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.

Рис. 8.1. Дефект "замыкание" и соответствующие ему возможные неисправности в зависимости от типа замыкаемых линий

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 , , и выхода вентиля И, представленную на рис. 8.2. Очевидно, система собирается путем соединения входных , , и выходного контактов с вентилем И.

Рис. 8.2. Пример вентиля

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

• дефект - замыкание входа вентиля на "землю";
• неисправность - сигнал постоянно установлен в логический 0;
• ошибка - при значениях входов , , выход (вместо в исправной системе).