Методы оценки УБР и ВПРизделий электронной техники при воздействии ИИИ по результатам

испытаний на моделирующих установках

В.С.Фигуров, ФГУП НИИП

Основные показатели стойкости ИЭТ к

воздействию ИИИ. • 1. Время потери работоспособности (ВПР) – время, в течение

которого при воздействии ИИИ с заданными уровнями нарушено нормальное функционирование изделия или происходит выход критериального параметра q за пределы допустимых значений.

• 2. Уровень бессбойной работы – максимальный уровень ИИИ, при котором с заданной доверительной вероятностью отсутствует временная потеря работоспособности испытываемого изделия по исследуемому параметру q , или не происходит сбой данного типа (сбой информации, тиристорный эффект и т. д)

• .

• 3. Предельная стойкость – уровень воздействия, при котором вероятность отказа случайно выбранного изделия данного типа по совокупности заданных критериев отличается от единицы на величину заданной доверительной вероятности (Pдов)

• (равна (1- Pдов ).

Основные задачи по оценке показателей стойкости

• Наиболее трудными задачами при оценке показателей стойкости ИЭТ являются:

• 1. Оценка значения ВПР в реальных или типовых условиях по результатам испытаний на МУ с учетом различия форм импульсов при испытаниях и в реальных условиях. Значения ВПР в реальных условиях может на два порядка и более превышать значение ВПР при испытаниях на МУ.

• 2. Оценка значения УБР для реальных или типовых форм импульсов по результатам испытаний на МУ. Значения УБР при испытаниях на МУ может на порядок и более превышать значение УБР в реальных условиях.

Определение

• Уровень бессбойной работы – максимальный уровень ИИИ, при котором с заданной доверительной вероятностью отсутствует временная потеря работоспособности испытываемого изделия по исследуемому параметру q , или не происходит пороговый сбой данного типа (сбой информации, тиристорный эффект и т.д.)

Основная классификация задач по определению УБР при радиационных

испытаниях ИЭТ

• По методикам проведения испытаний и методам обработки их результатов задачи по определению УБР при воздействии ИИИ разделяются на две основные группы.

• 1. Оценки УБР по параметрам изделий, непрерывно зависящих от уровней воздействующего ИИИ (по току потребления, уровню выходного напряжения …)

• 2. Оценки УБР по пороговым сбоям и отказам (сохранности информации, тиристорному эффекту, катастрофическим отказам и т. д.).

Две основные составные части задачпо оценке УБР

Процедура определения УБР включает две основные составные части (ГОСТ «Климат-7»):

1. Определение вероятностной оценки УБР по

результатам испытаний на МУ - Pбр(φму) – характеристики УБР для формы импульса МУ, на которой проводились испытаний.

2. Вероятностная оценка УБР для заданной (типовой)

формы ИИИ - Pбр(φтип) –по экспериментальному

значению Pбр(φму) и формам импульсов φму(t) и

φтип(t).

Основные характеристики УБРИЭТ при воздействии ИИИ

•Характер-ка

отказа

изделияФорма

импульсаВ единицах

мощности дозыВ единицах

дозы

Выход за норму

параметра q

φму(t) Pбр(q, φму) Dбр(q, φму)

φтип(t) Pбр(q, φтип) Dбр(q, φтип)

Пороговый

сбой

φму(t) Pбр(ПС, φму) Dбр(ПС, φму)

φтип(t) Pбр(ПС, φтип) Dбр(ПС,φтип)

Вероятностная оценка УБР по параметрам, непрерывно зависящим от уровней ИИИ

Задача сводится к адаптации методов линейного регрессионного анализа к условиям и целям радиационных испытаний. Вероятностная оценка УБР определяется по выражению:

),,()(ˆ)( довдопдопбр PqWIDqPqP

)(ˆдопqP - оценка регрессии на q при q = qдоп

WID(qдоп, Pдов) - полуширина доверительного

интервала для зависимости (q) при заданной

доверительной вероятности и q = qдоп.

При вероятностной оценке УБР вместо зависимости q() целесообразно рассматривать

зависимость (q) и использовать ее

аппроксимации : = a1 q ,

или = a0 + a1 q,

(1)

(2)

1 – используется для токовых параметров;2 – универсальная аппроксимация в области УБР для любого параметра. Практика показала достаточность этих двух типов аппроксимаций при правильном выборе области наблюдения. Квадратичные члены могут быть добавлены только для оценки этой области.

Схема и результаты расчета вероятностной оценки УБР микросхемы 1554АП4ТБМ по току по току потребления

Схема и результаты расчета вероятностной оценки УБР микросхемы 530ЛА16ММ по выходному напряжению

Расчетные соотношения для оценки УБР по регрессии вида = a1 q

• { i, qi}, i = 1, 2,..., n – исходная выборка

• 1. W( i) = const.

• 2. P = Const. W( i) = Dp / ( i)2,

.

1

2

1

1

n

i i

i

n

i i

i

P

q

P

q

a

.max

max

1

2

11 q

P

q

qPa n

ii

n

iii

Dp -

постоянная.

Расчетные соотношения для оценки УБР по регрессии вида = a1 q

3. Метод усреднения частных оценок

.1i

ii q

Pa

.1

11

n

i i

i

q

P

Na

.))(1(])1

1()([)( 195,011 допsnбр

qPn

aDtaqP

Основное предположение: W(a1i) = const.

Выражение для вероятностной оценки УБР:

D(a1) – дисперсия частных оценок

Программы для расчета вероятностных оценок УБР (ФГУП «НИИП»)

1.«УБР-ПРОПОРЦИЯ-1» , «УБР-ПРОПОРЦИЯ-2»

Результаты расчета: сообщение на экране, файл табличного представления границ доверительных интервалов для УБР.

2. «УБР-ЛИНЕЙНОСТЬ»

Результаты расчета те же самые.

3. «УБР-АНАЛОГ» - универсальная

Результаты расчета: сообщение на экране. Позволяет решать обратную задачу – определение qдоп по заданному значению УБР

Требования по объему и составу экспериментальных данных при оценках УБР

1. Исходная выборка для оценки УБР должна содержать результаты испытаний всей испытываемой выборки или 10 образцов.

2. Необходимо экспериментально определить область применимости используемой аппроксимации зависимости P(q) .

3. При использовании регрессии вида = a0 + a1 q

экспериментальные точки должны располагаться в окрестности УБР (не менее двух точек для каждого образца в пределах двух октав).

4.Диапазон уровней P при испытаниях для оценки УБР

должен определяться для каждого конкретного изделия при отработке методики испытаний с учетом их условий.

Анализ полученных результатов

Обязательным этапом вероятностной оценки УБР является графическое представление результатов расчета границ доверительных интервалов для зависимости Pγ(q) с нанесением на график всех

экспериментальных точек.

При обнаружении грубых промахов устанавливаются их причины, при необходимости проводятся дополнительные испытания и повторные расчеты.

Окончательное графическое представление результатов расчета оценки УБР включается в протокол испытаний.

Указанный анализ, как показывает опыт, является необходимым условием достоверности оценки УБР.

Методики определения вероятностныхоценок УБР

• 1. Методика определения уровней бессбойной работы электрорадиоизделий с непрерывным изменением выходных параметров при воздействии фактора И2 по результатам испытаний на моделирующих установках. - М.: НИИП, 1998, 2006 г.

• 2. Методика определения вероятностных оценок уровней пороговых сбоев и отказов изделий электронной техники при воздействии импульсных ионизирующих излучений. - М.: НИИП, 2002.

Вероятностная оценка УБРпо тиристорному эффекту в ИС М1175ПВ2 при

воздействии ИИИ установки РИУС-5

Вероятностной оценки УБР по ФКв единицах Dg у микросхем EDI88130CS20NI

при воздействии ИИИ установки РИУС- 5

Примеры определения УБР для различныхдлительностей и форм воздействия

 

Изделие(параметр)

УБР

РИУС-5(τэф ~ 20 нс)

Электроника(τэф ~ 5 мкс)

Типовая форма

(τэф ~ 1 мкс)Dбр, Р Pбр,

Р/c

Dбр, Р Pбр,

Р/c

Dбр, Р Pбр,

Р/c1417УД29В

(Uвых) 20,3 9,5·10815,1 3,0·106

- -

140УД6(Uвых) 1,75 8,2107 2,05 4,1105

- -

564ЛН2 (ТЭ)

8,8·108 1,8·10819 143

Методы приведения УБР по непрерывно меняющимся параметрам

1. Метод, основанный на восстановлении РПХ по отклику на импульс моделирующей установки.

РПХ ищется в виде суммы «мгновенной» и «задержанной» составляющих

),()1()()( 1 thtth где (t) - дельта-функция .

0

),(

),()(ˆ

dttq

tqth

му

му

2. Метод нормализованного отклика

Суть метода – оценка РПХ нормализованным откликом

Погрешности прогнозирования УБР для типовой формы ИИИ по результатам испытаний на уст.РИУС-5

методом нормализованного отклика

Нормализованный отклик микросхемы 1554ЛП5Т по току потребления на импульс установки РИУС-5

Метод оценки РПХ для ионизационного токаp-n перехода

Суть метода – аппроксимация нормализованного отклика функцией:

t

etth

t

/)1()()(

Оценка РПХ по методу двух установок • Метод основан на использовании двух установок:• 1. Установка с минимальной длительностью

импульса по основанию, неизвестной формой и без дозиметрии – h-установка (лазерный источник, Мира и т.д.).(Пример – блок БРИИ (НИИПП, 2004 г.)

• 2. Установка с хорошо отработанными методами дозиметрии и методами регистрации формы импульса (РИУС-5, ЛИУ-10, УИН-10 и т.д.)

.

),(),()(

),()(

),(

000

0

dttqdttqdttF

dtqF

D

DtFq

hму

t

h

му

F

Метод восстановления РПХ по отклику на воздействие импульса МУ

• РПХ ищется в виде суммы «мгновенной» и «инерционной» составляющих

),()1()()( 1 thtth ),,()(1 муtqGth ,пмуt

.)(

1)()()1()(max

01

мумуму

q

t

rdtht

Методическая погрешность метода ≤ 15 % (при τ ≥ 40 нс)

Расчет УБР для заданной формы ИИИ по результатам испытаний на МУ и оценке РПХ

• Значения УБР для заданной формы ИИИ – F(t) рассчитываются по выражениям:

,),(

)()(

FК

PFP

мупр

мубрбр

,)()( эфFбрбр FPFD

где

),( FК мупр - коэффициент приведения:

.

)()(max

)()(max

),(

0

0

t

t

мупр

dth

dthF

FК

му

Пример изменения УБР при изменении формы импульса без изменения эффективной длительности.

Изменения УБР изделия с экспоненциальной РПХ при измененииформы импульса при постоянном значении эффективной

длительности

Условия применимости метода РПХ

• Основное условие применимости метода РПХ – справедливость принципа суперпозиции для отклика, заключающегося в двух условиях:

• 1) отклик пропорционален воздействию• 2) отклик на сумму воздействия равен сумме

откликов на отдельные воздействия.• Отклики реальных изделий удовлетворяют

этим условиям только при достаточно низких уровнях воздействия и то не всегда.

• Для каждого изделия требуется подтверждение применимости метода-экспериментальное или по аналогам.

Пример нелинейного отклика(отклик стабилизатора напряжения 1264ЕР1П)

Методы определения минимально возможных значений УБР

• 1.Определение minPбр по результатам регистрации отклика на импульс МУ типа РИУС-5.

• Значение minPбр определяется по выражению:

,),(minрср

доп

рср

допстбрбр ТU

UD

Tq

qDqPP

где D – значение дозы за импульс, Uср – среднее значение сигнала,

Тр – общее время регистрации сигнала

2. Определение minPбр по результатам испытаний на установках типа БАРС-4 с длительностью импульса порядка 100 мкс

Значение minPбр принимается равным экспериментально определенному значению УБР

3. Определение minPбр по результатам испытаний на установках статического излучения типа ГУ-200

Значение minPбр определяется по допустимому изменению параметра

и величине К , определенной пр испытаниях на статической установке

Определение minPбр по результатам испытаний на установках типа БАРС-4

а) б)

а) – форма импульса установки БАРС-4

б) – погрешности определения minPбр при испытаниях на установке БАРС-4

Определение minPбр по результатам испытаний на установках статического излучения типа ГУ-200

• Значение minPбр определяется по выражениям:

,

P

IК cc

ст

,min

ст

ccдcдбр К

IP

Для микросхемы 5584КП11Т были получены значения

(при Icc доп = 80 мкА) :

С вероятностью 0,95

и с вероятностью 0,975

cРPбр /,1073,1min1037,1 55

cРPбр /,1037,1min 5

Метод приведение УБР по пороговым сбоям (метод эффективной постоянной релаксации)

Метод основан на использовании экспоненциальной РПХ с эффективной постоянной

)(1

)(t

EXPth

Релаксационное уравнение для оценки

,

))

exp()(max

)exp()(max

)(

)(

0

2

0

1

1

2

t

t

б

б

dt

dt

D

D

,1

2

эф

эф

где Dб(1) и Dб(2) значения УБР в единицах дозы при испытаниях на МУ с формами импульсов 1(t) и 2(t) с эффективными длительностями эф1 и эф2.

Зависимость уровней сбоя в единицах дозы и мощности дозы от длительности импульса

,)exp(1)0(

)(

б

б

D

D

,)exp(1

1

)(

)(

б

б

P

P

Где - длительность импульса в единицах времени релаксации:

. эф

Зависимость уровней сбоя в единицах дозы и мощности дозы от длительности импульса

Сопоставление характеристик УБРв единицах дозы и мощности дозы

• 1. Pбр – характеристика УБР, информативная в

области больших длительностей ИИИ.

• 2. Dбр – характеристика УБР, информативная в

области малых длительностей ИИИ.• Для прямоугольных воздействий

t

мумубрбр dthPD0

.)()(max)()0(

)1()0()(

ибрибр

ТDТD при Ти < 3 τ,

В общем случае

Расчет коэффициента приведения уровней сбоя по эффективному времени релаксации

,),(

)()(

1

11

пр

бб

K

PP ,)()( эфбб PD

,

))

exp()(max

)exp()(max

),(

0

1

01

t

t

пр

dt

dt

K

.)(

)(1

1111

эф

бб

DP

Коэффициент приведения уровней ПСО от формы импульса

установки РИУС-5 к типовой форме воздействия

Методики приведения УБРк заданной форме воздействия

• 1. Методика учета различий временных форм воздействия фактора И2 и излучения моделирующих установок при определении уровней бессбойной работы электрорадиоизделий с непрерывным изменением выходных параметров. - М.: НИИП, 1997.

• 2. Методика экспериментальной оценки зависимости уровней пороговых сбоев и отказов интегральных схем от длительности и формы импульсных ионизирующих излучений. - М.: НИИП, 2000.

• 3. Проект РД по методам экспериментальной оценки зависимости уровней пороговых сбоев и отказов ИС от длительности и формы ИИИ. НИИП, 2004.

Недостатки типовой формы ИИИ• 1. Типовая форма определена только в интервале

времени от 0 до 30 мкс (и намного короче задержанных составляющих ИИИ в реальных условиях).

• 2. Значения УБР, приведенные к типовой форме носят частный характер и мало информативны для оценок УБР в реальных условиях.

• 3. Типовую форму ИИИ невозможно воспроизвести. В результате все методики приведения «повисли» в воздухе без прямой экспериментальной проверки.

• 4. Форма задана только в виде графика в неудобном логарифмическом масштабе, перевод ее в табличную форму требует много времени

• 5. Эффективная длительность типовой формы 0,8 мкс не согласована с эффективными длительностями для групп 1Ус – 5Ус

Определение ВПР и его зависимости от уровня воздействия по функции отклика изделия на воздействие ИИИ

y(t) – любой сигнал, пропорциональный отклику q(t):

)()( tqcty Если )( допqyy , то ВПР равно

)()( 12 ytytпр при уровне воздействия

yy

PP mбрm

Уровень воздействия в единицах УБР:

y

y

P

PP m

бр

m

Зависимость )(Pпр в параметрическом виде:

yy

P m),()( 12 ytytпр

(1)

(2)

(3)

(4)

Зависимость ВПР от уровня воздействия при испытаниях на установке РИУС-5

Зависимость ВПР от уровня воздействия при испытаниях на установке РИУС-5

(линейный масштаб)

Оценка ВПР в реальных условиях по результатам испытаний на МУ

Значение ВПР в реальных условиях, с учетом всех основных составляющих ИИИ целесообразно оценивать по выражению:

Тпр = Тпр (Dни) +Тпр (Фни) + Тпро,

где Тпр (Dни) – значение ВПР, определенное при испытаниях на импульсной МУ с дозой за импульс, равной норме испытаний по фактору 7И7;

Тпр (Фни) - значение ВПР, определенное при испытаниях на МУ типа БАРС-4 со значением флюенса нейтронов за импульс, равным норме испытаний по фактору 7И1;

Тпро – «обратимая» составляющая ВПР, которая определяется изложенным выше методом по заданной форме фактора 7И6, норме испытаний по этому фактору и значению minPбр, определенному одним из изложенных выше методов.

Примечание: форма 7И6 в ГОСТ «Климат» задана в явно не достаточном временном диапазоне (2 мкс и 30 мкс)

Оценка обратимой составляющей ВПР в реальных условиях по методу огибающей

Предложения

На основании многолетнего опыта проведения радиационных испытаний и обработки их результатов предусмотреть в новой редакции НТД:

1) Обязательное определение при испытаниях оценок minPбр как собственной характеристики изделия, не зависящей от МУ, на которой проводятся испытания. Установить методы этих оценок.

2) Обязательное определение при испытаниях нормализованного отклика на воздействие импульса МУ с эффективной длительностью порядка 10 нс (РИУС-5, ЛИУ-10, ЛИ и т.д.) – как наиболее информативной характеристики инерционности отклика изделия на ИИИ, которая позволяет привести результаты испытаний к заданной форме ИИИ, провести сопоставление результатов испытаний на различных МУ.

3) Обязательное проведение испытаний с набором заданной дозы за один импульс МУ и приведением ВПР к реальным условиям.

4) Дополнительные требования по УБР в единицах дозы.

5) Уточнение всех типовые форм ИИИ, расширение временных диапазонов их задания, обязательное представление в табличной форме.

Обеспечение сопоставимости результатов испытаний ИЭТ на различных МУ

• 1. Введение опорной установки. Целесообразно выбрать в качестве опорной установку РИУС-5

• (Форма, стабильность, спектральный состав, отработанность дозиметрии с привязкой к эталонам)

• 2. Проведение экспериментальной оценки эффективности излучений МУ по отношению к излучению опорной установки (в процессе аттестации установок).

• 3. При испытаниях обязательно определять минимально возможные характеристики УБР по мощности дозы (minPбр) и дозе (Dбр(0)) – собственные характеристики изделий, не зависящие от выбора установок.