Typische „Badewannenkurve“ mit „Vorhersage Abstand“
Die Idee, eine Prognose-Zelle zu integrieren, ist die, das Lebensende eines Bauteils vorauszusehen, bevor es auftritt. Dieser Fortschritt einer Frühwarnung versetzt Sie in die Lage, die Auswirkungen eines Bauteil- oder Systemausfalls zu lindern, bevor dieser Ausfall katastrophale Folgen hat. Der prozentuale Anteil an 'Kategorie I'-Ausfällen bei Ausfalleffekt- und Bedeutungsanalysen (FMECA) kann so drastisch reduziert werden
Mit der neuen Halbleitertechnik Sentinel Silicon™ ist erstmals eine zuverlässige Prognose der Lebensdauer von Halbleiterbauelementen während des Betriebes möglich. Hohe Temperaturen, elektrostatische Entladungen, radioaktive Strahlung gefährden die Lebensdauer der mit kleineren Strukturen immer empfindlicheren Halbleiter. Wenn ein Schaltkreis dann noch am Rande eines Prozessfensters produziert wurde, kann die normale Betriebsphase bei Belastung schnell zu Ende gehen. Die Sentinel Silicon™ Zellen erfassen die ganze Geschichte eines Chips beginnend bei der Fertigung bis zur Nutzung durch den Anwender. Alle Umwelteinflüsse und ihre Auswirkungen auf die Lebensdauer werden individuell und unabhängig für jeden Baustein während des laufenden Betriebs erfasst. Eine zuverlässige Prognose der Lebensdauer bezogen auf das jeweilige Bauelement ist jederzeit abrufbar. Nach Stand der Technik war bisher nur eine statistische Abschätzung der Lebensdauer für eine größere Stichprobe bei konstanten und definierten Betriebsbedingungen möglich.
Insbesondere für sicherheitsrelevante Anwendungen wird die neue Technik bedeutsam werden. Bauteile warnen rechtzeitig vor einem möglichen Ausfall. Wartungskonzepte können gezielt darauf aufsetzen, denn vorbeugende Instandstzungsmaßnahmen lassen sich nun besser planen.
Neben der Anwendung zur Prognose der Lebensdauer von Bauelementen ist ein weiterer Einsatzbereich der Sentinel Silicon™ Technik die Warnung vor latenten Schäden durch elektrische Einstrahlung und Aufladung (ESD). Nicht jede Belastung mit elektrischer Ladung führt unmittelbar zu einem Ausfall. Überspannungen und elektrostatische Entladungen, die außerhalb oder am Rand der Spezifikationen liegen, können die Lebensdauer eines Bauelementes erheblich verkürzen. Mit immer kleiner werdenden Strukturen und Schichtdicken der Halbleiterstrukturen werden die Bauelemente empfindlicher gegen elektrische Aufladungen. Bereits geringe Ladungsmengen können zu kritischen Vorschädigungen der feinen Halbleiterstrukturen führen. Diese Vorschädigungen bleiben zunächst ohne direkte Auswirkung auf die Funktion des Bauelements. Betroffene Bausteine weisen eine deutliche geringere Lebensdauer als ungeschädigte Bausteine aus derselben Produktion auf. Bisher konnten solche Auswirkungen nicht sicher diagnostiziert werden. Die auf dem Chip integrierten Sentinel Silicon™ Prognostikzellen erfassen diese Einflüsse und geben eine rechtzeitige Indikation auf die Schädigungen. Geeignete Maßnahmen wie z.B. ein Austausch betroffener Module können rechtzeitig ergriffen werden.
Bisher mussten wichtige Bauteile in kritischen Anwendungen nach festgelegten Zeitintervallen ausgetauscht werden. Nun ist es möglich, solche Bauteile genau dann auszuwechseln, wenn das Ende der Lebensdauer prognostiziert wird. Ebenso können ältere Module oder Ersatzteile, die bereits in Betrieb waren, nach ihrer noch zur Verfügung stehenden Einsatzdauer qualifiziert werden und wieder einer geeigneten Verwendung zugeführt werden. Die Kosten für die Wartung sicherheitsrelevanter Systeme und Geräten können damit erheblich reduziert werden.
Die Sentinel Silicon™ Zellen umfassen speziell entworfene aktive und passive Halbleiterstrukturen und werden innerhalb des aktiven Chipbereiches platziert. Ridgetop liefert die IP als komplettes Paket zur Integration in industrieübliche Entwurfswerkzeuge für Halbleiterdesign. Der Platzbedarf beträgt nur wenige µm². Die Ausgänge können in bestehende JTAG Ketten integriert werden, sodass die Zellen auf einfache Weise innerhalb einer BIT-Routine ausgelesen werden können. Damit kann die Information zu jedem vom Nutzer gewünschten Zeitpunkt abgerufen werden.
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