Московский государственный университет путей сообщения
Опубликован: 06.09.2012 | Доступ: свободный | Студентов: 953 / 56 | Оценка: 5.00 / 5.00 | Длительность: 35:22:00
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 8:

Физические дефекты и неисправности

< Лекция 7 || Лекция 8: 12 || Лекция 9 >

8.2 Физические дефекты

Физические дефекты зависят от технологии изготовления и подложки интегральных схем. Типичными дефектами интегральных схем являются [8.1,8.2]:

  • дефекты производства ИС - пропущенные при металлизации контактные окна или участки оксида, паразитические транзисторы, пробой оксида (в МОП-структурах) и т.п.;
  • дефекты материалов - объемные дефекты (трещины, несовершенство кристалла), нечистота поверхности, наколы или вкрапления оксида, погрешности травления и т.д.;
  • дефекты старения - пробой диэлектриков, электрическое перенапряжение, нестабильность поверхностного потенциала, электромиграция и т.д.;
  • дефекты упаковки - ухудшение контакта, утечка в перемычках.

Дефекты возникают либо в процессе изготовления, либо при эксплуатации компьютерных систем. Физические дефекты происходят вследствие либо ошибок человека, либо неправильной работы технологического оборудования. Частое повторение одного и того же дефекта показывает на необходимость улучшения процесса производства или проектирования этого устройства. Отметим, что указанные дефекты случаются на этапе изготовлении отдельных ИС и существенно зависят от используемой технологии. Одной из причин возникновения дефектов является нестабильность условий процесса изготовления. Они включают случайную флуктуацию окружающей среды: например, турбулентность потока газа при диффузии и окислении; отклонения физических и химических параметров материалов, таких как, например, флуктуация плотности и вязкости фоторезисторов и примесей в воде и газах.

Поскольку технологический процесс производства плат существенно отличается от изготовления ИС, то на этом этапе имеют место другие физические дефекты. В табл. 8.1 представлены типичные физические дефекты, возникающие при изготовлении печатных плат с частотой возникновения [8.3].

ИС могут ломаться на разных этапах эксплуатации ("жизни"). Отношение интенсивности отказов к сроку "жизни" описывается хорошо известной U-образной кривой, представленной на рис. 8.3.

Таблица 8.1.
Тип дефекта Частота
Замыкания 51
Обрывы 1
Пропущенные компоненты 6
Неправильные компоненты 13
Перевернутые компоненты 6
Изгиб проводников 8
Неправильные аналоговые спецификации 5
Неправильная цифровая логика 5
Дефекты характеристик 5

Дефекты, которые могут быть обнаружены визуально и путем оптического сканирования, проявляются во многих ИС в течение 20 недель их эксплуатации (период "детской смертности").В конце этого периода уровень отказов стабилизируется на 10-20 лет (нормальное время "жизни"). Далее наступает период старения. При чрезмерной эксплуатации здесь кривая носит экспоненциальный характер. Отметим, что для современных ИС основным фактором старения является перегревание вследствие высоких плотностей размещения транзисторов и используемых сверхвысоких частот.

Зависимость интенсивности отказов от времени

Рис. 8.3. Зависимость интенсивности отказов от времени

8.3 Типовые модели неисправностей

Неисправность является моделью, которая представляет эффект физического дефекта на логическом или функциональном уровне. Отметим, что несколько различных дефектов могут представляться одной и той же неисправностью (имеет место отношение "много к одному"). С другой стороны, одному физическому дефекту иногда может соответствовать несколько неисправностей (отношение "один ко многим"). Заметим, что неисправность обычно имеет более ясную трактовку, чем физический дефект. Будучи моделью, неисправность не всегда точно соответствует физическому дефекту, но используемые модели - неисправности, как правило, полезны (эффективны) при обнаружении дефектов. Классическим примером являются одиночные константные неисправности, хотя очевидно, что эта модель не точно описывает все физические дефекты. Но тесты, построенные для этих неисправностей, оказываются эффективными и для других типов неисправностей. Однако, как и любая модель, константные неисправности не описывают всех возможных дефектов. Особенно это касается современной МОП-технологии. Поэтому разработаны другие модели - неисправности (в частности, типа транзистор "постоянно открыт или закрыт"), которые более адекватно отражают физические дефекты этой технологии. В табл. 8.2 представлены наиболее распространенные типовые модели неисправности.

Таблица 8.2.
Модели неисправностей Описание
-1- -2-
Одиночные константные неисправности (stack-at faults s-a-0, s-a-1) Одна линия схемы принимает постоянное значение 0 или 1
Кратные константные неисправности (multiple stack-at faults) Две или более линий схемы имеют постоянные значения сигналов
Мостиковые неисправности (bridging faults) Две или более линии схемы, значения сигналов на которых не зависят друг от друга в исправной схеме, становятся электрически связанными в неисправной
Неисправности "устойчивое замыкание транзистора" ("stuck-on"-SON , "stuck-short" faults,) В КМОП логике транзистор находится постоянно в замкнутом (проводящем) состоянии
Неисправности транзистор "устойчивый обрыв транзистора" ("stuck-open"-SOP faults) В КМОП логике транзистор находится постоянно в разомкнутом ( не проводящем) состоянии. При этом обычно он отключен либо от питання, либо от земли и ведет себя при этом как элемент памяти.
Неисправности "задержка" Вызывается задержкой распространения сигналов в одном или более путях схемы
Перемежающиеся неисправности Вызываются ухудшением внутренних параметров схемы. Неправильные сигналы возникают при некоторых, но не всех состояниях схемы. Ухудшение параметров прогрессирует до тех пор, пока не проявится как постоянная неисправность
Неустойчивые неисправности Неправильные значения сигналов вызываются "наводками". Наводка может быть емкостной через шину питания или индуктивной
Дефектно ориентированные неисправности (defect oriented faults) Неисправности электрического или логического уровня, которые вызываются дефектами на физическом уровне
Функциональные неисправности Используются в том случае, когда цифровые системы описываются на функциональном уровне с помощью языков описания аппаратуры и представляются также языковыми средствами. Полнота тестов также оценивается на функциональном уровне (покрытие путей, ветвлений и т.п. см. "Модели логических элементов" )
Неисправности уровня ЯРП Соответствуют неправильному выполнению языковых конструкций ЯРП
Нетестируемые неисправности (untestable faults) Неисправности, для которых не может быть построен тест. Среди них: 1)избыточные неисправности, чье присутствие не изменяет поведения схемы; 2)неисправности, вызывающие неправильное поведение схемы, но тесты для них не могут быть построены данными методами. К ним относятся, например, неисправности, препятствующие инициализации последовательностных схем

Следует отметить, что модели неисправности тесно связаны с моделями цифровых систем. Очевидно, что моделям схем различных уровней абстракции, рассмотренным в "Уровни и области моделирования" , соответствуют также модели неисправностей также разных уровней.

Ключевые термины:

Дефект - непреднамеренное различие между реализованным и проектируемым оборудованием..

Неисправность - представление дефекта на логическом или функциональном уровне.

Обрыв - нарушение соединений компонентов системы.

Замыкание - соединение линий схемы, которые в исправной схеме изолированы друг от друга.

Краткие итоги

В лекции рассмотрена основные физические дефекты интегральных схем и типовые неисправности..

В "Физические дефекты и неисправности " показано соответствие между физическими дефектами и неисправностями, которые моделируют дефекты на логическом и фунциональном уровне.

"Физические дефекты и неисправности " представляет типовые физические дефекты интегральных схем дна этапах изготовления ИС и плат.

"Физические дефекты и неисправности " посвящен типовым моделям неисправностей, которые представляют дефекты на различных уровнях.: константные неисправности, мостиковые неисправности, транзистор "постоянно открыт", транзистор "постоянно закрыт", задержки, перемежающиеся и неустойчивые неисправности, функциональные неисправности уровня языков регистровых передач.

Вопросы и упражнения

  1. Что отличает дефект от отказа и неисправности?
  2. Какое соотношение между дефектом и неисправностью?
  3. Приведите пример неисправности в ИС.
  4. Что такое обрыв?
  5. Что такое замыкание?
  6. Приведите типичные физические дефекты, характерные для производства ИС.
  7. Приведите типичные физические дефекты, характерные для производства плат.
  8. Приведите типовые модели неисправностей для ИС.
  9. Что такое константные неисправности?
  10. Что такое "мостиковые неисправности"?
  11. Приведите типовые неисправности для КМОП-логики.
  12. Что характеризует неисправность "задержка"?
  13. Чем вызываются перемежающиеся неисправности?
  14. Когда используются функциональные неисправности?
  15. В чем суть неисправностей уровня ЯРП?
  16. Какие бывают не тестируемые неисправности?
< Лекция 7 || Лекция 8: 12 || Лекция 9 >
Дмитрий Медведевских
Дмитрий Медведевских

Добрый день  можно поинтересоваться где брать литературу предложенную в курсе ?Большинство книг я не могу найти  в известных источниках

Дмитрий Кифель
Дмитрий Кифель
Казахстан, Темиртау
Ирина Лысенко
Ирина Лысенко
Россия, Ленинград, ЛПИ, 1985