СПОСОБ РАЗБРАКОВКИ ПАРТИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ЗАПОМИНАЮЩИХ УСТРОЙСТВ ПО РАДИАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ Российский патент 2000 года по МПК G01R31/28 G06F11/22 

Изобретение относится к области испытания и контроля цифровых полупроводниковых интегральных микросхем (ИС) и может быть использовано в цеховых условиях сборочного производства электронных средств при входном контроле показателей радиационной стойкости ИС, содержащих запоминающие устройства (ЗУ).

В дальнейшем отобранная элементная база подлежит установке в аппаратуру, подвергающуюся воздействию ионизирующего излучения. Это - бортовая аппаратура космических станций и спутников, схемы управления и обслуживания импульсных и других ядерных реакторов (электростанций, силовых энергетических установок ледоколов, исследовательских и испытательных центров), а также аппаратура управления ускорителями заряженных частиц /1/.

Задача, которая решается с помощью предлагаемого способа, заключается в том, что комплектующие однотипные ИС ЗУ перед установкой их в аппаратуру необходимо разделить (разбраковать или классифицировать) на группы с различными показателями радиационной стойкости. Микросхемы из группы повышенной стойкости подлежат установке в особо ответственных (с точки зрения правильности функционирования при воздействии излучения) каскадах аппаратуры. Микросхемы из группы ненормируемой (пониженной) стойкости предназначены для реализации каскадов аппаратуры, некритичных к возможным временным сбоям функционирования при воздействии ионизирующего излучения /1, с. 119, строки 20. ..25; 2; 3, с. 54/.

Известен способ отбраковки полупроводниковых приборов, заключающийся в математическом моделировании переходных процессов в комплектующих ИС и в вычислении времени потери работоспособности и уровня бессбойной работы (УБР) ИС как функции параметров и электрофизических свойств ИС и характеристик излучения /4, с. 34...35, рис. 1/.

Недостатком способа является высокая трудоемкость (сложность) определения времени потери работоспособности ИС, так как для выполнения расчетов необходима информация о динамических и электрических параметрах и электрофизических свойствах материалов структурных элементов конкретно каждого экземпляра комплектующих ИС. Проведение подобного контроля на предприятии-изготовителе ИС требует осуществления трудоемких организационно-технических мероприятий, а на предприятии-изготовителе аппаратуры практически невозможно из-за необходимости применения разрушающих методов контроля ИС. Кроме того, способ имеет низкую достоверность определения времени потери работоспособности ИС, так как математические модели не учитывают эффекты, связанные с высокой интенсивностью излучения - для кремния более 10⁸ рад/с /4, с. 40/. Тем самым способ практически неприемлем при вычислении показателей для уровней радиации выше 10⁸ рад/с. Низкая достоверность способа объясняется также тем, что способ не обеспечивает определение УБР конкретных экземпляров ИС.

В настоящее время находят применение для оценки показателей радиационной стойкости ИС методы контроля, основанные на определении показателей стойкости ИС по результатам измерения параметров электрических процессов в полупроводниковых кристаллах ИС, обусловленных внешними воздействиями (электрическими, лазерными, радиационными). Возможность применения подобных методов для оценки радиационной стойкости ИС следует из адекватности переходных процессов, протекающих в кристалле ИС при прохождении электрических импульсов и воздействии импульсов ионизирующего излучения, так как оба переходных процесса в ИС обусловлены генерационно-рекомбинационными свойствами материалов одних и тех же полупроводниковых структур ИС /1, с. 58-59; 4, с. 36; 8, с. 37; 9, с. 195/.

Широкое распространение имеют способы радиационных испытаний элементной базы аппаратуры. Результаты испытаний при воздействии гамма-излучения являются достаточно общими для любых видов излучения /1, с. 119, строки 15... 20; 5, с. 117, строки 3...6/. Для исследования воздействия гамма-квантов на полупроводниковые приборы применяются импульсные рентгеновские установки или линейные ускорители /6, с. 11; 7, с. 255, рис 6.17/. Однако проведение радиационных испытаний на мощных установках типа ИГУР-1, РИУС-5 и других ускорителях (располагаемых в специальных защитных сооружениях, имеющих объем зоны облучения 1...2 м² и уровень мощности дозы гамма-излучения до 10¹⁴ рад/с) характеризуется высокой трудоемкостью и низкой оперативностью (0,5...4 часа) подготовки каждого пуска /5, с. 33, табл. 1.10/. Кроме того, воздействие излучения на ИС приводит к возможности протекания деградационных процессов внутри полупроводниковой структуры /5, стр. 118/, что, зачастую, исключает возможность дальнейшего использования этих ИС в аппаратуре.

Для уменьшения затрат, связанных непосредственно с радиационными испытаниями, широко используют выборочный контроль, который предусматривает формирование из партии микросхем представительной выборки изделий /10; 11/. На основании результатов радиационных испытаний выборки ИС классифицируют (принимают или не принимают) всю партию микросхем.

При проведении радиационного контроля выборки ИС ЗУ применяют способы проверки правильности их функционирования после или при воздействии ионизирующего излучения /7, с. 255, рис. 6.17/, с использованием различных информационно-измерительных систем /13; 14; 15/.

Известен способ, базирующийся на системе проверки запоминающего устройства /14/. Способ обеспечивает запись данных, используемых в процессе проверки, в запоминающее устройство, считывание этих данных и проверку исправности устройства.

Недостатком является высокая трудоемкость радиационной разбраковки партии запоминающих устройств при использовании указанного способа, так как необходимо для каждой ИС ЗУ из партии осуществить в условиях воздействия излучения несколько циклов записи и считывания данных с их преобразованием и передачей через дополнительное ЗУ. Кроме того, способ не позволяет разбраковать партию ЗУ на группы с различными показателями радиационной стойкости (выше и ниже определенных граничных значений, что снижает его достоверность). Для разбраковки на большее количество групп требуется многократное повторение операций известного способа. Все это значительно увеличивает трудоемкость разбраковки и снижает оперативность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ контроля содержимого внутренней памяти процессора /15/, основанный на визуализации состояний элементов внутренней памяти процессора. Способом предусматривается вывод данных из памяти через специальные средства на мониторное устройство. Способ обеспечивает контроль содержимого каждой ячейки в матрице элементов памяти при ее испытании.

Также как и предыдущий способ имеет низкие оперативность и достоверность и высокую трудоемкость, так как радиационным испытаниям необходимо подвергать все ИС ЗУ из партии. Способ требует разработки и применения сложных специальных средств для вывода информации на мониторное устройство. В случае реализации процедуры выборочного контроля ИС указанный способ (как и предыдущий) позволяет лишь отбраковать (принять или не принять) всю партию ИС ЗУ без разделения на группы стойкости, что также характеризует его низкую достоверность.

Задачей, решаемой изобретением, является снижение трудоемкости и повышение оперативности и достоверности разбраковки партии ИС ЗУ на группы с различными показателями радиационной стойкости по УБР к действию ионизирующего излучения.

Указанная задача решается тем, что в способе разбраковки партии ИС ЗУ по радиационной стойкости к действию ионизирующего излучения, преимущественно по УБР, включающем отбор из партии интегральных микросхем представительной выборки запоминающих устройств для испытания, нумерацию, измерение электрических параметров и радиационные испытания этих микросхем и проведение разбраковки всей партии запоминающих устройств на группы стойкости, включая маркировку, до проведения измерения электрических параметров выборки микросхем подают на шины питания поочередно каждой микросхемы линейно возрастающее напряжение питания. Затем считывают поэлементно в дополнительное запоминающее устройство контроллера содержимое матрицы элементов памяти испытываемого запоминающего устройства и это содержимое поразрядно инвертируют в контроллере в тестовый информационный массив, который записывают в те же элементы памяти соответствующего испытываемого запоминающего устройства. Далее при проведении электрических измерений определяют для каждой микросхемы выборки значение времени сохранения соответствующего тестового информационного массива в элементах памяти запоминающего устройства при импульсном отключении напряжения питания микросхемы и после проведения радиационных испытаний устанавливают для выборки микросхем корреляционную взаимосвязь значений времени, сохранения тестового информационного массива при импульсном отключении напряжения питания микросхем и уровней бессбойной работы этих микросхем при воздействии ионизирующего излучения. Затем определяют по размаху значений уровня бессбойной работы количество групп разбраковки и соответствующие им граничные - значения времени сохранения тестового информационного массива. При разбраковке партии запоминающих устройств по группам стойкости подают на шины питания поочередно каждой микросхемы линейно возрастающее до номинального значения напряжение питания и поэлементно считывают содержимое матрицы элементов памяти этой микросхемы в контроллер. Далее поразрядно инвертируют это содержимое в тестовый информационный массив, который записывают в те же элементы памяти классифицируемой микросхемы, и измеряют время сохранения тестового информационного массива в элементах памяти этой микросхемы при импульсном отключении напряжения питания, по численному значению которого маркируют микросхему меткой соответствующей группы стойкости.

Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг. 1 - структурная схема устройства для проведения электрических измерений параметров выборки ИС ЗУ (а также для последующей разбраковки всей партии ИС ЗУ);
фиг. 2 - пример диаграммы состояний матрицы элементов памяти ЗУ (16 элементов памяти 4х4) после подачи напряжения питания на ИС ЗУ;
фиг. 3 - тестовый информационный массив, записываемый в матрицу элементов памяти ЗУ (инверсные состояния для примера фиг. 2);
фиг. 4 - форма и длительность последовательности отключающих импульсов напряжения питания ИС ЗУ при определении времени сохранения тестового информационного массива;
фиг. 5 - диаграммы состояний матрицы элементов памяти ИС ЗУ в момент времени считывания после прохождения отключающих импульсов/напряжения питания различной длительности (см. фиг. 4) для примера исходной диаграммы состояний (см. фиг. 3).

На чертежах обозначено: 1 - испытуемая (классифицируемая) ИС ЗУ; 2 - контроллер; 3 - дополнительное ЗУ контроллера; 4 - схема управления и генерации адресов; 5 - схема сравнения; 6 - инвертор; 7 - специализированный источник питания; A_x, A_y - номер строки и столбца соответственно в матрице элементов памяти ИС ЗУ; A_xy - порядковый номер элемента памяти в матрице ИС ЗУ; U_пит - номинальное напряжения питания ИС ЗУ; t_сч - момент времени считывания содержимого матрицы элементов памяти ИС ЗУ; t_откл - длительность импульса отключения напряжения питания ИС ЗУ (t_откл = {t₁, t₂, t₃,...}).

Контроллер 2 представляет собой цифровое вычислительное устройство, содержащее дополнительное ЗУ 3 (с объемом памяти не менее чем у контролируемой ИС ЗУ), схему управления и генерации адресов 4 (которая осуществляет управление всеми элементами устройства и перебор адресов ячеек памяти), одноразрядный инвертор 6 и схему сравнения 5 данных, считанных из контролируемой ИС ЗУ, с тестовым информационным массивом. В качестве контроллера может применяться микроЭВМ (персональный компьютер). В этом случае появляется возможность оптимальной подготовки и проведения электрических измерений, расчета корреляционной взаимосвязи и разбраковки партии ИС ЗУ с применением гибкого универсального программного обеспечения. Специализированный источник питания 7 микросхем 1 обеспечивает формирование по командам контроллера 2 линейно нарастающего напряжения питания ИС ЗУ, а также формирование на выходе источника питания импульсов кратковременного отключения напряжения питания микросхем заданной длительности.

Порядок выполнения операций предлагаемого способа разбраковки партии ИС ЗУ состоит в следующем:
1) Из партии ИС ЗУ, подлежащих разбраковке (классификации) по УБР, отбирают представительную выборку микросхем. Объем представительной выборки (в зависимости от объема партии и требований риска) устанавливают в соответствии с рекомендациями /10; 11/.

2) Каждой ИС ЗУ выборки присваивают порядковый номер, который, например, наносят на корпус ИС.

3) Для каждой микросхемы из выборки проводят электрические измерения при помощи тестирующего устройства (см. фиг. 1), заключающиеся в следующем:
- на микросхему ЗУ 1 подают с выхода источника питания 7 линейно нарастающее до номинального значения напряжение питания;
- считывают содержимое матрицы элементов памяти ИС ЗУ 1 в дополнительное запоминающее устройство 3 контроллера 2, последовательно перебирая адреса всех ячеек в матрице ИС ЗУ 1 (фиг. 2). Регистрируемое содержимое матрицы элементов памяти для каждой испытуемой ИС ЗУ является устойчиво воспроизводимым информационным массивом, т.е. при каждом включении напряжения питания ИС ячейки памяти ЗУ переходят в одни и те же логические состояния. Это обусловлено тем, что триггеры элементов памяти запоминающих устройств обладают асимметричностью, которая проявляется в наличии преимущественных логических состояний плеч триггеров при переходе транзисторов в рабочий режим из открытого (насыщенного) и закрытого (отключенного) состояний /1, с. 117, строки 4...12; 16; 17/;
- поразрядно инвертируют в контроллере 2 считанное содержимое и получают тестовый информационный массив (фиг. 3), который записывают в испытуемую микросхему ЗУ 1 по соответствующим адресам;
- измеряют время сохранения тестового информационного массива при импульсном отключении напряжения питания ИС 1. Для этого кратковременно отключают напряжение питания ИС 1 на время t₁ (фиг. 4,б) и регистрируют полученные состояния матрицы элементов памяти (фиг. 5,б). Сопоставляют полученные состояния (фиг. 5,б) при помощи схемы сравнения 5 с тестовым информационным массивом этой ИС (фиг. 5,а). Например, изменений нет. Далее увеличивают с определенным шагом Δt длительность отключающего импульса t_откл, поступающего с выхода источника питания 7 (фиг. 4,в; 4,г), и находят значение длительности отключающего импульса t_откл, при котором произошло переключение одной или нескольких ячеек в матрице элементов памяти (см. фиг. 5,г). Время сохранения информационного массива для ИС ЗУ 1 определяют как среднюю величину в интервале последнего шага изменения длительности импульса отключения напряжения питания
t_сохр = t₂ + (t₃ - t₂)/2
где t₂ - последнее значение длительности отключающего импульса, при котором не было изменений в состоянии матрицы элементов памяти (см. фиг. 4,в; фиг. 5,а; фиг. 5,в);
t₃ - значение длительности отключающего импульса, при котором произошло переключение (см. фиг. 4,г; фиг. 5,а; фиг. 5,г).

Погрешность δ нахождения времени сохранения тестового информационного массива зависит от величины шага изменения длительности отключения напряжения
δt_сохр = (t₃-t₂)/t_сохр•100%
где (t₃ - t₂) - шаг изменения длительности отключающего импульса. Для увеличения точности определения времени сохранения тестового информационного массива необходимо уменьшать шаг Δt изменения длительности отключающего импульса напряжения питания.

4) Проводят радиационные испытания всех микросхем выборки известными методами и определяют УБР каждой из них /7, с. 255, рис. 6.17/. По размаху значений УБР устанавливают количество групп разбраковки ИС.

5) Выявляют корреляционную зависимость между значениями УБР и временем сохранения тестового информационного массива для ИС выборки и определяют граничные значения времени сохранения тестового информационного массива для каждой группы стойкости. Корреляционная зависимость между значениями УБР и временем сохранения тестового информационного массива обусловлена адекватностью переходных процессов, протекающих в кристалле ИС при прохождении электрических импульсов и воздействии импульсов ионизирующего излучения, так как оба переходных процесса обусловлены генерационно-рекомбинационными свойствами материалов одних и тех же полупроводниковых структур ИС /1, с. 58-59; 4, с. 36; 8, с. 37; 9, с. 195/.

6) При разбраковке партии ИС ЗУ по группам стойкости подают на шины питания первой ИС ЗУ из партии линейно возрастающее напряжение питания;
- поэлементно считывают содержимое матрицы элементов памяти этой ИС в дополнительное ЗУ 3 контроллера 2;
- поразрядно инвертируют это содержимое в тестовый информационный массив;
- записывают полученный тестовый информационный массив в те же элементы памяти классифицируемой ИС;
- измеряют время сохранения тестового информационного массива в элементах памяти этой ИС при импульсном отключении напряжения питания (порядок действий при измерении в соответствии с п. 3);
- сопоставляют измеренное значение времени сохранения тестового информационного массива с граничными значениями времени сохранения для различных групп стойкости (см. п. 5) и маркируют микросхему меткой соответствующей группы стойкости.

7) Повторяют действия по п. 6 с остальными ИС ЗУ из партии.

Таким образом, в результате выполнения операций предлагаемого способа разбраковки партия классифицируемых ИС ЗУ проходит измерение времени сохранения тестового информационного массива в каждой из ИС и на основании корреляционной зависимости, выявленной для микросхем представительной выборки, партия ИС разбраковывается на группы с различными показателями УБР.

Предлагаемый способ позволяет снизить трудоемкость и повысить оперативность классификации ИС ЗУ по УБР, так как проведение трудоемких операций радиационных испытаний необходимо только для ИС выборки. Упрощается процедура установления взаимосвязи результатов электрических измерений и радиационных испытаний ИС (за счет необходимости сопоставления лишь результатов испытаний ИС в выборке). Повышается достоверность классификации партии ИС, так как разбраковка партии ИС ЗУ по УБР осуществляется на основании сопоставления результатов электрических измерений ИС всей партии с результатами, полученными при испытаниях каждой ИС выборки из этой же партии.

Предлагаемый способ ввиду простоты технической реализации основных операций (монтаж ИС в измерительную схему, включение напряжения питания, индикация состояний матрицы элементов памяти, измерение времени сохранения информационного массива путем сравнения состояний матрицы элементов памяти с исходными при изменении длительности отключения напряжения питания) допускает полную автоматизацию процесса классификации ИС ЗУ и обеспечивает возможность применения существующих промышленных автоматизированных контактных устройств, отличающихся высокой производительностью загрузки ИС в измерительную схему.

Использованные источники информации
1. Мырова Л.О., Чепыженко А.З. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионизирующим и электромагнитным излучениям. - М.: Радио и связь, 1988. - 296 с.

2. Чернышев А. А., Ведерников В.В., Голеев А.П., Горюнов Н.И. Радиационная отбраковка полупроводниковых приборов и интегральных схем //Зарубежная электронная техника, 1979, N5 (200), стр. 3-25.

3. Агамалян Л.Р., Букия И.Я., Герасимов А.Б. и др. Радиационная стойкость интегральных схем на биполярных транзисторах //Зарубежная электронная техника, 1972, N 10, стр. 51-57.

4. Борисенко В.Е. и др. Моделирование цифровых биполярных ИС, работающих при радиационном воздействии //Зарубежная электронная техника, 1975, N 5, стр. 34-59 (аналог).

5. Першенков B.C., Попов В.Д., Шальнов А.В. Поверхностные радиационные эффекты в элементах интегральных микросхем. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 256 с.

6. Финнел и др. Оценка радиационных эффектов в электронных компонентах с помощью эквивалентных схем //Электроника, т. 40, 1967, N 22.

7. Глудкин О. П., Черняев В.Н. Технология испытания микроэлементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем. - М.: Энергия, 1980. - 360 с. (аналог)
8. Аствацатурьян Е.Р., Раткин А.В., Скоробогатов П.К., Чумаков А.И. Переходные ионизационные эффекты в цифровых интегральных микросхемах //Зарубежная электронная техника, 1983, N 9 (267), стр. 36-72.

9. Агаханян Т. М., Аствацатурьян Е.Р., Скоробогатов П.К., Чумаков А.И. Радиационная стойкость интегральных микросхем //Микроэлектроника, 1980, т. 9, выпуск 3, с. 195-201.

10. ГОСТ 15 895-77 (СТ СЭВ 547-77) Статистические методы управления качеством продукции. Термины и определения. - М.: Изд. стандартов, 1978.

11. ГОСТ 18 242-72 (СТ СЭВ 548-77, СТ СЭВ 1673-79) Статистический приемочный контроль по альтернативному признаку. Планы контроля. - М.: Изд. стандартов, 1982.

12. Эйдукас Д. Ю. , Орлов Б.В., Попель Л.М. и др. Измерение параметров цифровых интегральных микросхем. - М.: Радио и связь, 1982. - 368 с., ил., (серия: Измерения в электронике).

13. Грачев О.Г., Данилин Н.И., Духовской Л.В. и др. Система "Элекон СФ" для контроля электрических параметров БИС ЗУ и микропроцессоров //Электронная промышленность, 1980, вып. 6 (90), стр. 21-31.

14. Япония, заявка N 63-56570, РЖ "Изобретения стран мира" N 17, 1989 (аналог).

15. Япония, заявка N 1-58536, РЖ "Изобретения стран мира" N 15, 1990 (прототип).

16. Гребен А.Б. Проектирование аналоговых интегральных схем /Под ред. Е. Х.Караерова. - М.: Энергия, 1976. - 225 с.

17. Патрикеев Л.Н., Поленецкий Б.И., Попов В.Д. Радиационная стойкость полупроводниковых приборов и интегральных схем. - М.: МИФИ, 1975. - 128 с.

Изобретение относится к области испытания и контроля цифровых полупроводниковых интегральных микросхем (ИС) и может быть использовано в сборочном производстве электронных средств при входном контроле показателей радиационной стойкости ИС, содержащих запоминающие устройства (ЗУ). Задачей, решаемой изобретением, является снижение трудоемкости и повышение оперативности и достоверности разбраковки партии ИС ЗУ на группы с различными показателями радиационной стойкости. Для этого из партии ИС ЗУ, подлежащих разбраковке, отбирают представительную выборку микросхем и для каждой микросхемы из выборки проводят электрические измерения при помощи тестирующего устройства. На шины питания каждой микросхемы ЗУ подают с выхода источника питания линейно нарастающее до номинального значения напряжение питания, считывают содержимое матрицы элементов памяти ИС ЗУ в дополнительное запоминающее устройство контроллера, последовательно перебирая адреса всех ячеек в матрице ИС ЗУ. Затем поразрядно инвертируют в контроллере считанное содержимое и получают тестовый информационный массив, который записывают в испытуемую микросхему по соответствующим адресам. После этого измеряют время сохранения тестового информационного массива при импульсном отключении напряжения питания ИС. Далее проводят радиационные испытания всех микросхем выборки известными методами и определяют уровень бессбойной работы (УБР) каждой из них. По размаху значений УБР устанавливают количество групп разбраковки ИС. 5 ил.

Способ разбраковки партии интегральных запоминающих устройств по радиационной стойкости к действию ионизирующего излучения, преимущественно по уровню бессбойной работы, включающий отбор из партии интегральных микросхем представительной выборки запоминающих устройств для испытания, нумерацию, измерение электрических параметров и радиационные испытания этих микросхем, проведение разбраковки всей партии запоминающих устройств на группы стойкости, включая маркировку, отличающийся тем, что до проведения измерения электрических параметров выборки микросхем подают на шины питания поочередно каждой микросхемы линейно возрастающее до номинального значения напряжение питания и считывают поэлементно в дополнительное запоминающее устройство контроллера содержимое матрицы элементов памяти испытываемого запоминающего устройства, затем это содержимое поразрядно инвертируют в контроллере в тестовый информационный массив, который записывают в те же элементы памяти соответствующего испытываемого запоминающего устройства, при проведении электрических измерений определяют для каждой микросхемы выборки значение времени сохранения соответствующего тестового информационного массива в элементах памяти запоминающего устройства при импульсном отключении напряжения питания микросхемы, после проведения радиационных испытаний устанавливают для выборки микросхем корреляционную взаимосвязь значений времени сохранения тестового информационного массива при импульсном отключении напряжения питания микросхем и уровней бессбойной работы этих микросхем при воздействии ионизирующего излучения и определяют по размаху значений уровня бессбойной работы количество групп разбраковки и соответствующие им граничные значения времени сохранения тестового информационного массива, при разбраковке партии запоминающих устройств по группам стойкости подают на шины питания поочередно каждой микросхемы линейно возрастающие до номинального значения напряжение питания, поэлементно считывают содержимое матрицы элементов памяти этой микросхемы в контроллер, поразрядно инвертируют это содержимое в тестовый информационный массив, который записывают в те же элементы памяти классифицируемой микросхемы, измеряют время сохранения тестового информационного массива в элементах памяти этой микросхемы при импульсном отключении напряжения питания, по численному значению которого маркируют микросхему меткой соответствующей группы стойкости.