию влияния температуры на значение ИЭП-микросхем.

Для исследования были выбраны образцы КМОП-микросхем СЭ4001БСМ_:ЫЬ, изготовленные в рамках одной технологической партии. Исследования микросхем на импульсную электрическую прочность являются разрушающими, поэтому потребовалось значительное количество образцов (несколько сотен).

Предварительно были определены границы значений ИЭП для трех групп выводов микросхемы (вход, выход, питание) и трех длительностей импульса напряжения как положительной, так и отрицательной полярности при температурах среды +25 и +125°С. На рис. 1 представлены полученные результаты первого этапа исследования в виде графиков зависимости пороговых значений амплитуды импульса напряжения от длительности для всех трех групп выводов при температурах среды +25 и +125°С.

Полученные результаты отчетливо показывают наличие влияние температуры среды на пороговые значения амплитуды импульса. При повышении температуры среды на 100 градусов пороговые значения амплитуды импульса понизились

на величину около 20% по входам и выходам и менее 10% при подаче одиночных импульсов напряжения (ОИН) по цепи питания.

Для более подробного исследования влияния температуры на уровень ИЭП была выбрана одна группа выводов (входы), на которую подавался импульс критичной полярности (положительная) и средней длительности (1 мкс) для определения разброса пороговых значений амплитуды импульса в имеющейся выборке образцов микросхемы при температурах среды +25 и + 125°С. На рис. 2 можно увидеть полученное распределение по пороговым значениям амплитуды импульса.

Для каждой из двух выборок по 11 образцов в каждой (одна при температуре +25°С и другая при +125°С) было определено всего по два порога. Значения ИЭП при двух значениях температуры не пересекаются, свидетельствуя о четком разделении по температурным группам.

Однако сама процедура определения ИЭП, прописанная в нормативном документе [1], предусматривает подачу серии ОИН с амплитудой последовательно увеличивающейся на 10— 20% до отказа (параметрического или функционального). Поэтому на величину ИЭП могут оказать влияние подпороговые эффекты [2, 3]. С каждым ОИН подпороговой амплитуды возможно накопление скрытых повреждений вследствие нагрева внутренних областей микросхемы и постепенной деградации параметров. Чтобы определить более точно пороговые напряжения, необходимо было бы уменьшить шаг. Но в этом случае влияние подпороговых эффектов на точность

(в)

Длительность импульса, мкс

Рис. 1. Графики зависимости пороговых значений амплитуды импульса напряжения от длительности для входа (а), для выхода (б) и для питания (в) при температурах среды +25 и +125°^

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ 51

150 200 250 300 350 400

Пороговая амплитуда импульса, В

Рис. 2. Распределение количества образцов по пороговым значениям амплитуды импульсов напряжения при температурах среды +25 и + 125°^

Рис. 3. Распределения величины п/Ы от амплитуды импульса и графики аппроксимирующих функций при температурах среды +25 и + 125°^

определения порогового значения амплитуды импульса увеличилось бы еще больше. Поэтому выбор шага увеличения амплитуды ОИН выбирается из компромиссных соображений.

В связи с этим было решено получить не распределение величин ИЭП по нормативному документу, а распределение амплитуд ОИН, при которых отказ микросхемы происходит после воздействия всего одного импульса. Таким образом, исключается влияние подпороговых эффектов на

результаты эксперимента, и моделируются реальные сценарии воздействия ОИН.

Оставшиеся образцы были разделены на несколько равных групп. Каждый образец микросхемы в пределах одной из отобранных групп был подвергнут воздействию только одного ОИН заданной амплитуды, значение которой находится в районе пороговых значений, полученных ранее. Затем амплитуда уменьшается или увеличивается на шаг, величина которого в три раза меньше шага, взятого при определении ИЭП, и выбирается

Пороговая аплитуда импульса, В

Рис. 4. Распределения предельных значений ОИН в зависимости от амплитуды ОИН при температурах среды +25 и + 125°С.

другая группа микросхем. Для каждого значения амплитуды ОИН была взята выборка из N = 16 образцов. На рис. 3 представлены полученные распределения величины n/N по значениям амплитуды импульса при температурах среды +25 и + 125°C, где n — количество поврежденных образцов в одной выборке, а N — общее количество образцов в этой выборке.

При выборе функции аппроксимации полученных распределений было решено выбрать экспоненциальную функцию. На рис. 3 можно увидеть результат аппроксимации полученного распределения. Полученная аппроксимирующая функция имеет вид:

x = П = e "bU0 -ЦоинГ

N

(1)

где х — вероятность того, что при воздействии на микросхему ОИН с амплитудой Лоин повреждается п изделий из выборки с N количеством образцов; и0 — значение нижней границы области значений амплитуды импульса, при воздействии которого повреждаются все N образцов; Ь — коэффициент аппроксимации.

Из выражения (1) следует, что полученные результаты хорошо согласуются с известной формулой Аррениуса о сокращении срока службы изделия с ростом температуры, лежащей в основе ускоренных испытаний:

v = Ae

J-' a

kT

(2)

где V — ускорение времени процесса; А — коэффициент; к — постоянная Больцмана; Т — температура; Еа — энергия активации.

Сравнение двух выражений (1) и (2) показыва-

-1 ,

ет, что вероятность х соответствует V , Ь — параметру Еа и кТ — (и0 — иоин)-2. Это означает, что вероятность повреждения образцов микросхемы в заданной выборке при воздействии ОИН, может быть описана формулой Аррениуса, только вместо постоянной температуры на нее воздействуют периодические тепловые нагрузки, связанные с воздействием ОИН.

В выражении (1) для образцов микросхемы СЭ4001БСМ_МЬ из имеющейся выборки значение и0 при температуре среды +25°С составило 480 В, а при +125°С - 420 В. Значение коэффициента Ь составило 2.27 х 10-4 В-2.

Близкое значение коэффициента Ь = 1.68 х 10-4 было получено при испытаниях аналогичных микросхем на воздействие серий импульсов ОИН под-пороговой амплитуды [3, 4].

Дифференцированием выражения (1) при температурах среды +25 и +125°С были получены графики распределения предельных значений ОИН в зависимости от амплитуды ОИН (см. рис. 4).

Как видно из рис. 4, полученные графики распределения для двух значений температуры среды +25 и +125°С хотя и частично перекрывают друг друга, имеют четко различаемые максимумы. Средние значения предельных амплитуд ОИН составили 440 и 380 В при соответствующих тем-

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ

53

пературах. Разброс значений ИЭП в пределах одной партии ИС на уровне 0.5 составляет 75—80 В.

Полученные результаты показали, что температура среды влияет на уровень импульсной электрической прочности. Температурная зависимость ИЭП подтверждает тепловой характер повреждения ИС под действием ОИН. Изменение уровней ИЭП в диапазоне температур +25— + 125°С четко фиксируется, но не превышает технологического разброса значений ИЭП при одной температуре.

Это связано с тем, что в отдельной партии микросхем из-за разброса технологических параметров имеется разброс пороговых значений амплитуды импульса. При изменении температуры среды происходит смещение области пороговых значений амплитуды импульсов, но недостаточно сильно, чтобы смещенная из-за температуры среды область не перекрывала область при начальной температуре среды.

Величину шага изменения амплитуды ОИН при испытаниях вполне допустимо устанавливать в пределах 20%, что укладывается в область разброса значений ИЭП-микросхемы.

Работа выполнена в рамках соглашения о предоставлении субсидии между Минобрнауки

России и НИЯУ МИФИ (уникальный номер заявки 2014-14-579-0129-0604).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. 9.РД В 319.03.30-98. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические военного назначения. Порядок испытаний на импульсную электрическую прочность и требования к испытательному оборудованию. М.: МО РФ, 1998. 14 с.

2. СкоробогатовП.К., Епифанцев К.А. Аддитивные эффекты в цифровых микросхемах при воздействии импульсов напряжения и закон Аррениуса // Научн.-техн. сборник "Радиационная стойкость электронных систем — Стойкость-2013". М.: СПЭЛС-НИИП, 2013. С. 177-178.

3. Герасимчук О.А., Епифанцев К.А., Скоробогатов П.К. Аддитивные эффекты повреждения цифровых микросхем при воздействии на их выводы импульсов напряжения // Научн.-техн. сборник "Радиационная стойкость электронных систем — Стой-кость-2011". М.: СПЭЛС-НИИП, 2011. С. 91—92.

4. Gerasimchuk O.A., Epifantsev K.A., Pavlova T.A., Sko-robogatov P.K. Electrothermal behavior of the elements of SOS CMOS chips // Russian Microelectronics. 2011. V. 40. № 3. P. 215—224.

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.

Показать целиком