|
| |
|
Главная Журналы Л1св = 2-10-3.2,5 2,3 Ig 1. По формуле (3.3.7) определим взаимную индуктивность 0,051 = 1,8.10-3 мкГн. 2. Определим максимальный уровень индуктивной помехи: /птах»ед1 = ЛГсв= 18-10-9.200-10-3 • 1 • 10-9=0,36 В. Гальванические связи. Помехи по цепям питания и заземления. Для разводки питания и заземления применяются пленочные проводники, характеризующиеся омическим сопротивлением и индуктивностью, которые определяются по формулам (1.1.2), (1.1.17). В статическом режиме на шинах заземления существуют напряжения, обусловленные протекающими постоянными токами. Падения напряжений на шлнах заземления приводят к поииже-нию помехоустойчивости логических элементов. В качестве примера на рис. 3.3.13,а показана цепочка из трех логических элементов. В эмиттерной цепи ЛЭ2 включено сопротивление шины Rm. Если ЛЭ2 находится в открытом состоянии, то на сопротивлении Яш создается падение напряжения За счет Um повышается напряжение логического нуля 6°вых=/кэ нас+ш и соответственно снижается уровень допустимой помехи U+n для логического элемента ЛЭЗ. Это видно из рис. 3.3.13,6, на котором показана деформация передаточной характеристики ЛЭР- за счет сопротивления Яш-  Рис. 3.3.13. К определению уровня помехи за счет гальваническп.х связей в системе из трех логических элементов В процессе переключения логических элементов в шинах питания и заземления наблюдаются броски токов, вызывающие помехи в виде перепадов напряжений Un(t) = i(t)Rui+Lidi(.t)idt). Уровень омической помехи i(t)Rш пропорционален перепаду тока, а уровень индуктивной помехи Lm(di(t)Jdt) ~ скорости изменения тока. Помехи, возникающие на шинах заземления, подаются непосредственно на входы логических элементов. Чтобы повысить плотность монтажа, обычно стремятся уменьшить ширину коммутационных проводников. Эта тенденция способствует повышению их омического сопротивления и индуктивности и соответственно увеличению уровня помех. В БГИС широко применяются микросхемы ТТЛ- и ЭСЛ-типа. В ТТЛ ИС во время переключения через элементы сложного инвертора протекают сквозные токи от 10 до 25 мА с длительностью фронта примерно 5 не. Если одновременно переключается п ТТЛ-ИС, то на шинах формируется импульс помехи UL = nL{dI/dt) ж tiL(АШф). Пленочный проводник длиной / = 5 см и шириной 6 = 0,01 см обладает индуктивностью Lm~75-10~ мкГн. При п=3 Uj « «0,45... I,ll25 В. Характерной особенностью ЭСЛ ИС (токовых ключей) является неизменность общего тока логического элемента в процессе переключения. Следовательно, в шинах питания и заземления практически отсутствуют импульсные помехи. За счет токов ЭСЛ-элементов на шинах заземления создаются только постоянные падения напряжения, снижающие уровень их помехоустойчивости. Для уменьшения уровня помех, обусловленных падением напряжений на шинах питания и заземления, необходимо уменьшать омическое сопротивление и .индуктивность коммутационных проводников, увеличивая их толщину и ширину и уменьшая длину. Толстые коммутационные шины питания и [заземления обычно располагаются в наружном (верхнем) слое многослойных коммутационных плат. Для уменьшения уровня помех применяют последовательно-параллельное включение компонентов (рис. 3.3.14,6), L,J- J-1 т\ -ш Ш1 м- I----ЛпО--1-----* Рнс. 3.3.14. Варианты разводки шин питания и за-зе.мления в БГИС с регулярной структурой так как в этом случае сокращается длина шин и количество подключенных к ним компонентов. Разводку шин питания и заземления производят в одном слое без пересечения проводников. § 3.4. Обеспечение механической прочности конструкции ИС Элементы конструкций микросхем подвергаются механическим воздействиям в процессе их эксплуатации. В соответствии с общими техническими условиями конструкция ИС должна выдерживать механические воздействия, вызванные линейными ускорениями, вибрациями в определенном диапазоне частот и одиночными ударами. Уровень этих воздействий зависит от назначения аппаратуры, в которой используются ИС. Вибрации характеризуются перегрузками, достигающими 30 g в диапазоне частот от 30 до 5000 Гц, а линейные ускорения и удары - перегрузками до 50 g- и выше. Внутренние элементы и компоненты ИС имеют небольшую массу, и влияние внешних механических воздействий не очень велико. Однако при длительных вибрациях возможны отрывы навесных компонентов с жесткими выводами, обрывы проволочных перемычек и нарушения контактов, появление трещин в подложках при изгибных колебаниях. Для предотвращения отрыва навесных компонентов и об-" рыва проволочных выводов плату покрывают тонким слоем лака или дополнительно закрепляют навесные компоненты и проволочные перемычки с помощью бусинок из лака или компаунда. Наибольшую механическую нагрузку при внешних механических воздействиях несет корпус. От жесткости конструкции корпуса зависит сохранение герметичности и целостности конструкции платы, приклеиваемой к поверхности его основания. Серьезные проблемы в отношении обеспечения достаточной жесткости и механической прочности конструкции возникают при конструировании корпусов для БГИС. С ростом размеров платы вследствие увеличения количества навесных кристаллов возникают противоречия между массой и габаритами, с одной стороны, и жесткостью и механической прочностью конструкции корпуса - с другой. С увеличением размеров корпуса необходимо увеличивать толщину его стенок и высоту, что существенно увеличивает не только его полный объем и массу, но и массу, приходящуюся на один кристалл. Для определенного конструктивно-технологического варианта корпуса при заданных требованиях к механической прочности его конструкции существуют оптимальные геометрические размеры, при которых масса корпуса, приходящаяся на один кристалл, минимальна. Одним из путей решения вышеуказанного противоречия является применение бескорпусных микросборок, устанавливаемых на планках достаточно жестких рамок (см. рис. 2.5.4, 2.5.5). В этом случае обращают внимание на допустимый прогиб планок, так как при механических воздействиях плата работает на изгиб. Не допускается жесткое (с натягом) закрепление проволочных выводов от контактных площадок платы к печатной плате. При закреплении с натягом возможен обрыв выводов под действием прогибающейся платы. Для повышения механической прочности и жесткости конст«= рукции металлостеклянных корпусов широко применяются ребра жесткости, сформированные профилированием основания и крышки. При изменениях температуры окружающей среды возникают внутренние механические напряжения в основном из-за различия температурных коэффициентов линейного и объемного расширения материалов конструкции. Эти напряжения сосредоточены на границах раздела пленок из различных материалов, пленок и подложек, в областях проволочных и объемных контактов, в клеевых прослойках и припоях, применяемых для присоединения подложек к корпусам и навесных компонентов к подложкам, на участках соединения керамики, стекла и пластмасс с металлическими деталями корпусов. Большие перепады температур возникают также в процессе производства ИС. Например, напыление пленок производится при температурах около 200° С, кристаллы припаиваются при температуре примерно 300° С. При таких же температурах осуществляется термокомпрессионная приварка и пайка выводов к контактным площадкам. При остывании конструкции в ее элементах возникают большие внутренние механические напряжения, которые могут вызвать нарушение целостности конструкции. Целостность конструкции может нарушаться также из-за существенного различия температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) материалов корпуса микросхемы и толстой печатной платы (растрескивание керамических корпусов, нарушение вакуумплотной изоляции в стеклянных п металлостеклянных корпусах), коробления печатных плат. Для снижения внутренних механических напряжений необходимо применять материалы с близкими ТКЛР, а между элементами конструкции с сильно различающимися ТКЛР использовать пластичные демпфирующие материалы или материалы с промежуточным значением ТКЛР. § 3.5. Надежность гибридных ИС Модели. Методика оценки надежности. Надежность - это свойство ИС выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования, хранения и транспортирования. Работоспособное состояние ИС нарушается вследствие появления внезапных или постепенных отказов. Внезапные отказы возникают в результате резкого, скачкообразного изменения определяющих параметров ИС. Они обусловлены проявлением скрытых дефектов в материалах и элементах конструкции микросхемы. Постепенные отказы являются следствием деградации физических свойств материалов под влиянием , эксплуатационных факторов и естественного старения. В результате дрейфа рабочие па- раметры ИС выходят за пределы установленных допусков. Различная природа внезапных и постепенных отказов находит свое отражение в методах их математического описания. При оценке вероятности возникновения внезапных отказов используются модели в виде последовательного соединения совокупности элементов, определяющих работоспособное состояние микросхемы. В гибридных ИС можно достаточно четко выделить такие элементы или их группы. К ним относятся: бескорпусные активные и пассивные компоненты, пленочные резисторы и конденсаторы, контакты между пленочными проводниками, проволочные перемычки, сварные и паяные контакты, подложка, корпус и др. Каждый из этих элементов характеризуется определенными интенсивностями отказов Яг, определяемыми в результате экспериментального исследования характеристик надежности. Типовые значения Xi{4~) для элементов и компонентов ГИС при 2"=-1-85° С представлены ниже [6]: Навесные транзисторы и диоды........ 5-10- Тонко- и толстоплеиочные резисторы...... ЫО- Тонкопленочные ТагОз-конденсаторы....... 8-10- Тонкопленочные ЗЮг-конденсаторы....... Ы0-* Навесные керамические конденсаторы...... б-Ю-» Керамические подложки.......... 5-Ю-" Паяные соединения .......... З-Ю" В период нормальной работы ИС закон распределения отказов во времени близок к экспоненциальному: где Я= S NiKi (Лг - интенсивность отказов t-ro элемента (ком- понента); Ni - количество однотипных элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов и т. д.); п - количество разновидностей элементов. Необходимо отметить, что в ИС свойства материалов и физико-химические процессы, сопутствующие отказам, сильно кор-релированы, так как пленочные элементы формируются одновременно в определенном цикле технологических процессов. Поэтому вводятся удельные интенсивности отказов для единицы длины резистивной пленки с определенной шириной (1ок), единицы площади пленочных конденсаторов {(кос) и изолирующих областей в многослойных коммутационных платах {кои)- Эти параметры определяются в результате испытания специальных тестовых структур, изготовленных совместно с пленочными элементами ИС. При этом интенсивности отказов для групп однотипных элементов определяются следующими выражениями: km V "R ~ 2 -с = 2 и 2 1=1 1=1 1=1 где /i -длина резистора г-й группы (определенной ширины); Sou 5иг - площади взаимного перекрытия металлических обкладок в конденсаторах и изолирующих областях. При таком подходе к анализу надежности в качестве элементов надежностной модели выступают не отдельные пленочные элементы микросхемы, а комплексы (группы) однотипных элементов, изготовляемых в едином цикле технологических процессов. Это так называемые компоненты ненадежности. Еще более сильно корреляционные связи проявляются в полупроводниковых ИС. Здесь в качестве компонентов ненадежности выступают монокристаллическая пластина, диффузионные полупроводниковые области, окисные пленки, металлизация и т. п. Отказы, обусловленные компонентами ненадежности, носят причинный характер. Например, отклонения в технологическом процессе травления при формировании металлизации приводят к отказам, вызванным утоньшением металлических пленок на ступеньках окисла. Постепенные отказы ИС возникают в результате деградации физических свойств материалов под влиянием эксплуатационных факторов и собственного старения. Глубокое изучение причин и закономерностей изменения свойств материалов и элементов позволяет построить математические модели для определения уровня надежности по постепенным отказам. Математическая модель надежности ИС по постепенным отказам представляет собой комплекс математических выражений, отражающих связь изменений электрофизических параметров -материалов или элементов с атомными или молекулярными процессами в материалах и иа гран!1цах их раздела. Физические параметры материалов и элементов представляют собой случайные (или случайно-детерминированные) функции времени или случайные величины. Поэтому используются вероятностные математические модели [6]. Высокая надежность ИС (А,-10"... 10- Ч") обусловлена особенностями их конструкций, технологии изготовления, организации производства и контроля. Малые размеры и объемы элементов, маломерность конструкций обеспечивают высокую механическую прочность ИС, высокая культура производства позволяет получить низкий уровень различных дефектов. Формирование контактов в условиях вакуума или в инертной среде способствует обеспечению высокой надежности внутренних электрических соединений. Применение механизации и автоматизации производственных процессов и жесткого пооперационного контроля позволяет ослабить влияние на надежность отклонений режимов технологических процессов. На заключительном этапе производства ИС с повышенной надежностью применяют специальные методы отбраковки. Причины отказов элементов и компонентов гибридных И С. Анализ причин выхода из строя ИС при испытаниях и эксплуатации показывает, что в основном отказы вызваны недостаточным качеством технологических процессов и деградационными явлениями в структурах конструкции. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 [ 17 ] 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 |