. (1.12)
Если при статистической оценке время эксперимента разбить на достаточно большое количество одинаковых интервалов t за длительный срок, то результатом обработки опытных данных будет график, изображенный на рис.2.3.
Как показывают многочисленные данные анализа надежности большинства объектов техники, в том числе и электроустановок, линеаризованная обобщенная зависимость (t) представляет собой сложную кривую с тремя характерными интервалами (I, II, III). На интервале II (t2 - t1) = const. Этот интервал может составлять более 10 лет [8], он связан с нормальной эксплуатацией объектов. Интервал I (t1 - 0) часто называют периодом приработки элементов. Он может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от уровня организации отбраковки элементов на заводе-изготовителе, где элементы с внутренними дефектами своевременно изымаются из партии выпускаемой продукции. Величина интенсивности отказов на этом интервале во многом зависит от качества сборки схем сложных устройств, соблюдения требований монтажа и т.п. Включение под нагрузку собранных схем приводит к быстрому "выжиганию" дефектных элементов и по истечении некоторого времени t1 в схеме остаются только исправные элементы, и их эксплуатация связана с = const. На интервале III (t > t2) по причинам, обусловленным естественными процессами старения, изнашивания, коррозии и т.д., интенсивность отказов резко возрастает, увеличивается число деградационных отказов. Для того, чтобы обеспечить = const необходимо заменить неремонтируемые элементы на исправные новые или работоспособные, отработавшие время t t2. Интервал = const cоответствует экспоненциальной модели распределения вероятности безотказной работы. Эта модель подробно проанализирована в подразделе 3.2 Здесь же отметим, что при = const значительно упрощается расчет надежности и наиболее часто используется как исходный показатель надежности элемента.
Средняя наработка на отказ - этот показатель относится к восстанавливаемым объектам, при эксплуатации которых допускаются многократно повторяющиеся отказы. Эксплуатация таких объектов может быть описана следующим образом: в начальный момент времени объект начинает работу и продолжает работу до первого отказа; после отказа происходит восстановление работоспособности, и объект вновь работает до отказа и т.д. На оси времени моменты отказов образуют поток отказов, а моменты восстановлений - поток восстановлений.
Средняя наработка на отказ объекта (наработка на отказ) определяется как отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта к числу отказов, происшедших за суммарную наработку:
, (1.13)
где ti - наработка между i-1 и i-м отказами, ч; n (t) - суммарное число отказов за время t.
Рассмотрим зонную диаграмму диода с p-n переходом при обратном смещении при условии, что области эмиттера и базы диода легированы достаточно сильно (рис.2.1).
Рисунок 2.1 - Зонная диаграмма диода на базе сильнолегированного p-n перехода при обратном смещении.
Квантово-механическое рассмотрение туннельных переходов для электронов показывает, что в том случае, когда геометрическая ширина потенциального барьера сравнима с дебройлевской длиной волны электрона, возможны туннельные переходы электронов между заполненными и свободными состояниями, отделенными потенциальным барьером.
Форма потенциального барьера обусловлена полем p-n перехода. На рисунке 2.2 схематически изображен волновой пакет при туннелировании через потенциальный барьер треугольной формы.
Рисунок 2.2 - Схематическое изображение туннелирования волнового пакета через потенциальный барьер.
Возьмем уравнение Шредингера Hψ = Eψ, где H - гамильтониан для свободного электрона
,
Е - энергия электрона. Введем
Тогда снаружи от потенциального барьера уравнение Шредингера будет иметь вид:
Внутри потенциального барьера
.
Решение для волновых функций электрона будем искать в следующем виде:
Используем условие непрерывности для волновой функции и ее производные ψ, dψ/dx на границах потенциального барьера, а также предположение об узком и глубоком потенциальном барьере (βW >> 1).
В этом случае для вероятности туннельного перехода Т получаем:
Выражение для туннельного тока электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне будет описываться следующим соотношением:
где использованы стандартные обозначения для функции распределения и плотности квантовых состояний.
При равновесных условиях на p+-n+ переходе токи слева и справа друг друга уравновешивают: IC→V = IV→C.
При подаче напряжения туннельные токи слева и справа друг друга уже не уравновешивают:
Здесь fC, fV - неравновесные функции распределения для электронов в зоне проводимости и валентной зоне.
Для барьера треугольной формы получено аналитическое выражение для зависимости туннельного тока Jтун от напряженности электрического поля Е следующего вида:
За напряженность электрического поля пробоя Eпр условно принимают такое значение поля Е, когда происходит десятикратное возрастание обратного тока стабилитрона: Iтун = 10·I0.
При этом для p-n переходов из различных полупроводников величина электрического поля пробоя Eпр составляет значения: кремний Si: Eпр = 4·105 В/см; германий Ge: Eпр = 2·105 В/см. Туннельный пробой в полупроводниках называют также зинеровским пробоем.
Оценим напряжение Uz, при котором происходит туннельный пробой. Будем считать, что величина поля пробоя Eпр определяется средним значением электрического поля в p-n переходе Eпр = Uобр/W. Поскольку ширина области пространственного заряда W зависит от напряжения по закону
то, приравнивая значения W из выражений
получаем, что напряжение туннельного пробоя будет определяться следующим соотношением:
Рассмотрим, как зависит напряжение туннельного пробоя от удельного сопротивления базы стабилитрона. Поскольку легирующая концентрация в базе ND связана с удельным сопротивлением ρбазы соотношением ND = 1/ρμe, получаем:
Из уравнения (4.21) следует, что напряжение туннельного пробоя Uz возрастает с ростом сопротивления базы ρбазы.
Эмпирические зависимости напряжения туннельного пробоя Uz для различных полупроводников имеют следующий вид:
германий (Ge): Uz = 100ρn + 50ρp;
кремний (Si): Uz = 40ρn + 8ρp,
где n, p - удельные сопротивления n - и p-слоев, выраженные в (Ом·см).
Осаждение тонких металлических пленок для создания законченной структуры интегральной схемы с соединениями требует решения многих сложных проблем. В большинстве случаев металлизация осуществляется с применением процесса фотолитографии, т.е. на фоторезисте создается рисунок соединения, определяющий участки, с которых металл должен быть удален и в которых должен быть оставлен. Последовательность нанесения слоя фоторезиста и металла может быть изменена.
Разрыв металлической пленки. Обычно на слое фоторезиста создают требуемый рисунок соединений и затем на всю поверхность пластины осаждают пленку металла, удаляемую с участков, на которых имеется фоторезист, совместно с последним. Если пленка металла относительно толстая и непрерывна по всей поверхности пластины, в ней могут возникнуть разрывы и зазубрины на краях, как показано на рис.3.1 Это само по себе не выдвигает новых проблем, если отдельные частицы металла остаются на пластине.
В ряде случаев сначала наносят на всю поверхность пластины металлическую пленку, а затем уже фоторезист. Металл стравливают с участков, где он нежелателен. Этот процесс менее распространен из-за проблем, связанных с химическими реакциями и адгезией металла к подложке.
Рисунок 3.1 - Диффузионные выбросы и зазубрины в металлической пленке (1000-кратное увеличение).
Адгезия металла. Если адгезия металлической пленки к чистому кремнию, окисному покрытию и тонкопленочным компонентам неудовлетворительна, то металл может легко отрываться и обдираться. Обычно с кремнием используется алюминий и золото. Однако у золота плохая адгезия к SiO2, тогда как у алюминия она удовлетворительна и, следовательно, алюминий более широко применяется при изготовлении интегральных схем. Однако применение алюминия имеет и недостатки.
Адгезия алюминия к пленке двуокиси кремния улучшается при небольшом повышении температуры вследствие образования на границе раздела слоя А12О3 - SiO2 Поэтому для получения хорошей адгезии пластины в процессе осаждения алюминия следует нагревать. При избыточном нагреве процесс образования соединения А12О3 - SiO, протекает очень быстро, причем алюминий проходит через стекло и сплавляется с кремнием. Это явление особенно опасно в тех случаях, когда поверхность кремниевой пластины защищена тонким слоем стекла, как, например, в некоторых МОП-конденсаторах.
Рисунок 3.2 - Двухслойная металлизация.
Вследствие образования "пурпурной чумы" некоторые фирмы перешли к использованию только алюминиевых контактов и соединений. Другие решают эту проблему путем использования серебра или золота для создания контактов и тугоплавкого металла, например хрома, в качестве промежуточного слоя для улучшения адгезии металлов к стеклу. На рис.3.2 приведено поперечное сечение этих систем.
Фирма Philco сообщила о применении системы хром-серебро, фирма Texas Instruments использует тонкий слой алюминия для улучшения адгезии, затем слой молибдена для защиты поверхности раздела и для изоляции алюминия и слой золота, которое наносится на поверхность для улучшения прикрепления проволочных выводов к контактным площадкам.
Отслаивание и растрескивание тонкого слоя А1. Как уже говорилось выше, если адгезия металла к SiO2 неудовлетворительна, пленка начинает отслаиваться. Загрязнение поверхности пластины при проведении фотолитографии или из-за других причин также приводит к отслаиванию пленки. Существует дешевый и быстрый способу проверки адгезии, заключающийся в наклеивании липкой ленты на поверхность пластины и последующем удалении ее. Если вместе с лентой снимается тонкая пленка металла, адгезия считается неудовлетворительной.
Металлическая пленка обычно очень мягка и легко царапается в процессе дальнейшей обработки пластины, поэтому при проведении зондовых испытаний следует тщательно следить за тем, чтобы не возникали царапины на пленке. Царапины, проходящие через металлическую пленку, аналогичны разрыву проволочных выводов, приводящему к отказу схемы.
Химические реакции. Алюминиевая пленка может реагировать с остатками химических реагентов, используемых в процессе изготовления схемы, и с пленкой двуокиси кремния. При осаждении достаточного количества алюминия на пленку SiO2 соответствующей толщины нежелательных реакций не возникает. Алюминий химически очень активен. Особенно большие трудности возникают в тех случаях, когда алюминиевая пленка реагирует с щелочными, кислотными или спиртовыми растворами, образуя непроводящие черные (иногда белые) соединения.
Всякий отказ связан с нарушениями требований проектной документации.
По скорости изменения параметров до возникновения отказа различают внезапные и постепенные отказы.
Внезапный отказ - это отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров изделия. Постепенный отказ - это отказ, возникающий в результате постепенного изменения значений одного или нескольких параметров. Такое деление весьма условно, так как большинство параметров изменяется с конечной скоростью, поэтому четкой границы между этими классами не существует. К постепенным отказы относят в тех случаях, когда изменения параметров легко прослеживаются, позволяя своевременно предпринять меры по предупреждению перехода системы в неработоспособное состояние, например, заменить батарейку брелока.
По характеру устранения различают устойчивый, самоустраняющийся и перемежающийся отказы. Устойчивый отказ всегда требует проведения мероприятий по восстановлению работоспособности изделия. Самоустраняющийся отказ, или сбой, устраняется в результате естественного возвращения системы в работоспособное состояние, причем время устранения отказа мало. Пример - сигнализация не сработала один раз на команду с брелока.
По характеру проявления различают явные и скрытые отказы. Явный отказ обнаруживается визуально или штатными методами и средствами контроля и диагностирования при установке системы на автомашину или процессе эксплуатации. Скрытый отказ выявляется при проведении технического обслуживания или специальными методами диагностирования. Задержка в обнаружении скрытого отказа может привести к неправильному срабатыванию алгоритмов, некорректной обработке информации, выработке ошибочных управляющих воздействий и другим неблагоприятным последствиям.
В некоторых элементах возможны отказы двух типов. В резисторах, полупроводниковых диодах, транзисторах, реле и ряде других элементов могут возникать отказы типа "обрыв" и типа "короткое замыкание". В первом случае падает до нуля проводимость, а во втором - сопротивление в любых или в определенном направлении. В элементах, назначение которых состоит в формировании сигнала в ответ на определенные сочетания сигналов на входах, например в логических элементах, также возможны отказы двух типов: отсутствие сигнала, когда он должен быть сформирован, и появление сигнала, когда его не должно быть (ложный сигнал).
По первопричине возникновения различают конструктивный, производственный и эксплуатационный отказы. Конструктивный отказ возникает по причине, связанной с несовершенством или нарушением установленных правил и/или норм проектирования и конструирования. Производственный отказ связан с несовершенством или нарушением технологического процесса изготовления, а эксплуатационный отказ - с нарушением правил и/или условий установки и эксплуатации, при возникновении непредусмотренных внешних воздействий или воздействий высокой интенсивности.
Интенсивность отказов ИМС лежит в пределах 10-6-10-9 ч-1, приближаясь к уровню высоконадежных элементов.
Сравнение интенсивности отказов отдельных элементов ИМС и ИМС в целом показывает, что они практически равнозначны. Преимуществом является то, что степень функциональной сложности ИМС с малым и средним уровнем интеграции слабо отражается на их надежности.
Для ИМС прежде всего характерны внезапные отказы, обусловленные качеством изготовления (технологическими дефектами): разрывы соединений между контактной зоной на поверхности подложки (кристалла) и выводами корпуса, обрывы и короткие замыкания внутренних соединений. Внезапные отказы полупроводниковых ИМС составляют 80% от общего числа отказов. Свыше 50% отказов гибридных линейных ИМС связано с дефектами встроенных транзисторов и паяных соединений. Отказы контактов золотых проволочных выводов чаще всего происходят из-за обрыва проволочки около шарика ковары.
Наиболее слабым звеном полупроводниковых ИМС в пластмассовых корпусах являются внутренние проволочные соединения, дающие обрывы и короткие замыкания (более 90% отказов вызвано обрывами соединительных проводов).
Основная причина таких отказов определяется различием температурных коэффициентов линейного расширения металла и обволакивающего материала, что приводит к возникновению термомеханических напряжений. Около 10% отказов полупроводниковых ИМС в пластмассовых корпусах происходит по причине электрической коррозии алюминиевой металлизации из-за недостаточной влагостойкости пластмасс и загрязнения поверхности окисла при герметизации. Типичны для таких ИМС и отказы из-за образования шунтирующих утечек и коротких замыканий, так как влага вызывает перенос ионов металла и загрязнений, а также образование проводящих мостиков между разнопотенциальными точками схемы.
Более надежными являются ИМС с керамическими корпусами.
У полупроводниковых приборов - диодов, транзисторов, тиристоров, микросхем постепенные и внезапные отказы возникают чаще, чем другие виды отказов. Наиболее характерным изменением параметров полупроводниковых приборов, приводящим к постепенным отказам, является увеличение обратного тока диодов и неуправляемых обратных токов коллекторных переходов транзисторов и тиристоров. Внезапные отказы являются следствием ошибок в конструкции полупроводниковых приборов и нарушения технологии их изготовления. На основе данных о работе полупроводниковых приборов в различных схемах можно считать, что около 80% их отказов являются постепенными. В справочной литературе, достаточно широко учтены влияющие факторы на работоспособность полупроводниковых приборов в виде поправочных коэффициентов, определяемых по таблицам или номограммам.
Проблема обеспечения надежности электронных компонентов включает в себя множество этапов: от создания элементов и аппаратуры, до ее практического использования. Поэтому все факторы, влияющие на надежность РЭА, условно принято рассматривать применительно к трем этапам.
При проектировании учитывают следующие факторы:
качество и количество применяемых элементов и деталей;
режимы работы элементов и деталей;
стандартизация и унификация;
доступность деталей узлов и блоков для осмотра и ремонта.
К производственные факторы, отрицательно влияющие на надежность:
отсутствие качественного контроля материалов и комплектующих изделий, поступающих от смежных предприятий;
нарушение сортности и недоброкачественная замена материала при изготовлении деталей;
установка в приборах элементов, подвергающихся длительному хранению в неблагоприятных условиях, без предварительной проверки;
недостаточное внимание к чистоте оборудования, рабочего места, воздуха и т.д. (что особенно важно в производстве микросхем и сборке точных элементов и устройств);
неполный контроль за ходом операций и при выпуске готовой продукции;
нарушение режима сложных технических процессов.
К эксплуатационные факторы, влияющие на надежность, следующие:
квалификация обслуживающего и ремонтного персонала;
воздействие на приборы и механизмы внешних условий (климатических; механических и т.п.) и факторы времени.
1. Горлов М.И., Королев С.Ю. Физические основы надежности интегральных микросхем. - Воронеж: ВГУ, 1995. - 200с.
2. Ефимов И.Е., Козырь И.Я., Горбунов Ю.И. Микроэлектроника. Физические и технологические основы, надежность. - М.: Высшая школа, 1986.
3. Фомин А.В., Боченков Ю.И., Сорокопуд В.А. Технология, надежность и автоматизация производства БГИС и микросборок / Под ред. А.В. Фомина. - М.: Радио и связь, 1981.
4. Чернышев А.А. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. - М.: Радио и связь, 1988. - 256с.
5. Докучаев И.И., Козырь И.Я., Онопко Д.И. Испытания и измерения интегральных микросхем. - М.: Изд. МИЭТ, 1978.
Страницы: 1, 2
