Лекция
Это продолжение увлекательной статьи про внешних факторов на надежность.
...
нагрузок на аппаратуру уменьшают, увеличивая прочность конструкции, применяя элементы с повышенной механической прочностью, изоляцию элементов или аппаратуры от механических воздействий (амортизаторы, упаковка и т. д.), рационально размещая аппаратуру в таре и на объектах.
Рис. . Одиночные сбои в работе электроники спутников (события SEE — Single Events Effects) при попадании высокоэнергичных протонов и ионов в элементы электроники и создание объемного заряда спутника электронами высоких энергий, вызывающего пробой диэлектриков и нарушение работы бортовой электроники [9-11]
Когда гамма и рентгеновское излучение (в том числе вторичное, полученное из-за столкновения электронов с корпусом аппарата) проходит через микросхему — в подзатворном диэлектрике транзисторов начинает постепенно накапливаться заряд, и соответственно начинают медленно изменятся параметры транзисторов — пороговое напряжение транзисторов и ток утечки. Обычная гражданская цифровая микросхема уже после 5000 рад может перестать нормально работать (впрочем, человек может перестать работать уже после 500-1000 рад).
Рис. . Полевой транзистор под действием радиации
Кроме этого, гамма и рентгеновское излучение заставляет все p-n переходы внутри микросхемы работать как маленькие «солнечные батареи» — и если в космосе обычно радиация недостаточна, чтобы это сильно повлияло на работу микросхемы, во время ядерного взрыва потока гамма и рентгеновского излучения уже может быть достаточно, чтобы нарушить работу микросхемы за счет фотоэффекта.
Механизмы отказов, вызванные одиночными событиями, в корне отличаются от механизмов отказов первого рода. Эти отказы могут происходить в любое время, не требуя накопления какой-либо дозы. К таким одиночным событиям относятся восстанавливаемые отказы — изменение состояния регистра памяти (SEU) или кратковременное изменение уровня на выходе логического элемента (SET), а также катастрофические отказы, которые ведут к потере функциональности системы либо навсегда, либо до снятия и восстановления питания. К катастрофическим отказам относятся SEL — переход микросхемы в состояние с высоким потреблением тока из-за тиристорного эффекта, SEFI — функциональный отказ устройства из-за одиночного события, SEB и SEGR — выход из строя микросхемы или логической ячейки в результате SEL. SHE — невосстанавливаемое залипание триггера или ячейки памяти в одном состоянии. Только первые два отказа (SEL и SEFI) не приводят к полному выходу устройства из строя и могут быть ликвидированы выключением питания и перезагрузкой. Именно одиночные отказы чувствительны к размеру элемента, поскольку чем меньше элемент, тем меньше его объем и емкость и тем меньше энергии достаточно для изменения его состояния.
Подавление одиночных сбоев является более сложной задачей, чем борьба с «медленными» отказами, поскольку общую накопленную дозу можно снизить на несколько порядков путем экранирования. Так, слой алюминия в 2 мм снижает накопленную дозу космического излучения в 100 раз [10, 11], однако, чтобы снизить дозу еще на два порядка, потребуется уже защита толщиной 8 мм. Этот парадоксальный факт легко объясняется тем, что состав космических лучей неоднороден. Если частицы низких энергий, как правило, задерживаются в тонком экране, то частицы высоких энергий могут с легкостью проникать сквозь него [12]. Поэтому состав излучения за экраном будет коренным образом отличаться от того, что был перед экраном, и, чтобы ослабить этот поток радиации, потребуется уже значительно более основательная защита. Тяжелые заряженные ионы и элементарные частицы высоких энергий могут взаимодействовать с веществом экрана и генерировать вторичные частицы, иногда даже более опасные для ИС [13]. Опыт показывает, что одиночные события, причиной которых являются космические лучи либо частицы, индуцированные ими, наблюдаются даже на уровне моря.
Методы борьбы с одиночными отказами подразделяются на две группы: борьба с SEL и его последствиями (SEFI, SEB и т. п.) и борьба с восстанавливаемыми отказами. Для преодоления SEL необходимо так сформировать топологию каждого элемента, чтобы избежать формирования паразитных транзисторов, которые в паре с основным могут образовать тиристор. Снижение напряжения питания также способствует увеличению стойкости ИС к SEL, поскольку, если оно ниже напряжения удержания паразитного тиристора, защелкивание либо не возникнет, либо в течение незначительного времени прекратится [14].
Рис. 2. Структура обычного и троированного триггера
Для борьбы с SEU используется резервирование ячеек памяти (так называемое троирование — TMR) (рис. 2). Суть этого подхода к проектированию ИС состоит в том, что каждый регистр или триггер заменяется на три соединенных параллельно по входам и мажоритарную схему на выходе. Поскольку все триггеры объединены по входам, на их выходах все время должны быть одинаковые уровни (за исключением моментов переходов, если задержки в триггерах отличаются). Если в результате SEU на одном из входов устанавливается неправильный уровень, то мажоритарная схема обнаруживает это и асинхронно возвращает сбившийся триггер в правильное состояние. Кроме того, в ее задачу входит формирование выходного уровня ячейки, который вычисляется путем голосования: каких уровней больше на выходах триггеров, те и задают состояние выхода.
Еще одним способом борьбы с SEU является использование для хранения редко изменяемой информации ячеек FLASH, Antifuse или C-RAM вместо SRAM. Это защищает от SEU, поскольку энергия, необходимая для изменения состояния таких ячеек, намного больше энергии, требуемой для перекидывания триггера SRAM [15].
Тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) — протоны, альфа-частицы и ионы больших энергий
Это самая большая проблема космической электроники — ТЗЧ имеют такую высокую энергию, что «пробивают» микросхему насквозь (вместе с корпусом спутника), и оставляют за собой «шлейф» заряда. В лучшем случае это может привести к программной ошибке (0 стать 1 или наоборот — single-event upset, SEU), в худшем — привести к тиристорному защелкиванию (single-event latchup, SEL). У защелкнутого чипа питание закорачивается с землей, ток может идти очень большой, и привести к сгоранию микросхемы. Если питание успеть отключить и подключить до сгорания — то все будет работать как обычно.
Бороться с защелкиванием можно несколькими способами:
1) Следить за потребляемым током, и быстро передергивать питание
2) Использовать микросхемы на сапфировой подложке (Silicon-on-sapphire, SOS, в более общем виде Silicon-on-insulator, SOI) — это исключает формирование биполярных паразитных транзисторов и соответственно защелкивание. Программные ошибки тем не менее все равно могут быть. Пластины кремний-на-сапфире стоят дорого, обрабатывать их сложно, и они имеют ограниченное применение в гражданском секторе — соответственно производство получается дорогим.
3) Использовать так называемый triple-well процесс — он также очень сильно снижает возможность защелкивания микросхемы за счет дополнительной изоляции транзисторов pn-переходом, но не требует каких-то особенных пластин или оборудования и соответственно само производство намного дешевле кремния на сапфире.
Нейтроны + 10B
Бор используется для легирования кремния и в виде боросиликатного стекла для изоляции слоев металла. Проблема в том, что природный бор на 20% состоит из Бора-10, который очень хорошо реагирует с нейтронами с выделением альфа-частицы прямо в сердце микросхемы. Это приводило к ошибкам работы микросхем, особенно памяти.
Нейтроны получаются как вторичная радиация, или прилетают от земли, как мы помним в космической радиации их нет.
10B + n → [11B] → α + 7Li + 2.31 MeV.
Эта одна из проблем которую удалось решить — используя для производства микросхем только изотоп 11B. Теперь нейтроны практически беспрепятственно проходят через микросхему, не вызывая ошибок. Это свойство бора кстати используется для экстренной остановки атомных реакторов — в него заливают борную кислоту, обогащенную изотопом 10B — альфа частицы там не проблема.
Источноком ЭМИ может быть боевое(атомное) оружие, аварии на атомных электростанций, вспышки на солнце, воздействие ЭМИ оружия.
Рисунок классификация эфектов возникающих в полупроводниках (ПП) и интегральных схемах (ИС) при воздествии
одиночных импульсов напряжения (ОИН)
Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН
По времени и характеру развития эффекты разделяются на первичные и вторичные.
- Первичные эффекты развиваются за счет энергии самого ОИН непосредственно во время его действия. К первичным следует отнести сбой и потерю информации в элементах, тепловой разогрев, пробой подзатворного диэлектрика, лавинный и туннельный пробой, перегорание металлизации под действием наведенных токов. Первичные эффекты могут и не вызывать сами по себе отказа (например, туннельный пробой), но могут способствовать их развитию и переходу во вторичную форму.
- Для развития вторичных эффектов необходимо накопление энергии во внутреннем объеме области полупроводника, для чего необходимо некоторое время (например, нагрев области полупроводника до точки плавления при вторичном пробое). Энергия для развития вторичного эффекта может обеспечиваться самим ОИН и (или) заимствоваться из внутренних источников (источник питания, накопительные конденсаторы). Характер развития вторичных эффектов может носить регенеративный и нерегенеративный характер.
По характеру влияния на параметры элементов первичные и вторичные эффекты делят на обратимые (переходные) и необратимые (остаточные).
- Переходные эффекты вызывают временную потерю работоспособности ПП и ИС под действием наведенных токов и напряжений, проявляющуюся в форме сбоя (ложного срабатывания), изменения внутреннего состояния элемента, выхода режима за допустимые пределы и т.п. В этом случае после воздействия ОИН происходит восстановление работоспособности элемента через время tпр - время потери работоспособности.
- Остаточные эффекты (эффекты повреждения) могут носить параметрический характер (выход одного или группы параметров за допустимые пределы) или форму катастрофического отказа.
Катастрофические отказы в приборах связаны с перечисленными ниже параметрами электрических сигналов, воздействующих на внутренние элементы ПП и ИС, и их уровнями.
1) Превышение энергией, выделенной в некотором внутреннем элементе за определенное время, предельного уровня (уровня повреждения):
где Ui(t), Ij(t) - ток и напряжение на рассматриваемом элементе; tи - время действия сигнала; Wп(tи)- уровень повреждения внутреннего элемента, зависящий от длительности воздействующего импульса. Данный критерий используется для определения уровней стойкости ПП и ИС, связанных с эффектами теплового вторичного пробоя полупроводниковых областей. Иногда уровень стойкости к данным эффектам определяют по мощности, рассеиваемой в элементе в течение заданного времени, т.е.
Оба этих критерия равноправны и являются энергетическими.
Рис Пробой перехода сток-канал с последующим образованием спайки в области контакта
2) Превышение током, протекающим через выделенный внутренний элемент, предельного уровня (уровня повреждения):
где Iп - предельно-допустимый уровень тока. Таким критерием описывается эффект токового вторичного пробоя в ПП, перегорание металлизации в ПП и ИС.
Рис Перегорание нихромовой и поликремниевой металлизаций
3) Превышение напряжением, приложенным к некоторому внутреннему элементу, предельного значения:
где Uп - предельно-допустимый уровень напряжения. Такой критерий используется для определения уровня стойкости по механизмам пробоя диэлектрика и, в ряде случаев, обратно- смещенных p-n переходов.
Рис Повреждение подзатворного диэлектрика
4) Превышение напряжением, приложенным к внутреннему элементу, некоторого порогового значения при одновременной возможности обеспечения через элемент порогового значения тока:
где Uпор, Iпор - пороговые значения напряжения и тока на элементе, необходимые для развития данного эффекта. Таким критерием описывается срабатывание ("защелкивание") паразитных четырехслойных структур (тиристорный эффект) под действием импульсов перенапряжения, где Uпор = Uвкл (напряжение включения) структуры, а Iпор = Iуд (ток удержания).
Рис Последствия срабатывания паразитной четырехслойной структуры
5) Превышение скорости изменения напряжения на некотором внутреннем элементе предельного значения:
где (dU/dt)пр - предельная скорость изменения напряжения на элементе. Такой механизм характерен для включения некоторых типов паразитных четырехслойных структур в КМОП ИС. Для развития процесса тирсторного эффекта необходимо, чтобы напряжение и ток на структуре были больше некоторых удерживающих значений Uуд, Iуд. Аналогичными параметрами описывается стойкость ПП и ИС к ОИН, связанная с деградацией электрических параметров, но, в отличие от катастрофических отказов, зависимости носят не пороговый, а непрерывный характер.
Рис Диапазоны уровней стойкости типовых ИС к ОИН
Скрытые эффекты повреждения ПП и ИС
При ЭСР(электростатических разрядах ) возможно также возникновение небольшого повреждения, которое тем не менее приводит к отказу устройства при эксплуатации в начальный период. Скрытые дефекты могут проявиться не сразу после воздействия разряда, а спустя месяцы или годы. Их можно разбить на три категории: - нанесенный ущерб настолько мал, что прибор полностью соответствует паспортным характеристикам. Вероятность безотказной работы в течение всего срока службы высока; - поврежденный элемент прибора по параметрам слегка выходит за установленные пределы и вполне способен выполнять свои функции в системе. Однако имеется достаточная вероятность преждевременного отказа; - прибор работоспособен, но не отвечает всем предъявляемым к нему требованиям. Надежность прибора существенно ослаблена. По физическому принципу скрытые дефекты делятся тоже на три группы.
Рис Один из возможных механизмов параметрической деградации ИС за счет влияния перенапряжений
Рис Визуальная деградация балочного вывода ИС
Скрытые эффекты повреждения ИС, вызванные воздействием ОИН, зачастую трудно поддаются идентификации. Прибор продолжает нормально функционировать, электрические параметры остаются в норме, но падает его надежность.
Методы защиты от ЭРС
1)Применение ограничителей (газорядрядных, ферритовых, диодных ограничителей на основе p-n перехода, диодных ограничителей на основе p-i-n перехода), варисторов на основе окислов металлов, Ограничители на основе GaAs СВЧ Шоттки-диодов
2) использование защитных экранов и защитного проводящего текстиля с серебрянныи нитями
Поломку электронных устройств из-за статики обнаружить достаточно сложно. Дело в том, что статические разряды могут приводить к значительным разрушениям, которые уничтожают «свидетельства» участия статики. Электронные компоненты наиболее уязвимы в момент выполнения монтажа на печатную плату. Рассмотрим особенности воздействия статики.
Накопление пыли. Статический заряд притягивает пыль. Накопление пыли в негерметичном блоке может привести к поломке, например, в высоковольтных устройствах (телевизорах, мониторах и др.), где пыль становится идеальным путем для распространения пробоя.
Генерация статического заряда. Генерация статического заряда сильно зависит от уровня влажности. Напряжения до 20 кВ могут генерироваться человеком, идущим по ковру, если уровень относительной влажности ниже 30%. При высокой влажности та же прогулка приведет к возникновению меньшего заряда 1,5 кВ. Очевидно, что при отсутствии антистатических мер заряд, накопленный человеком, может повредить устройство.
Чувствительность к электростатическим разрядам. Даже невысокие напряжения могут вызвать пробой электронных компонентов. Например, небольшой разряд 30 В способен разрушить затвор МОП-транзистора, если толщина оксида кремния в структуре транзистора мала.
Рисунок Повреждение кристала микрсхемы вызванное электростатическим разрядом
Отрицательное влияние электростатическим разрядом в первую очередь сказывается на МОП- и КМОП-ИС. электростатическим разрядом вызывает следующие виды повреждений: тепловой пробой p-n-перехода, образование в оксиде пустот (рис. 1, ), расплавление металлических проводников и др. Некоторые биполярные приборы также чувствительны к электростатическим разрядом. Особенно опасны электростатическим разрядом для ТТЛ ИС с барьером Шоттки, которые пробиваются при энергии ЭСР в 2–3 раза меньшей, чем необходимо для пробоя ТТЛ ИС. Это происходит вследствие меньшего размера барьера Шоттки. Пороги чувствительности полупроводниковых приборов и ИС приведены в таблице 1, относительная чувствительность различных типов ИС к ЭСР — в таблице 2
Таблица 1. Пороги чувствительности полупроводниковых приборов и интегральных схем
Таблица 2. Относительная чувствительность различных типов интегральных схем к электростатитчческм разрядам
Согласно «Директиве RoHS о снижении уровня содержания опасных веществ» 2003 года, в странах ЕС было запрещено использовать свинец в составе припоя.
Логика такого решения казалась разумной. Исключение свинца из состава бензина, где он использовался для предупреждения нарушений циклов работы двигателя внутреннего сгорания, принесло явные преимущества с точки зрения экологии и здравоохранения: в атмосферу не стало выбрасываться вредное химическое вещество, которое могло влиять на интеллектуальные способности человека. Удаление свинца из припоя, а сплав из 37% свинца и 63% олова применялся для соединения металлических деталей повсюду — от паяльных работ до схемных плат, — было следующим очевидным шагом, препятствующим его вымыванию в грунтовые воды из объектов на мусорных свалках.
Однако оловянное покрытие без добавок, как и кадмий и цинк или свинец, спонтанно образует кристаллы металла диаметром около 1–5 мкм и менее одной десятой толщины человеческого волоса, которые проталкиваются от основания вверх. Если они растут достаточно близко для того, чтобы прикоснуться к другому токопроводящему объекту, то вызовут короткое замыкание, которое может повредить аппаратуру. Это явлеения получило название оловянные усы .
Механизм образования «усов» происходит за счет напряжения сжатия, обусловленного, скажем, диффузией меди в олово. При встраивании в слой олова медь пробивается через барьерный слой оксида олова», — утверждает Стив Джонс из компании «Сиркатекс» в Саут Шилдс, Англия.
Критики ссылаются на сообщения о том, что компоненты припоя, такие как олово, олово-цинк, олово-серебро-медь, просто не способны заменить свинец в припое по надежности, укрывистости (смачиваемости контактных площадок) и стоимости.
Старением называется относительно медленное изменение физико-химических свойств материалов в процессе хранения и эксплуатации. Старению подвержены все металлы и изоляционные материалы. Время старения зависит от степени воздействия окружающей среды и режимов работы. Как следствие, старение материалов вызывает соответствующее старение элементов аппаратуры. Так, старение непроволочных резисторов характеризуется медленным необратимым увеличением сопротивления. Среднее изменение сопротивления составляет 1,5 — 3 % в год. Скорость старения некоторых резисторов достигает 5 — 10 % в год.
Уменьшение влияния процессов старения на надежность аппаратуры можно добиться применением качественных материалов с малыми скоростями старения; соответствующих режимов, определяющих малые скорости старения; правильно выбранных схемных решений, в которых значительные изменения параметров элементов не приводят к отказам.
Влияние квалификации обслуживающего персонала. В процессе обслуживания устройств, хранения и транспортировки приборов не исключается возможность различных ошибок работников эксплуатации (неправильное включение, неточная регулировка, случайные удары и т. д.). Очевидно, что число ошибок будет тем меньше, чем выше квалификация обслуживающего персонала, чем лучше он знает технику и чем больше имеет опыта в работе. Возможность ошибок увеличивается при усложнении обстановки и ухудшении внешних условий (возникновение одновременно нескольких отказов, большие морозы и т. п.).
При проведении мероприятий по техническому обслуживанию работники эксплуатации также могут совершать ошибки, связанные с нарушением сроков и небрежным проведением профилактических и ремонтных работ, с неправильной заменой приборов, неточным отсчетом по шкале измерительных приборов и т. д. Все эти ошибки могут привести к немедленным отказам или значительно снизить эксплуатационную надежность при последующей работе аппаратуры. Поэтому первостепенным требованием к обслуживающему персоналу является внимательное отношение к делу и строгая технологическая дисциплина в выполнении установленного порядка обслуживания.
Возможность ошибочной работы в условиях эксплуатации зависит также и от удобства обслуживания, ремонтопригодности элементов и систем.
Большое влияние на исправность работы устройств оказывает не только квалификация обслуживающего персонала, но и степень его натренированности в выполнении профилактических работ и устранении отказов. В этой связи следует рекомендовать применение широко используемых так называемых тренажеров, на которых создаются искусственные отказы и затем ликвидируются обслуживающим персоналом в лабораторных условиях. Уменьшить влияние квалификации обслуживающего персонала на эксплуатационную надежность можно также автоматизацией контроля параметров аппаратуры, использованием устройств, фиксирующих место отказа, автоматизацией поиска отказов, упрощением контрольно-проверочной аппаратуры.
Многие деградационные явления в активных элементах микроэлектроники в настоящее время связывают с диффузией — процессом массопереноса в
объеме полупроводника, на его поверхности, по границам раздела фаз и в контактах. Именно этот процесс, который может ускоряться в зависимости от
наличия дислокаций, внутренних механических напряжений и таких внешних факторов, как давление, температура, электрическое поле, радиация и др.,
обусловливает деградацию электрических характеристик прибора, ползучесть, старение, коррозию материалов полупроводниковой структуры и контактов.
Специфика механизмов деградации наиболее четко проявляется в зависимости от метода создания выпрямляющего контакта. Так,
экспериментальные исследования диодов с барьером Шоттки на основе арсенида галлия и кремния в различных режимах работы показали [14], что
основным физическим процессом, обусловливающим деградацию параметров, является интердиффузия на границах раздела металл-полупроводник и металлметалл. Взаимная диффузия приводит к образованию интерметаллических соединений на границе металл-полупроводник и к генерации глубоких центров
в области пространственного заряда [15], ухудшению пробивного напряжения барьера Шоттки [16-18].
Для диодов с барьером Шоттки наряду со взаимной диффузией компонентов важным механизмом деградации является релаксация внутренних
механических напряжений.
Влияние пластической деформации на характеристики полупроводниковых приборов обусловлено неоднородным изменением
концентрации носителей, их времени жизни и других свойств материала, из которого изготовлен прибор. Корреляция избыточных обратных токов
полупроводниковых диодов с плотностью дислокаций в базе отмечается в работе [16]. Связанные с дислокациями генерационно-рекомбинационные
центры, изменения зонной структуры полупроводника, обусловленные деформационным полем дислокаций, могут проявиться в появлении
туннельных токов. Авторами работы [19] показано, что весьма эффективно осуществляется генерация дислокаций в процессе термокомпрессии вследствие
градиента температур и локальной пластической деформации. Для современных ИМС с высокой степенью интеграции одним из
доминирующих механизмов отказа является процесс деградации и разрушения микропроводников многоуровневой металлизации и ее элементов вследствие
электромиграции [20, 21].
Электромиграция (электродиффузия) - перенос массы, наблюдаемый в металлах и полупроводниках при прохождении постоянного и переменного
электрического тока большой плотности, является основной формой проявления ионной проводимости, вследствие чего этот процесс называют
электропереносом. Механизм перемещения ионов является диффузионным, например, диффузия ионов по поверхности, границам зерен, дислокациям
(существуют и другие механизмы переноса, такие как вакансионный и тепловой диффузии междоузельных атомов [22]).
делятся на категории commercial, industrial, military и space.
Классификация испытаний
Все испытания РЭСИ
продолжение следует...
Часть 1 Влияние внешних факторов на надежность электронной аппаратуры и компонентов - тепла,холода, влаги, радиации, деградация полупроводников
Часть 2 Действие влаги на электронную аппаратуру. - Влияние внешних факторов на
Часть 3 Воздействия радиации на электронные компоненты - Влияние внешних факторов на
Часть 4 Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря! - Влияние внешних факторов на надежность электронной аппаратуры
диагностика активных элементов , диагностика пассивных элементов , диагностика резисторов , диагностика диодов ,
Исследование, описанное в статье про внешних факторов на надежность, подчеркивает ее значимость в современном мире. Надеюсь, что теперь ты понял что такое внешних факторов на надежность, деградация полупроводников, оловянная чума, оловянные усы и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Диагностика, обслуживание и ремонт электронной и радиоаппаратуры
Подробнее о диагностике и поиске неисправностей
https://intellect.icu/testy-i-sovety-po-proverke-i-diagnostike-neispravnostej-radioelementov-diodov-tranzistorov-kondensatorov-termistorov-i-optopar-3260
Здесь больше теории о диагностике https://intellect.icu/5-neispravnosti-aktivnykh-i-passivnykh-elektroradioelementov-rezistorov-diodov-tranzistorov-kondensatorov-i-mikroskhem-3304
склейка линз была так называемым канадским бальзамом - смолой канадской пихты
Комментарии
Оставить комментарий
Диагностика, обслуживание и ремонт электронной и радиоаппаратуры
Термины: Диагностика, обслуживание и ремонт электронной и радиоаппаратуры