Физические дефекты и неисправности

8.1 Дефекты и неисправности

Физические дефекты (defects) проявляются на электрическом и логическом уровне в виде отказов различных видов (failures modes). Отказы моделируются (представляются) неисправностями (faults) на логическом и функциональном уровне. Следует отметить, что отображение из физической области на логический и функциональный уровень облегчает процесс обнаружения отказов. При этом проблема анализа неисправностей переносится с физического уровня на логический или даже функциональный (поведенческий) уровень. Заметим, что сложность такого анализа существенно уменьшается, так как многие физические дефекты можно моделировать одной и той же неисправностью на логическом или функциональном уровне. Кроме этого некоторые неисправности (модели логического или функционального уровня) не зависят от технологии изготовления интегральных схем в том смысле, что одна и та же модель - неисправность применима к различным технологиям. Следовательно, разработанные методы тестирования и диагностики для таких неисправностей могут быть использованы для различных технологий. Отметим, что тесты, построенные для неисправностей (логического уровня), могут быть использованы при анализе таких физических дефектов, чей эффект на уровне электрических схем неясен или требует значительных вычислительных ресурсов при его моделировании.

Поскольку при моделировании элементов мы различаем логические функции и их временные характеристики, то в дальнейшем мы также будем отличать логические неисправности, которые изменяют логику элементов, и неисправности типа "задержка", которые влияют на быстродействие компьютерных систем.

Логическая неисправность может быть определена явным или неявным образом. При явном задании неисправности необходимо индивидуально для данного дефекта в каком-либо виде задать функцию, реализуемую элементом. Очевидно, такой подход требует значительных ресурсов и часто неприменим на практике. Неявная модель определяет обычно некоторый класс моделей - неисправностей, которые обладают некоторыми характерными свойствами (например, константные неисправности, которые эквиваленты постоянным сигналам на линиях схемы).

При заданной неисправности и модели системы в общем случае мы можем найти логическую функцию системы при наличии данной неисправности. Таким образом, модель неисправности тесно связана с видом модели цифровой системы. Те неисправности, которые определяются на структурной модели системы, называются структурными неисправностями. Их эффект, как правило, сводится к изменению соединений компонент. Функциональные неисправности определяются на функциональной модели системы. Например, эффект функциональной неисправности может проявляться в изменении функции, реализуемой компонентой системы или оператором языка описания аппаратуры.

Типичными неисправностями соединений компонентов системы являются обрыв (open) и замыкание (short). Обрыв соответствует нарушению соединения компонентов схемы. Причиной нарушения соединения может быть недостаток или отсутствие проводящего материала, например, в металлическом проводнике. С другой стороны, отсутствие соединения может возникнуть вследствие наличия лишних частиц диэлектрика, например, между проводящими слоями. Замыкание образуется в результате соединения линий схемы, которые в исправной системе изолированы друг от друга. Оно может быть вызвано наличием лишних проводящих частиц между проводниками, пробоем оксида в МОП-структурах, который образует соединение с некоторым небольшим, но необязательно нулевым сопротивлением и т.п.

На рис. 8.1 а) представлено изображение, полученное электронным микроскопом, частицы примеси в интегральной схеме, которая вызывает замыкание (short) [8.1,8.2]. Очевидно, что в общем случае могут замкнуться несколько проводящих линий. Предположим для простоты, что частица замыкает две линии, как это показано на рис. 8.1 б). Заметим, что на логическом уровне этот вид отказа может интерпретироваться различными способами в зависимости от применяемых технологий и связи между двумя металлическими линиями.

На рис. 8.1 в), г) показаны возможные четыре ситуации. Одна из проводящих линий может быть соединена с источником питания или с землей (рис. 8.1 в), что ведет к установке выхода инвертора в высокое или низкое напряжение. Эта ситуация моделируется одиночными константными неисправностями const1 (stuck-at 1) и const0 (stuck-at 0) соответственно, которые представлены на рис. 8.1 в). На рис. 8.1 г) представлен случай замыкания проводящих линий, соединенных с контактами вентилей.Слева показана ситуация замыкания выходов двух различных вентилей, которая моделируется так называемой "простой мостиковой неисправностью" (simple bridging fault). Справа показан случай замыкания выхода вентиля со своим входом, что представляется "мостиковой неисправностью с обратной связью" (feed-back bridging fault).

В заключение раздела приведем определения и простой пример дефекта, неисправности и ошибки [8.3].

Определение 8.1 Дефектом в электронной системе называется непреднамеренное различие между реализованным и проектируемым оборудованием.

Определение 8.2 Ошибкой называется неправильный выходной сигнал, производимый системой, содержащей дефект.

Определение 8.3 Представление дефекта на абстрактном функциональном уровне назовем неисправностью.

В качестве примера рассмотрим цифровую систему из трех входов $$a$$, $$b$$, $$с$$ и выхода $$d$$ вентиля И, представленную на рис. 8.2. Очевидно, система собирается путем соединения входных $$a$$, $$b$$, $$с$$ и выходного $$d$$ контактов с вентилем И.

Допустим, что соединение второго входа вентиля И сделано неправильно - он подключен к "земле" (вместо входного контакта $$b$$). Очевидно, система с таким дефектом реализует вместо логической функции $$d=abc$$ функцию $$d=0$$. Тогда для этой системы мы имеем:

8.2 Физические дефекты

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

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.

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.

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.

Следует отметить, что модели неисправности тесно связаны с моделями цифровых систем. Очевидно, что моделям схем различных уровней абстракции, рассмотренным в лекции 1, 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 разделе 8.1 показано соответствие между физическими дефектами и неисправностями, которые моделируют дефекты на логическом и фунциональном уровне.

Раздел 8.2 представляет типовые физические дефекты интегральных схем дна этапах изготовления ИС и плат.

Раздел 8.3 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