Способ испытаний на надежность изделий электронной техники

 

Использование: в области испытаний изделий электронной техники, применяемых в аппаратуре с длительными сроками эксплуатации. Сущность изобретения: первую группу изделий подвергают сначала воздействий электрических нагрузок, затем вторую и первую группу изделий подвергают воздействию ионизирующего излучения, измеряют заданные параметры изделий обеих групп, по которым судят о результатах испытаний. Дозу ионизирующего излучения для изделий обеих групп устанавливают предельно допустимой, неразрушающей для данного вида изделий, а электрические нагрузки для изделий первой группы устанавливают в пределах заданных эксплуатационных условий, рассчитывают среднестатическое значение заданных параметров изделий в каждой группе, по результатам сравнения которых судят о результатах испытаний. Способ повышает достоверность результатов испытаний, т. к. позволяет выяснить: приводят или нет традиционные испытания на надежность путем воздействия электрических нагрузок на испытуемые изделия к возникновению в них скрытых дефектов. 1 ил.

Изобретение относится к области испытаний изделий электронной техники, преимущественно изделий микроэлектроники, применяемых в аппаратуре с длительными сроками эксплуатации.

Известны методы оценки соответствия требованиям по надежности изделий электронной техники по ГОСТ В 20.57.404-81 "Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические военного назначения. Методы соответствия требованиям по надежности". Этот стандарт предусматривает выявление в ходе испытаний катастрофических отказов, наступающих у изделий из-за нарушения технологии их изготовления и несовершенства конструкции.

Испытания изделий проводят в предельно допустимых электрических режимах эксплуатации и при температуре, максимально допустимой для данного вида изделий и регистрируют изменение заданных (критериальных) параметров. Продолжительность испытаний указывается (задается) в ТУ на изделия. При необходимости испытания проводят и при воздействии других внешних факторов. Изделия считаются выдержавшими испытания, если в процессе испытаний не было отказов.

Однако результаты указанных испытаний недостаточно достоверны вследствие наличия в изделиях скрытых структурных дефектов, которые не могут быть выявлены указанными испытаниями, т.к. они не сказываются на изменении критериальных параметров изделий, а следовательно, не поддаются измерению и контролю. В результате признанные успешно прошедшими испытания изделия могут в условиях длительных сроков эксплуатации не обеспечивать необходимый ресурс.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату техническим решением является способ испытаний на надежность интегральных схем на стадии изготовления пластин по патенту США N 4816753, М. кл. G 01 R 31/26, опубл. 28.03.89. Способ предназначен для ускорения испытания изделий на надежность. Для этого стимулируют старение интегральных схем, в частности МОП интегральных схем, путем воздействия на них дозой ионизирующего излучения (рентгеновские лучи и др.) и устанавливают корреляционную зависимость радиационной стойкости и срока службы прибора. В результате воздействия ионизирующего излучения в окисных слоях устройства стимулируется большое количество электронно-донорных пар, которые захватываются ловушками на границе раздела, что приводит к выходу из строя прибора в течение относительно короткого времени.

Первоначально на этапе калибровки одну группу изделий подвергают электрическому старению, т. е. воздействию электрических нагрузок до отказа прибора, который наступает в результате деградации ловушек на границе раздела и измеряют время жизни изделия в зависимости от тока подложки. Измерение токов подложки и времени жизни изделий на этапе их электрического старения производится для изделий, изготовленных различными технологическими процессами и имеющих различные геометрические размеры, в частности различную ширину. На основании полученных данных по соответствующей математической формуле, учитывающей ширину прибора, определяют коэффициент радиационной стойкости.

Затем на этапе собственно испытаний интегральные схемы другой группы подвергают воздействию ионизирующего излучения для имитации деградации ловушек на границе раздела. Энергию луча устанавливают достаточной для генерации в окисных слоях электронно-дырочных пар, индуцированных ионизирующим излучением. Дозу излучения увеличивают до критической, при которой число ловушек на границе раздела приводит к отказу интегральной схемы.

Сравнивая измеренную критическую дозу излучения с коэффициентом радиационной стойкости, можно предсказать срок службы изделия за очень короткое время испытаний.

Данный способ испытаний является разрушающим, т.к. выявление эмпирической зависимости срока службы прибора от уровня его радиационной стойкости предполагает воздействие на пластину разрушающей дозой ионизирующего излучения.

Однако результаты испытаний по известному способу не имеют достаточно высокой достоверности. Это объясняется следующим.

На этапах электрического старения изделия получают электрические нагрузки, которые, сами по себе, безотносительно погрешностей, вносимых технологическими операциями при изготовлении приборов, могут привести к возникновению скрытых дефектов в приборах, которые при последующей эксплуатации изделий могут явиться причиной их отказа. Однако эти данные на этапе градуировки закладываются как эталонные в данные о радиационной стойкости изделия. Кроме того, градуировка производится на одних изделиях, а испытанию подвергаются другие. В результате, без учета возможных ошибок эксперимента и неизбежных различий структуры испытываемых и эталонных изделий, полученные данные о стойкости принимаются в качестве исходных для анализа результатов испытаний исследуемых изделий. При этом, как показывают расчеты, сделанные по данным описания, только за счет ошибок в оценке величины тока подложки изделий в ±5% можно ожидать ошибку в оценке времени срока службы изделий до 50% Целью изобретения является повышение достоверности испытаний.

Для достижения поставленной цели по предлагаемому способу испытания на надежность изделий электронной техники, заключающемся в том, что первую группу изделий подвергают сначала воздействию электрических нагрузок, а затем вторую и первую группу изделий подвергают воздействию ионизирующего излучения, измеряют заданные параметры изделий обеих групп, по которым судят о результатах испытаний. Обе группы изделий выбирают из одной испытуемой партии. Таким образом, первая группа изделий дополнительно подвергается воздействию ионизирующего излучения. Дозу ионизирующего излучения для изделий обеих групп устанавливают предельно допустимой, неразрушающей для данного вида изделий, а электрические нагрузки для изделий первой группы устанавливают в пределах заданных эксплуатационных условий, рассчитывают среднестатистическое значение заданных параметров изделий в каждой группе, по результатам сравнения которых судят о результатах испытаний.

Предлагаемый способ повышает достоверность результата, т.к. позволяет выяснить: приводят (и насколько значительно) или нет традиционные испытания на надежность путем воздействия электрических нагрузок на испытуемые изделия к возникновению в них скрытых дефектов, которые при последующей эксплуатации изделий могут привести к их отказу ранее прогнозируемого срока службы, и если такой факт имеет место, то по сравнительной оценке его величины установить, как целесообразно использовать эти изделия в аппаратуре, для которой они предназначены. Особенно это важно для изделий длительного функционирования.

В случае, если среднестатистическое значение заданных параметров изделий в каждой группе совпадает, делается вывод об отсутствии влияния самих испытаний на их результаты. В случае, если указанные значения отличаются, делается вывод о том, что результаты испытаний по надежности превышены. В реальных условиях эксплуатации они будут ниже. В зависимости от того, насколько эти различия велики, можно рекомендовать использование изделий в аппаратуре с жесткими или более слабыми эксплуатационными требованиями.

Анализ соответствия заявляемого технического решения критерию "новизна" показал, что способа, аналогичного заявляемому, в исследуемой и смежных областях техники не обнаружено.

Анализ соответствия заявляемого технического решения критерию "существенные отличия" показал, что изобретение реализуется на основе новой совокупности существенных признаков. Каждая из технологических операций способа, отдельно взятая, необходима, а вместе взятые с учетом их последовательности и взаимосвязей между собой достаточны, чтобы отличить предлагаемый способ от других способов и характеризовать его в том качестве, которое проявляется в повышении достоверности результатов испытаний.

Способ поясняется чертежом, на котором представлен график зависимости относительного значения напряжения логического нуля от дозы облучения для двух групп изделий (кривые 1,2) из одной партии.

Физику процессов, происходящих в изделиях, в соответствии с предлагаемым способом испытания, можно пояснить следующим образом.

Способ основан на общности процессов теплового и радиационного старения материалов и изделий, которая проявляется в идентичности результатов необходимой деградации самих изделий вследствие влияния на них либо термотоковых нагрузок, либо ионизирующих излучений. Формально это проявляется в аналогии кинетики ухода параметров, например для германиевых транзисторов по параметру коэффициент передачи по току, вследствие длительного функционирования ("Надежность полупроводниковых устройств" пер. под ред. Маслова А.Я. Иностр. лит. 1963 г. с. 284) и в условиях их облучения различными видами ионизирующих облучений ("Действие проникающей радиации на изделия электронной техники" под ред. Ладыгина Е.А. изд. Сов. радио М. 1980, с. 84). Это объясняется общностью теплового и радиационного механизмов необратимого старения материалов и структур изделий. Первый экспоненциально зависит от температуры, а вероятность каждого акта деградации материалов (диффузия, миграции, сорбции и т.д.) тем выше, чем ниже энергия активации указанных процессов. Для изделий полупроводниковой техники она колеблется от долей до единиц электронвольт (Б.М. Горин, А.Е. Кив "Механизмы естественного старения и вынужденной деградации полупроводниковых приборов, Обзоры по электронной технике", сер. "Полупроводниковые приборы", 1983, вып. 8, с. 19, 20 и 31). Второй линейно зависит от числа быстрых частиц или квантов и вызываемых ими актов смещения атомов материала. Вероятность каждого акта возбуждения материала определяется энергией активации с материалом. Эта энергия на порядок превышает вышеуказанную.

В результате, в области возбуждения материала закачивается энергия, которая на порядок больше, чем необходимо для протекания процессов необратимого теплового старения. Поэтому в этих областях начинают протекать все возможные необратимые деградационные процессы, аналогичные тепловым, защитные барьеры которых оказываются значительно меньше энергии внешнего воздействия. Таким образом, ионизирующие излучения ускоряют обычные процессы старения материалов и изделий.

Однако в предложенном способе воздействие ионизирующих излучений не только ускоряет деградацию изделий, но одновременно, с учетом принципа аддитивности накопления повреждений и дефектов в материалах изделий позволяет выявить те случаи, когда в изделиях априори были накоплены дефекты и повреждения. Последние до радиационных испытаний никак не проявлялись и не могли быть выявлены методами измерений параметров изделий или физического анализа их характеристик.

В ходе анализа результатов испытаний изделий путем сравнения полученных данных о кинетике изменения параметров обеих групп облучаемых изделий выявляются те различия в структуре исследуемых изделий, которые были сформированы в процессе испытаний изделий под электрическими или любыми другими нагрузками. Более интенсивное изменение параметров исследуемых изделий в ходе их последующих радиационных испытаний свидетельствует о необратимой скрытой деградации этих изделий в ходе испытаний под электрической нагрузкой. Критерием для оценки степени этой скрытой деградации является величина расхождения данных о кинетике изменения параметров изделий обеих групп в ходе радиационных испытаний, которая позволяет оценить интенсивность скрытой деградации изделий под электрической нагрузкой.

Заявляемый способ реализован при испытаниях двух партий биполярных логических микросхем типа 1505ЛБ1А, предназначенных для долговременного использования.

Из первой партии выбирали две группы изделий по 50 шт. каждая и измеряли их заданные электрические параметры, в том числе напряжение логического нуля U^OL.

Затем одну группу помещали в тепловую камеру и устанавливали режим испытаний на долговечность, соответствующий требованиям ТУ. После завершения испытаний проводили измерение тех же электрических параметров. Установили, что параметры, в том числе U^OL, остались неизменными, что свидетельствовало об отсутствии расхода ресурса микросхем, т.е. результат испытаний можно было бы считать истинным, т.е. достоверным.

Затем изделия обеих групп подвергали воздействию дозы гамма-излучения, которую ограничили величиной 2·10⁸ рад, предельно допустимой неразрушающей для микросхем типа 1505ЛБ1А.

Затем измерили электрические параметры изделий и рассчитали среднестатистические значения параметров в каждой из групп. В качестве критериального параметра приняли относительную величину U^O_D^L/U^OL.

U^O_D^L- среднестатистический уровень напряжения после облучения, B; U^OL среднестатистический уровень напряжения по ТУ, В.

В группе изделий, прошедших испытания, среднестатистическая величина U^O_D^L/U_OL оказалась равной 1,5 (на чертеже кривая 1), а в группе изделий, не прошедших испытания, среднестатистическое значение U^O_D^L/U_OL составило 1,2 (на чертеже кривая 2).

Следовательно, результат проведенных ранее испытаний оказался недостаточным, надежность изделий ниже, чем ожидалась ранее.

Из второй партии изделий такого же типа были выбраны также две группы изделий и с ними провели аналогичные операции. В группе изделий, прошедших испытания, величина U^O_D^L/U_OL составила 1,3, а в группе изделий, не прошедших испытания, 1,13.

Следовательно, результат проведенных ранее испытаний был также недостоверен. Истинная надежность в этом случае оказалась ниже.

Исходя из результатов испытаний, можно заключить, что в аппаратуре длительного функционирования более целесообразно использовать изделия из второй партии, т.к. у изделий первой партии скрытый расход параметрического ресурса выше и они могут не обеспечить необходимый ресурс работы этих изделий.

Для изделий электронной техники различной конструкции, технологии изготовления и функционального назначения могут измеряться и приниматься для анализа все нормированные параметры критерии годности, которые являются информативными для электрических испытаний и радиационных воздействий.

Заявляемый способ действительно позволяет повысить достоверность испытаний, т. к. воздействие ионизирующих излучений выполняется одновременно на исследуемую и эталонные (контрольные) группы изделий из одной партии их изготовления. В результате этого обеспечивается инвариантность всех функциональных зависимостей кинетики измерения параметров изделий от ионизирующих излучений и других внешних возмущений, сопровождающих испытания, например температуры. Поэтому любые неоднозначности испытаний в ходе неконтролируемых флуктуаций внешних воздействий не влияют на достоверность результатов испытаний. Они анализируются в ходе сравнения данных для двух групп изделий при обеспечении полного совпадения условий их испытаний. Поэтому в заявляемом способе даже ошибки в оценке поглощенной дозы ионизирующих излучений не влияют на достоверность анализа результатов испытаний изделий.

Таким образом осуществляется достоверная оценка того, что изделия будут работать надежно, т.к. у них отсутствует или минимален параметрический расход ресурса. Этим способом можно оценивать надежность изделий, предназначенных для аппаратуры длительного функционирования. Это особенно важно для приборов, доступ к которым затруднен.

Формула изобретения

Способ испытаний на надежность изделий электронной техники, заключающийся в том, что первую группу изделий подвергают воздействию электрических нагрузок, вторую группу изделий подвергают воздействию ионизирующего излучения, измеряют заданные параметры изделий обеих групп, по которым судят о результатах испытаний, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности испытаний, обе группы изделий выбирают из одной испытуемой партии, первую группу изделий дополнительно подвергают воздействию ионизирующего излучения, причем дозу ионизирующего излучения для изделий обеих групп устанавливают предельно допустимой неразрушающей для данного вида изделий, а электрические нагрузки для изделий первой группы устанавливают в пределах заданных эксплуатационных условий, рассчитывают среднестатическое значение заданных параметров изделий в каждой группе, по результатам сравнения которых судят о результатах испытаний.

РИСУНКИ

Рисунок 1