Проблемы и возможности применения коммерческих интегральных схем в военной и космической

   
В. ПоповПроблемы и возможности применения коммерческих интегральных схем в военной и космической технике

Введение

В настоящее время в военной и космической технике широкоприменяются интегральные схемы (ИС) различной степени интеграции. Специфическими условиями эксплуатацииИС на борту космических аппаратов (КА) является низкоинтенсивное воздействие ионизирующего излучения (ИИ)космического пространства. В течение длительного срока функционирования КА (в настоящее время это 10...15 лет) набирается значительная доза ИИ, соизмеримая с предельной. Поэтому требуется обеспечение не только надёжности , но и радиационной стойкости ИС, предназначенных для работы на борту КА.
    В период “холодной войны” военные заказы требовали радиационно-стойких ИС,изготавливаемых по специальным технологиям. Радиационно-стойкие изделия, выпуск которых осуществлялся вдостаточно больших объёмах, использовались не только в военной, но и в космической технике гражданскогоназначения (спутники связи, навигации и т. п.). Однако, с окончанием этого периода резко снизились заказына радиационно-стойкие ИС, и их производство стало нерентабельным. Этот процесс характерен для всех ведущихпроизводителей радиационно-стойких изделий, включая США. Он принял массовый характер, начиная с 1994 года.В мае 1995 года фирмы МОТОRОLА и АМD прекратили поставки ИС с военной приёмкой. В 1996 году фирма HARRISфактически прекратила выпуск микросхем по технологии “кремний на сапфире”. Сокращение, а в ряде случаев ипрекращение производства радиационно-стойких ИС привело к значительному их удорожанию. Поэтому в последнеевремя применение дорогих радиационно-стойких изделий стало экономически невыгодно, и разработчики спутниковыхмикроэлектронных систем обратили свои взоры на коммерческие изделия.
    В конце сентября – начале октября 1998 года в Ницце было проведено рабочее совещание,посвящённое “коммерциализации” военной и космической техники (Working shop meeting “Commercialization ofMilitary and Space Electronics”). На этом совещании отмечалось, что если раньше в аппаратуре военного икосмического назначения применялось примерно 70% радиационно-стойких изделий и 30% коммерческих, то внастоящее время наблюдается обратная картина.
Проблемы применения коммерческих изделий

Первая проблема заключается в противоречиях с военными стандартами, возникающими при использовании коммерческих изделий. Так, например, Боб Пиз (Bob Pease), специалист фирмыNational Semi-conductor Corp., ещё в 1991 году критиковал метод снижения номинального напряжения питания ИСв военном стандарте MIL-HDBK-217 [1]. Согласно этому методу требуется использование ТТЛ ИС при напряжениипитания 3 В, а операционных усилителей — при ±9 В вместо 4,5 В и ±15 В, соответственно. Такое же возражениеможно высказать и в отношении КМОП ИС, которые в настоящее время наиболее широко применяются в военной икосмической технике.
    В КМОП ИС при снижении напряжения питания, с одной стороны, уменьшается радиационныйдрейф пороговых напряжений МОП транзисторов, а с другой — сужаются допустимые пределы изменения пороговыхнапряжений, так называемые “рабочие области”[2]. В случае применения радиационно-стойких изделий дрейфпороговых напряжений транзисторов уменьшается быстрее, чем сжимаются их рабочие области. У коммерческихизделий, наоборот, при снижении напряжения питания рабочая область сужается быстрее, чем уменьшаетсярадиационный дрейф пороговых напряжений МОП транзисторов. Поэтому радиационная стойкость таких КМОП ИС применьшем значении питания ниже, чем при номинальном значении (рис. 1).

Рис. 1. Распределение отказов КМОП ИС средней степени интеграции по дозе ИИ принапряжениях питания 3В (1), 5В (2), 7В (3) и 10В (4)

Следующее противоречие заключается в низкой радиационной стойкостикоммерческих ИС. Это означает, что предельная доза соизмерима с накопленной дозой за период эксплуатацииизделий на борту КА. Поэтому разработчику микроэлектронных систем необходимо знать вероятность безотказнойработы изделия в каждый момент времени. Стандарты не дают такой возможности.
    Эта проблема может быть решена с помощью “надежностного” подхода к радиационнойстойкости, предложенного в 1994 году и впервые опубликованного в [3,4]. Согласно этому подходу, радиационныеэффекты характеризуются не предельной дозой ИИ, а интенсивностью радиационных отказов, которая определяетсяследующим образом [4]:
lp = KpPn/ (1 – KpPnt),

где Kр — коэффициент радиационного повреждения ИС, P — мощность поглощенной дозы ИИ, n —параметр, учитывающий зависимость предельной дозы ИИ от мощности дозы Р (так называемый “эффект низкойинтенсивности”), t — время эксплуатации при воздействии ИИ.
    Анализ представленного выражения показывает наличие двух характерных областей:

  • область нормальной работы (случайных отказов) при KpPnt << 1, когда lp = KpPn = const;
  • область радиационного старения при KpPnt -> 1, когда lp -> Ґ.

Есть ли случайные радиационные отказы в период нормальной работыИС? На этот вопрос даёт ответ результат радиационных испытаний партии КМОП ИС типа CD4049A [5],представленный в табл. 1. Как можно видеть, в выборку из 20 шт. попало одно дефектное изделие, отказавшеепри дозе ИИ на порядок ниже предельного значения 1,0 Мрад.
Таблица 1. Распределение радиационных отказов КМОП ИС типа CD4049A Поглощенная доза, Мрад 0,1 0,5 1,0 2,0 3,0 Общее число отказавших изделий 1 1 1 6 11 Оценка вероятности отказа 0,05 0,05 0,05 0,3 0,55

В случае использования большого количества ИС в микроэлектроннойсистеме вероятность попадания дефектного изделия возрастает. Специалист фирмы Boeing Commercial Corp. ЧарльзЛенард (Charls Lehnard) в связи с этим отмечает, что мнение о том, что удовлетворяющие требованиям военныхстандартов изделия работают более надёжно — не всегда верно [6]. Для коммерческих изделий попадание дефектныхизделий более вероятно, чем для изделий, изготовленных по специальной “радиационно-стойкой” технологии.Проблема может быть решена с помощью отбраковки дефектных изделий.

Отбраковка дефектных изделий

Практически все ИС в настоящее время изготавливаются по планарнойтехнологии или её модификациям. Поэтому качество оксидной пленки на поверхности полупроводника играет важнуюроль в обеспечении надежности и радиационной стойкости планарных изделий. Как отмечается в [7], в КМОП ИСболее 60% отказов связано с дефектами оксидной пленки. Эти данные коррелируют с результатами анализа видови причин отказов, представленными в других работах (например, [8]).
    Анализ дефектов плёнки оксида кремния на кремнии показывает [9,10], что доминируютдва типа дефектов с энергиями активации процесса термического вы-броса заряда ~0,9 эВ и ~(1,2–1,4) эВ. В[11] они квалифицированы как E’- и DI-центры, соответственно. Послед-ние исследования показали [12], чтоDI-центры могут образовывать скопления — макродефекты. Накопление заряда в макродефектах вызывает деградациюпараметров ИС и, в конечном счёте, приводит к их отказу.
    После изготовления и выходного контроля остаются ИС, в которых макродефекты незаряжены. Поэтому их практически невозможно обнаружить электрическими измерениями. Даже после термополевоговоздействия (выдержки при максимально-допустимой температуре в номинальном электрическом режиме в течение96...168 ч.), называемого электротермотренировкой (ЭТТ), макродефекты оксидной плёнки остаются нейтральными и, следовательно, не обнаруженными. Эффективно заряжает дефекты в диэлектрической плёнке воздействие ИИ. При этом заряжаются как точечные дефекты, так и частично макродефекты. Поэтому для обнаружения последних после облучения необходимо произвести низкотемпературный отжиг, в результате которого точечные дефекты освободятся от накопленного при облучении заряда, а макродефекты, наоборот, увеличат свой заряд за счёт освободившегося из точечных дефектов [13]. ИС, в которых присутствуют макродефекты, не восстанавливают свои параметры после отжига и могут быть эффективно отбракованы. Восстановившие свои параметры изделия могут быть использованы в микроэлектронных спутниковых системах. Ускоренные испытания отбракованных с помощью операции “облучение-отжиг” коммерческих NМОП ИС ОЗУ не выявили отказов и подтвердили наработку 423000 ч., что соответствует 48,2 годам и на два порядка превышает установленные в технических условиях требования по надежности [7,14].

Рис. 2. Изменение выходного напряжения логического нуля КМОП ИС при облучении, отжигев пассивном и ускоренных испытаниях в электрическом режиме при 125 °C

Отбраковка ИС с применением операции “облучение-отжиг” можетпроизводиться как в процессе их производства на пластинах перед операцией 100% контроля [7,14], так и наготовых изделиях в корпусах [15]. Однако, в последнем случае температура отжига ограничена предельнойтемпературой, установленной для ИС, и время процесса перетекания заряда из точечных дефектов в макродефектызначительно возрастает. Это видно на рис. 2, взятом из [15]. В течение 120 ч. отжига в пассивном режиме при125DEG;С партия КМОП ИС разделилась на три группы: с высокой (1), средней (2) и низкой (3) плотностямиточечных дефектов (DI-центров, поскольку E’-центры при температуре ~100oC практически полностью разряжаются).Кроме того, на этом рисунке виден случайный отказ одного изделия из-за зарядки макродефекта (0). Дляобеспечения заданной ошибки второго рода (риска Потребителя) операцию “облучение-отжиг” целесообразнодополнить методом распознавания образов [15 и 16].
    Таким образом, отбраковка ИС с макродефектами оксидной пленки возможна прииспользовании операции “облучение-отжиг”. Именно поэтому в военный стандарт MIL-STD-883 недавно введёнметод 10.19.5, включающий радиационно-термическую обработку (РТО) перед ЭТТ.

Системная надежность

РТО и ЭТТ всё-таки не выявляют все потенциально ненадежные ИС, ипри эксплуатации изделий возникают случайные отказы. В этом случае на помощь приходят методы обеспечениянадёжности системы. Совокупность этих методов получила название “системная надёжность”. В её основе —применение различных видов избыточности. Всем хорошо известен метод резервирования — аппаратная избыточность.Но она не всегда эффективна. Поэтому в последнее время разработчики микроэлектронных систем применяют другиевиды избыточности. Например, режимная избыточность — увеличение напряжения питания в случае, показанном нарис. 1, с 5 В до 7 В или 10 В увеличивает ресурс по накопленной дозе соответст-венно в 3 раза и 7 раз.Примером информационной избыточности может служить кодирование информации. Известный код Хеминга позволяетизбежать неприятностей при “мягких” сбоях ИС ОЗУ, возникающих при попадании в “чувствительный” объём элементаИС тяжёлой заряженной частицы с высокой энергией. Разрабатываются и методы алгоритмической избыточности,когда решение задачи производится разными путями. Применение методов системной надёжности приводит к тому,что ИС может отказать, а система будет продолжать работать.
    Однако, как отмечает профессор Нихал Синнадурай (Nihal Sinnadurai) [17], отсутствуетсистемное изложение методов и, как следствие, не существуют программы обучения методам системной надёжности.Эти методы развиваются мастерами-одиночками (например, в нашей стране Б.М. Петровым [18]). Но, несмотря наотсутствие руководящих документов по этим методам и их противоречие с военными стандартами, “любительские”,по словам того же профессора Н. Синнадурая, спутниковые разработки, стимулированные простым недостатком денег, закончились приобретением “прогрессивной информации и знаний, как покупать изделия, какие изделия выборочноквалифицировать и как разрабатывать, чтобы система отработала заданный отрезок времени”.
    Итак, системная надёжность позволяет достигнуть высокого уровня вероятностинормальной работы — отсутствия отказов системы в течение 20 лет, что соответствует 0,2% отказов ИС [17], т.е. в пересчёте на ИС получаем интенсивность случайных отказов l~10-8 ч-1. Заметим, что коммерческие изделияхарактеризуются большей интенсивностью случайных отказов (~10-7ч-1).

Экономический аспект

Стоимость изъятия дефектных ИС на разных этапах изготовлениямикроэлектронной системы резко возрастает при приближении к этапу эксплуатации. Это можно видеть по данным,взятым из [8], и представленным в табл. 2. Поэтому разработчики систем военного и космического применениястоят перед проблемой: необходимо с минимальными затратами обеспечить максимальную надёжность.
Таблица 2. Относительная стоимость изъятия дефектных ИС Этап Входной контроль Монтаж блока Испытания системы Эксплуатация системы Военная 1,0 7,1 15,7 1
43 Космическая 2,1 10,7 43 30 000 000

Затраты имеют место на всех этапах жизненного цикла системы. Однако издержки накаждом этапе можно изменять. Применение ИС с высокой надёжностью и радиационной стойкостью даёт низкийуровень затрат на разработку системы, но большие затраты на поставку изделий микроэлектроники. По данным[19] cоотношение надёжности и стоимости для различных классов ИС можно оценить по данным табл. 3.Таблица 3. Сопоставление надежности и стоимости испытаний ИС Класс ИС Industrial C B A Сособой проверкой Частота отказов, % за 1000ч. 0,1 0,06 0,006 0,003 0,001 Относительная стоимость 1,0 1,3 1,8 2,8 4-8

Надо заметить, что в представленной таблице указаны затраты толькона контроль изделий по методам стандарта MIL-STD-883. Затраты на производство высоконадёжных и радиационно-стойких ИС увеличивают стоимость на 2...3 порядка. Применение методов системной надёжности даёт возможностьприобретения менее дорогих и, по-видимому, менее надёжных изделий. В этом случае соотношение затрат на разныхэтапах жизненного цикла микроэлектронной системы для космических аппаратов при использовании коммерческихмикросхем и вклад отдельных этапов в стоимость эксплуатации (поддержания в исправном состоянии) показаны нарис. 3 [17]. Видно, что минимальные затраты на разработку при использовании системной надёжности даютмаксимальный вклад в стоимость эксплуатации системы.

Рис. 3. Относительная стоимость разных этапов жизненного цикла спутниковой системы:
ряд 1 - стоимость этапов в % от общей стоимости;
ряд 2 - вклад этапов (в %) в стоимость эксплуатации (поддержания в исправном состоянии)

Технология ИС непрерывно развивается. На смену выпускаемым внастоящее время большим (БИС) и сверхбольшим (СБИС) микросхемам приходят ультрабольшие ИС (УБИС), числотранзисторов в которых до-стигает 10 млн. на 1 см2 площади чипа. На таких кристаллах может быть реализованацелая система. В [20] отмечается, что стоимость однокристальной системы может быть менее 50$, в то время каканалогичная система, построенная на БИС и СБИС, стоит более 500$. Поэтому однокристальные системыэкономически выгодны.

Заключение

British Telecommunications и AMSAT, используя представленныйвыше “интеллектуальный” подход, названный “системной надёжностью”, доказали на практике его эффективностьуспешным многолетним орбитальным функционированием спутниковых систем, которые отказывали, когда солнечныебатареи истощались [17]. Актуальность этого подхода возрастает при переходе на системы, построенные на УБИС.Однако, если при переходе на СБИС возникли “мягкие” сбои, при которых искажается информация, а элементы неповреждаются и сохраняют работоспособность, то в случае использования УБИС возникла проблема поврежденияодной высокоэнергетичной частицей отдельных элементов. Поэтому УБИС в принципе не могут быть радиационно-стойкими, поскольку размеры транзисторов в них стали соизмеримы с разупорядоченной областью (кластером) —крупным радиационным дефектом, и обеспечить работоспособность таких устройств на борту КА можно толькометодами системной надёжности.
    Таким образом, вынужденная “коммерциализация” спутниковых микроэлектронных системсоздает необходимые знания и опыт для применения в космической технике однокристальных систем на основе УБИС.
    Автор благодарит О.П. Гобчанского и А.Б. Симакова за предоставленные материалы иА.П. Поливанова за помощь в подготовке графического материала.

Литература

  • Pease B. Что же это за стандарт MIL-HDBK-217? // Электроника (русск.пер.). — 1992. — № 3-4. — С. 71–72.
  • Бечина И.А., Попов В.Д. Прогнозирование отказов КМОП ИС с помощью метода рабочих областей. Препринт084-88. — М.: МИФИ. — 1988. — 23 с.
  • Попов В.Д. Подход к оценке работоспособности КМОП ИС при многолетнем функционировании в поляхнизкоинтенсивного радиационного воздействия. Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах(метрология, диагностика, технология): Материалы докладов научно-технического семинара (Москва, 28 ноября –1 декабря 1994 г.). — М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова. — 1995. — С. 205–207.
  • Popov V.D., Sizov A.V. Integrated circuits reliability fore-cast under prolonged low-intensity radiationinfluences. Proceedings of the First US-Russian Scientific Workshop on FIRE Environment. Space ResearchInstitute, Moscow, June 5–7, 1995, pp. 195–197.
  • Pikor A., Reiss E.M. Technological advances in the manufacture of radiation hardened CMOS integratedcircuits. IEEE Transaction on Nuclear Science, 1982, Vol. NS-24, No 6, pp. 2047–2050.
  • Lehnard Ch. Стандарт MIL-HDBK-217: пришло время его переосмысления // Электроника. — 1992. — № 3-4. — С.68–70.
  • Катеринич И.И., Курин Ф.М., Попов В.Д. Метод радиационно-термической отбраковки и повышения надёжностиМОП интегральных схем. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Физика радиационного воздействия нарадиоэлектронную аппаратуру. — 1995. — Вып. 3-4. — С. 127–132.
  • C.G.Peatle, J.D.Adams, S.L.Carrell, T.D.George, M.H.Valek. Слагаемые надёжности полупроводниковыхприборов // ТИИЭР (русск.пер.). — 1974. — № 2. — С. 6–37.
  • Shanfield Z. Thermally stimulated current measurements on irradiated MOS capacitors. IEEE Transactionon Nuclear Science, 1983, Vol. NS-30, No 6, pp. 4064–4070.
  • Оспищев Д.А., Попов В.Д. Исследование дефектов оксида кремния методом “облучение-отжиг”. Физика окисныхплёнок: Тезисы докладов 4-ой всероссийской научно-технической конф. (Петрозаводск, 28-30 мая 1994 г.). —Петрозаводск: ПГУ. — 1994. — с. 58.
  • Оспищев Д.А., Попов В.Д. Определение энергии активации ЭПР-центров в плёнках двуокиси кремния. Физическиеосновы надёжности и деградации полупроводниковых приборов: Тезисы докладов научно-технической конф.(Н.Новгород–Астрахань, сентябрь 1992 г.) — М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова. — 1992. — С. 78–79.
  • Гришаков В.В., Попов В.Д. Модель макродефекта в подзатворном оксиде кремния МОП-транзисторов. Научнаясессия МИФИ-99: Сборник научных трудов. Том 6. — М.: МИФИ. — 1999. — С. 76–77.
  • Попов В.Д., Поливанов А.П. Исследование явления перезарядки дефектов в плёнке оксида кремния припослерадиационной термообработке. Шумовые и де-градационные процессы в полупроводниковых приборах(метрология, диагностика, технология): Материалы докладов научно-технического семинара (Москва, 17-20 ноября1997 г.). — М.: МНТОРЭС им. А.С.Попова. — 1998. — С. 394–398.
  • Попов В., Катеринич И., Курин Ф. Радиационная технология: уникальные возможности в производствеМОП-интегральных схем // Chip News. — 1997. — № 3. — С. 20–22.
  • Отбраковка потенциально-ненадёжных интегральных микросхем с использованием радиационно-стимулирующегометода/ Кононов В.К., Малинин В.Г., Оспищев Д.А., Попов В.Д. Радиационно-надёжностные характеристикиизделий электронной техники в экстремальных условиях эксплуатации. — Санкт-Петербург: Изд-во РНИИЭлектронстандарт. — 1994. — С. 57–65.
  • Изделия электронной техники. Метод классификации полупроводниковых приборов и интегральных микросхем поуровням наработки с применением радиационно-стимулирующего облучения, в том числе с учетом условийэксплуатации. РД 11 0939-95. — Санкт-Петербург: РНИИ Электронстандарт. — 1998. — 40 с.
  • Sinnadurai N. System reliability. Commercialization of Military and Space Electronics: Materials ofworking shop meeting (Nicce, 28/09/98 – 1/10/98), pp. 115–119.
  • Петров Б.М. Разработка рекомендаций по обеспечению радиационной стойкости микропроцессорных итранспьютерных устройств с использованием различных видов избыточности. Моделирование и исследованиесложных систем: Труды международной научно-технической конф. (Севастополь, 9-16 сентября 1997 г.) — М.:МГАПИ. — 1998. — С. 113–120.
  • Vaccaro J. Требования к надёжности полупроводниковых приборов, предъявляемые министерством обороны США.— ТИИЭР (русск.пер.). — 1974. — № 2. — С. 38–64.
  • Бейер Р. Системы на кристалле. Актуальные про-блемы // Инженерная микроэлектроника. — 1998. — № 1. —С. 18–19.


МИФИ, Кафедра микроэлектроники
Тел. (095) 323-9068






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.