Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Твердотельная электроника

Диссертационная работа:

Поливанов Андрей Павлович. Методы увеличения времени функционирования КМОП СБИС запоминающих устройств в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов : Дис. ... канд. техн. наук : 05.27.01 : Москва, 2003 123 c. РГБ ОД, 61:04-5/2556

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Глава 1. Радиационные эффекты в СБИС ЗУ 11

  1. Радиационная обстановка в космосе 11

  2. Радиационные эффекты в МОП-структурах и их влияние на КМОП СБИС 17

  3. Отбраковка 28

  4. Системные методы увеличения ВБР СБИС и

приборов на их основе. 33

1.5. Постановка задачи 37

Глава 2. Прогнозирование вероятности безотказной работы

СБИС при радиационном воздействии 40

  1. Влияние макродефектов на ВБР СБИС 40

  2. Метод изучения процессов образования и зарядки макродефектов в МОП-структурах 42

  3. Методика анализа макродефектов 46

  4. Анализ макродефектов, образующихся при облучении быстрыми нейтронами 48

  5. Исследование макродефектов при воздействии ТЗЧ 52

  6. Исследование процесса зарядки макродефектов 58

  7. Прогнозирование интенсивности отказов 66

  8. Отказы элементов СБИС от одной ТЗЧ 69

  9. Проект натурного эксперимента 74

Выводы 75

ГлаваЗ. Разработка методов отбраковки ненадежных СБИС ЗУ 76

3.1. Исследование процессов восстановления СБИС

после гамма-облучения 76

  1. Отбраковка при помощи РТО 83

  2. Разбраковка по начальным параметрам 87

Выводы 96

Глава 4. Разработка системных методов повышения САС 97

4.1. Выбор функции распределения радиационных

отказов 97

  1. Теоретический анализ переключающегося и сеансного режимов работы СБИС ЗУ в составе БА КА 101

  2. Экспериментальное исследование режима переключения 104

  3. Оптимизация режима переключения при постоянной мощности дозы облучения на борту КА 106

  4. Пример расчета ВБР СБИС ПЗУ для эллиптической

орбиты 109

Выводы 112

Заключение 114

Литература... 116

Введение к работе:

Интегральные схемы сверхбольшой степени интеграции (СБИС) в настоящее время находят широкое применение в космической технике. Это связано с увеличением сложности задач, решаемых бортовой аппаратурой (БА), уменьшением массы БА, а также тем требованием, что базовая платформа БА должна быть как можно более «гибка» для подключения различных периферийных устройств. Данные требования приводят к необходимости применять высокопроизводительные, современные процессоры, СБИС запоминающих устройств (ЗУ) с большим объемом памяти и т.д. При применении этих устройств возникает задача обеспечения необходимой радиационной стойкости БА.

По данным работы [1] , приводящей статистику отказов КА США за период 1974 ... 1994 г.г., одной из основных причин отказа является отказ электронных компонентов БА, происходящий из-за воздействия ионизирующего излучения космического пространства (ИИ КП). Раньше эта проблема решалась применением радиационно-стойкой элементной базы. В последнее время технология развивалась наиболее быстро в областях электронных изделий, применяемых в компьютерах и системах телекоммуникаций. Потребности этих областей намного обогнали потребности военного и аэрокосмического рынков вместе взятых. На данный момент многие из основных производителей компонентов просто отказались выпускать малые партии электронных компонентов для космического рынка, а вновь созданные компании не заинтересованы в космическом рынке с его строгими требованиями к радиационной стойкости. По данным работы [2] к 90-м годам доля мирового рынка микросхем,

приходящаяся на вооружения и космическую технику, сократилась до 1%, а на настоящий момент составляет еще меньшее значение. На рис. В.1 приведено распределение полупроводниковых приборов по секторам рынка к 90-м годам, а на рис. В.2 - изменение доли военной продукции на рынке полупроводников. Как видно из этих рисунков, наблюдается устойчивое сокращение доли электронных компонентов, предназначенных для военного и космического применения. Кроме того, разрабатываемые новые типы микросхем, особенно СБИС, просто не могут быть сконструированы для применения в военной технике из-за высокой стоимости разработки и окупаемости только при производстве миллионами штук.

Щщнаыи

Певиимом*

Ппрмагмію»

ТИИГГИЩИИНИИ

ОН ЇМ Ш № <М М 1№

1S70 (975 1900 19S5 1Э90 19S5 2000

Рис. В.1. Распределение полупроводниковых Рис. В.2. Изменение доли военной
приборов по секторам рынка к 90-м годам продукции на рынке

полупроводников

Отказ производителей микросхем выпускать радиационно-стойкие образцы привел к тому, что разработчики современной БА космических аппаратов вынуждены применять коммерческие электронные изделия, не сертифицированные для военного применения и, в частности, не обладающие необходимой

радиационной стойкостью. В этой ситуации в США появилась директива 'Perry*, объявленная министерством обороны, которая начала реформировать систему комплектования БА радиоэлектронными компонентами, допуская применение коммерческих образцов. В нашей электронной промышленности на сегодняшний день отсутствуют радиационно-стойкие СБИС для построения высокопроизводительного бортового комплекса (БК). Отсюда вытекает необходимость использования при создании высокопроизводительной БА зарубежной элементной базы, не обладающей требуемой радиационной стойкостью.

С другой стороны одним из требований, предъявляемых к современным малым космическим аппаратам, является то, что их срок активного существования (САС) должен достигать 10...15 лет. Наиболее тяжелая задача в этом случае — обеспечение необходимой радиационной стойкости БА, в состав которой входят коммерческие электронные компоненты зарубежного производства - в первую очередь высокопроизводительные процессоры и СБИС ЗУ большого объема. Подведем итог сказанному:

при создании высокопроизводительной БА для

отечественных КА разработчики вынуждены применять

зарубежную элементную базу коммерческого назначения;

необходимый САС БА должен составлять 10, а в

перспективе 15 лет.

Сложность применения коммерческих СБИС заключается в

том, что их радиационная стойкость часто оказывается

недостаточной, качество СБИС может сильно меняться даже в

пределах одной партии. Однако, по данным исследований [3]

«коммерческие изделия могут соперничать с деталями,

квалифицированными для военного и космического применения».

Для этого требуется применение комплекса мер, направленных на повышение устойчивости БА к воздействию ионизирующих излучений.

Актуальность диссертации. По данным работы [3] в последнее время в нашей стране и за рубежом наметилась тенденция к применению в БА КА элементов индустриального класса вместо дорогих и труднодоступных зарубежных элементов космического класса путем реализации широкой программы отбраковочных, сверхотбраковочных и диагностических испытаний на основе анализа методов неразрушающего контроля, а также конструкционного контроля и физического анализа представительных выборок ИМС от каждой партии. С другой стороны проведенные испытания радиационной стойкости БА КА, созданной с применением зарубежных компонентов коммерческого назначения, показали, что наиболее слабым звеном в БА, определяющим ее радиационную стойкость, являются КМОП СБИС ЗУ [4]. Известные методы отбраковки для данных СБИС не позволили выявить образцы, обладающие повышенной радиационной стойкостью и, соответственно, довести радиационную стойкость всей аппаратуры до приемлемого значения. Поэтому разработка процедуры отбора, позволяющей существенно повысить качество применяемых СБИС ЗУ и в среднем на 1...1,5 порядка снизить интенсивность отказов в партиях за счет исключения из них СБИС со скрытыми дефектами, является актуальной задачей.

Необходимость построения высокопроизводительной БА КА вынуждает разработчиков применять СБИС со все большей степенью интеграции и, соответственно, все меньшими размерами их элементов. На данный момент размеры элементов современных СБИС практически сравнимы с размерами дефектов, образуемыми

тяжелыми заряженными частицами (ТЗЧ), например, протонами. Это приводит к тому, что в современных СБИС может наблюдаться эффект отказа элемента СБИС вызванный воздействием одиночной частицы. Отказы элементов от одной частицы уже наблюдались в ПЗС матрицах [5, б]. В КМОП СБИС ЗУ, входящих в состав испытанной в работе БА, размеры элементов сравнимы с размерами дефектов, создаваемыми ТЗЧ. Поэтому, требуется разработать методику расчета вероятности безотказной работы (ВБР) для современных СБИС ЗУ с учетом возможности их отказов от единичных ТЗЧ и предложить способы, обеспечивающие значение этой вероятности на необходимом уровне.

Проведенные испытания СБИС ЗУ на радиационную стойкость показали, что одной из возможных причин их отказа является накопление заряда в крупных дефектах подзатворного оксида. Из этого следует, что методика расчета ВБР СБИС ЗУ должна учитывать и возможность ее отказа при зарядке крупных дефектов.

Таким образом, актуальной является задача разработки методов обеспечения необходимого уровня САС БА КА, в состав которого входят коммерческие и индустриальные образцы КМОП СБИС ЗУ. Цель диссертации

Целью данной диссертации является разработка методов увеличения срока службы коммерческих и индустриальных КМОП СБИС ЗУ, работающих в составе бортовой аппаратуры космических аппаратов.

Для достижения поставленной цели в диссертации были решены следующие задачи:

  1. изучен процесс образования крупных дефектов в КМОП СБИС при воздействии нейтронов и ТЗЧ;

  2. развиты способы обнаружения крупных технологических дефектов в СБИС ЗУ;

  3. разработаны методики расчета вероятности безотказной работы СБИС ЗУ при образовании и зарядке крупных дефектов;

  4. предложены методы отбраковки ненадежных изделий из партии образцов коммерческого назначения;

  5. предложена модель расчета ББР СБИС ЗУ при применении системных методов увеличения времени функционирования СБИС, эксплуатирующихся в полях низкоинтенсивных ионизирующих излучений.

Научная новизна представленных в данной диссертации результатов заключается в следующем:

ТЗЧ образуют макродефекты в подзатворном оксиде МОП-структур;

процесс зарядки макродефектов в МОП-структурах зависит от мощности дозы ионизирующего излучения;

применение РТО для СБИС ЗУ в корпусах требует «глубокого» отжига, т.е. не только восстановления параметров, но и восстановления запаса на дрейф;

методы распознавания образов могут быть использованы для отбраковки потенциально ненадежных образцов СБИС;

предложена модель расчета САС БА КА, работающей в режиме переключения;

разработана модель расчета ВБР СБИС ЗУ, учитывающая отказы от воздействия ТЗЧ.

Практическая ценность диссертации

использование принудительного режима переключения дублированной БА позволит увеличить время наработки на отказ СБИС ЗУ, входящих в состав БА КА и достигнуть увеличение САС всей БА. Приведены примеры расчета ВБР некоторых типов СБИС в активном режиме и при режиме переключения с помощью разработанной методики;

- показана возможность применения длительного («глубокого»)
отжига с целью отбраковки потенциально ненадежных образцов
СБИС ЗУ в корпусах, содержащих макродефекты. Получены
параметры РТО для отбраковки потенциально ненадежных СБИС в
корпусах;

определены информативные параметры СБИС ЗУ Am28F020 для применения метода распознавания образов при отбраковке потенциально ненадежных изделий для повышения САС БА, в состав которой входит данная СБИС ЗУ;

определены параметры макродефектов, возникающие в оксидной пленке МОП-структур при облучении нейтронами;

получены параметры макродефектов, возникающие в оксидной пленке МОП-структур при облучении а-частицами.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Методика определения ВБР СБИС в режиме переключения при низкоинтенсивном воздействии ионизирующих излучений;

  2. Параметры РТО, при которых возможна отбраковка потенциально ненадежных СБИС в корпусах;

  3. Информативные параметры СБИС ЗУ Am28F020 для применения метода распознавания образов при отбраковке;

  1. Алгоритм расчета концентрации макродефектов в МОП-структуре по значению ее напряжения пробоя;

  2. Модель перезарядки крупных дефектов после облучения, существование этого эффекта в КМОП СБИС ОЗУ;

  3. Влияние процесса накопления заряда в макродефекте на интенсивность отказов СБИС;

  4. Модель расчета ВЕР СБИС ЗУ, учитывающая отказы от воздействия ТЗЧ,

Апробация диссертации

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ежегодном научно-техническом семинаре «Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах, (Метрология, диагностика, технология)» (Москва, 17-20 ноября 1997 г., Москва, 16-19 ноября 1998 г.» Москва, 29 ноября - 3 декабря 1999 г.), на международной научно-технической конференций «Моделирование электронных приборов и техпроцессов, обеспечение качества, надежности и радиационной стойкости приборов и аппаратуры» (г. Севастополь, 12-20 сентября 1998 г.), на X научно-технической конференции «Экстремальная робототехника» (Санкт-Петербург, 14-16 апреля 1999 г.), на научно-технической конференции «Радиационная стойкость электронных систем «Стойкость 2001» (Лыткарино, 2001), на XX Межведомственной научно-технической конференции «Проблемы обеспечения эффективности и устойчивости функционирования сложных технических систем» (Серпухов, 25-28 июня 2001 г.)»

Публикации. По материалам диссертации в различных изданиях опубликовано 9 работ (7 статей и 2 тезисы докладов).

Подобные работы
Кривобок Николай Маркович
Разработка метода и аппаратуры корневого снабжения для салатных оранжерей в системах жизнеобеспечения экипажей космических летательных аппаратов
Невейкин Михаил Евгеньевич
Алгоритмы распознавания типов летательных аппаратов методом динамических эталонов
Котенев Владимир Пантелеевич
Моделирование газовых потоков около поверхности гиперзвуковых летательных аппаратов методом начального аналитического приближения
Мандрыка Михаил Евгеньевич
Разработка конструкций и методов расчета аппаратов для совмещенных процессов смешения и тепломассообмена : На примере производства сухих многокомпонентных быстрорастворимых смесей
Червяков Виктор Михайлович
Теоретические основы методов расчета роторных аппаратов с учетом нестационарных гидродинамических течений
Ягафаров Рустем Равилевич
Совершенствование методов анализа причин разрушения аппаратов при техногенных авариях
Рябчиков Александр Юрьевич
Разработка и обоснование методов совершенствования рекуперативных теплообменных аппаратов турбоустановок
Кухленко Алексей Анатольевич
Совершенствование методов расчета технологических параметров аппарата роторно-пульсационного типа для приготовления эмульсий
Нечаев Андрей Николаевич
Разработка конструкции и метода расчета кавитационно-вихревых аппаратов для процесса окисления нефтяных остатков
Торосян Гарчик Мамиконович
Разработка методов расчета и трехфазных пускорегулирующих аппаратов для люминесцентных ламп холодного зажигания

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net