Lebenszeitprognose analoger Schaltungskomponenten anhand digitaler Degradationsmonitore

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Dagmar Peters-Drolshagen
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 354944200

Integrierte Schaltungen werden immer häufiger auch in sicherheitskritischen Applikationen verwendet. Für den Einsatz in diesen Anwendungsbereichen müssen die vorgebebenen Spezifikationen über die gesamte Lebenszeit eingehalten werden. Die charakteristischen Eigenschaften einer integrierten Schaltung unterliegen jedoch zeitlichen Veränderungen. Ursächlich in einem nicht zu vernachlässigenden Ausmaß sind dafür unter anderem physikalische Veränderungen in den Halbleiterstrukturen. Die von der Zeit abhängige Änderung der Materialparameter wird als Alterung oder auch als Degradation bezeichnet. Sie zieht eine zeitabhängige Änderung charakteristischer Schaltungseigenschaften nach sich, was wiederum eine Fehlfunktion des Gesamtsystems hervorrufen und die Lebensdauer des Systems verkürzen kann. Trotz innovativer Lösungen im Bereich des zuverlässigkeitsorientierten Entwurfs integrierter Schaltungen kann eine Verschiebung von Eigenschaften über die Lebenszeit nie ausgeschlossen werden. In diesem Forschungsvorhaben werden neuartige Verfahren zur Bestimmung des Degradierungszustands analoger integrierter Schaltungen erforscht. Basierend auf der Kenntnis des Degradierungszustands werden dann theoretische Ansätze zur Lebenszeitprognose der betrachteten Schaltungen entwickelt. Um diese beiden Ziele, Bestimmung des Degradationszustands und Lebenszeitprognose, umsetzen zu können, wird zunächst eine formale Methodik zur Ermittlung nomineller Schaltungseigenschaften auf der Basis von Koeffizienten adaptiver Filter entwickelt. Neben den nominellen Spezifikationen werden auch minimale und maximale Spezifikationsgrenzen festgelegt, wie auch von der Alterung abhängige Spezifikationsverläufe. Eine über die Beobachtung von Koeffizienten adaptiver Filter erlangte dynamische Beschreibung der Eigenschaften einer Schaltung stellt ein zeitabhängiges Systemmodell des ist-Zustandes dieses Systems dar. Die kontinuierliche Beobachtung mittels Koeffizienten adaptiver Filter erlaubt es also, Rückschlüsse auf im laufenden Betrieb vorhandene, fehlerhafte Systemfunktionen zu ziehen. Um darauf aufbauend eine Schätzung des Degradationszustands mikroelektronischer Schaltungen vornehmen zu können, müssen die die Schaltung parasitär beeinflussenden Faktoren sauber voneinander getrennt werden können. Deshalb wird in diesem Projekt ein Multisensorinterface zur Ermittlung von PVT-Einflüssen aufgebaut. Unter Kenntnis der nominellen Schaltungseigenschaften, des aktuellen Zustands der Schaltung und der PVT-Einflüsse können nun Verfahren zur Ermittlung des Degradationszustands einer Schaltung entwickelt werden. Der mit dieser Methodik abgeleitete Degradationszustand stellt die zentrale Basis für die Entwicklung von Verfahren zur Lebenszeitprognose mikroelektronischer Schaltungen dar, die ebenfalls in diesem Projekt mit ersten theoretischen Ansätze exemplarisch realisiert werden soll.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Steffen Paul