«ТОКОВЫХ И ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ МИКРОСХЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНЫХ СВЧ-ПОЛЕЙ ...»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ТАВРИЧЕСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. В.И. ВЕРНАДСКОГО

На правах рукописи

Грибский Максим Петрович

УДК 537.86

ФИЗИКА ПРОЦЕССОВ НАПРЯЖЕННЫХ ТОКОВЫХ И ТЕПЛОВЫХ

РЕЖИМОВ МИКРОСХЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНЫХ

СВЧ-ПОЛЕЙ 01.04.01 - Физика приборов, элементов и систем Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель Старостенко Владимир Викторович доктор ф.-м. наук, доцент кафедры радиофизики и электроники СИМФЕРОПОЛЬ –

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………….……………

РАЗДЕЛ 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ВОЗДЕЙСТВИЮ

ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА

ЭЛЕМЕНТНУЮ БАЗУ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

1.1. Общие положения…………………………………………………... 1.2. Имитация воздействия электромагнитных полей на полупроводниковые приборы и микросхемы ……………………. 1.3. Обзор работ по непосредственному воздействию импульсных электромагнитных полей на микросхемы ……………………… 1.3.1. Воздействие на микросхемы с низким уровнем интеграции 1.3.2. Модель взаимодействия импульсных электромагнитных СВЧ полей с микросхемами низкого и среднего уровня интеграции…………………

1.4. Современные микросхемы, их отличия от микросхем с низким и средним уровнями интеграции ……………………………………. 1.5. Выводы по разделу …………………………………………………

РАЗДЕЛ 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО

ВОЗДЕЙСТВИЮ ИМПУЛЬСНЫХ СВЧ ПОЛЕЙ НА

СОВРЕМЕННЫЕ МИКРОСХЕМЫ ………………………... 2.1. Соотношение между волнами при дифракции на микросхеме в волноводе……………………………………………………………. 2.1.1. Связь характеристик волноводных режимов с волнами в волноводе……………………………………………………………. 2.2. Определение соотношений между волнами при дифракции полей на современных микросхемах и электронных модулях в волноводе……………………………………………………………. 2.3. Тестирование работоспособности современных микросхем при воздействии импульсных электромагнитных полей……………... 2.3.1. Тестирование работоспособности микропроцессоров и микроконтроллеров………………………………………………… 2.3.2. Тестирование работоспособности микросборок приемников и передатчиков, экранированных СВЧ микросхем... 2.4. Результаты исследований по воздействию импульсных электромагнитных полей на современные интегральные микросхемы…………………………………………………………. 2.4.1. Воздействие ВИИЭМП на частично экранированные микросхемы…………………………………………………………. 2.4.2. Воздействие импульсных электромагнитных полей на электронные модули………………………………………………... 2.5. Обобщение экспериментальных результатов…………………….. 2.6. Выводы по разделу………………………………………………….

РАЗДЕЛ 3. МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СВЧ

ПОЛЕЙ С МИКРОСТРУКТУРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

КРИСТАЛЛА СОВРЕМЕННЫХ МИКРОСХЕМ……… 3.1. Основные составляющие модели взаимодействия импульсных СВЧ полей с микроструктурными элементами кристалла микросхем…………………………………………………………… 3.1.1. Решение дифракционной задачи для современной микросхемы в волноводе…………………………………………... 3.2. Модель кристалла и разрядные цепи современных микросхем.... 3.2.1. Моделирование электротепловых процессов в цепях разряда с проводящими и диэлектрическими микроструктурными элементами………………………………….. 3.3. Моделирование электротепловых процессов в активных микроструктурных элементах современных микросхем………… 3.3.1. Модель ПТШ для исследования напряженных токовых и тепловых режимов………………………………………………….. 3.4. Выводы по разделу………………………………………………….

РАЗДЕЛ 4. МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННЫХ ТОКОВЫХ И

ТЕПЛОВЫХ РЕЖИМОВ В МИКРОСТРУКТУРНЫХ

ЭЛЕМЕНТАХ КРИСТАЛЛА СОВРЕМЕННЫХ

МИКРОСХЕМ……………………………………………… 4.1. Электротепловые процессы в металлизации микросхем с учетом 4.1.1. Физические процессы в неоднородных медных пленках кристалла микросхем в напряженных токовых и тепловых 4.2. Моделирование электротепловых процессов в кристалле микросхем с разрядной цепью из пассивных микроструктурных элементов при воздействии ВИИЭМП……………………………. 4.3. Физические процессы в ПТШ при напряженных токовых и тепловых режимах………………………………………………….. 4.3.1. Моделирование физических процессов в ПТШ при воздействии ВИИЭМП……………………………………….. токовых режимах……………………………………………... 4.4. Выводы по разделу…………………………………………………. ВЫВОДЫ……………………………………………………………………. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ……………………….. ПРИЛОЖЕНИЕ А…………………………………………………………... ПРИЛОЖЕНИЕ В…………………………………………………………...

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АЦП – аналого-цифровой преобразователь ВИИЭМП – высокоинтенсивное импульсное электромагнитное поле ИМС – интегральная микросхема ИЭМП – импульсное электромагнитное поле МП – микропроцессор МДС – металлодиэлектрическая структура МСЭ – микроструктурный элемент ППП – полупроводниковые приборы ППС – полупроводниковая структура ПТ – полевой транзистор ПТШ – полевой транзистор с затвором Шоттки РЭА – радиоэлектронная аппаратура СВЧ – сверхвысокие частоты ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь ЭА – электронная аппаратура ЭМ – электронный модуль ЭМС – электромагнитная совместимость ЭМИ – электромагнитный импульс (излучение) ЭМП – электромагнитное поле ЭСР – электростатический разряд

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Информационные технологии в настоящее время определяют развитие всех отраслей народного хозяйства государств. В свою очередь уровень информационных технологий определяется состоянием и тенденциями развития элементной базы электронной аппаратуры, в основном интегральных микросхем (ИМС). С их помощью производится практически вся обработка информации в современной электронной аппаратуре (ЭА).

В электронной аппаратуре микросхемы могут подвергаться воздействию различных внешних факторов, влияющих на их функциональное состояние, вплоть до катастрофических отказов. При этом работоспособность ЭА будет определяться функциональным состоянием микросхем, их режимами работы. Микросхемы и полупроводниковые приборы проектируются для работы в номинальных режимах. Физика процессов в этих приборах при работе в напряженных токовом и тепловом режимах, которые могут развиваться при воздействии электромагнитного излучения на ЭА, практически не исследована.

Одним из наиболее распространенных видов внешних воздействий на ЭА являются импульсные электромагнитные поля (ИЭМП) естественного и искусственного происхождения. Исследованиям воздействия импульсных электромагнитных полей на полупроводниковые приборы и микросхемы посвящено большое количество работ [1 - 24]. В США и странах Западной Европы специалисты, занимающиеся вопросами воздействия электромагнитных полей на элементную базу ЭА, подобного рода воздействие свели к подаче на выводы полупроводниковых приборов видеоимпульса напряжения, а к выводам микросхем радиоимпульса. Однако такой имитационный подход не дает связи параметров воздействующего фактора с результатом воздействия, в частности: 1) невозможно учесть влияние поляризационного фактора, определяющего величину напряжения, воздействующего на микроструктурные элементы кристалла микросхем;

имитационного видеоимпульса и воздействующего на ЭА радиоимпульса; 3) при воздействии на ЭА ИЭМП большую роль на развитее физических процессов в микроструктурных элементах играют токи смещения, в частности, та их составляющая, которая обусловлена СВЧ заполнением импульса; 4) в имитационном подходе при воздействии на микросхемы цепь разряда фиксируется, а в случае воздействия мощных ИЭМП на ИМС, разрядных цепей может быть несколько.

проведены в ХФТИ (г. Харьков) под руководством проф. Магды И.И. [43 Проведенные исследования позволили выявить основные закономерности преобразования электромагнитных полей в электротепловые процессы в микроструктурных элементах кристалла микросхем. Такие же непосредственному воздействию импульсных электромагнитных полей на микросхемы в волноводе, направленными на углубленное изучение процессов и результатов преобразования полей в микроструктурных элементах, в ТНУ была разработана численно-аналитическая модель взаимодействия, включающая в себя решение дифракционной задачи для микросхемы в волноводе и решение электротепловой задачи для модели кристалла. Однако данные исследования, как экспериментальные, так и теоретические, были проведены для микросхем, разработанных более 40 лет назад. Современные микросхемы сильно отличаются от микросхем с низким и средним уровнями интеграции прошлых десятилетий, что требует нового подхода к изучению физических процессов в их микроструктурных элементах, работающих в неноминальных режимах. Научной разработке этих вопросов посвящена данная диссертационная работа.

Актуальными в научном, и практическом аспектах являются:

- исследования процессов преобразования энергии импульсных электромагнитных полей, воздействующих на приборы и микросхемы, в электрическую и тепловую в микроструктурных элементах современных ИМС;

- исследования физических процессов в приборах, работающих в напряженных токовых и тепловых режимах; изучение пробойных явлений в активных и пассивных микроструктурных элементах кристалла микросхем;

- разработка рекомендаций по мерам повышения стойкости приборов к воздействиям импульсных электромагнитных СВЧ полей.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Основные результаты работы вошли в отчет госбюджетной темы кафедры радиофизики и электроники Таврического национального университета им.

В. И. Вернадского, номер госрегистрации №0101U005650 «Исследования воздействия импульсных электромагнитных полей на микроструктуры и моделирование электронных приборов». Соискателем как одним из исполнителей данной темы выполнен комплекс экспериментальных и теоретических исследований по воздействию импульсных электромагнитных полей на современные микросхемы.

Цель и задачи исследований. Цель работы состоит в установлении физических закономерностей процессов в микроструктурных элементах кристалла современных микросхем высокого уровня интеграции во время их работы в напряженных токовых и тепловых режимах.

Для достижения цели необходимо было решить такие задачи:

- разработать методики проведения экспериментальных исследований по воздействию импульсных электромагнитных полей на современные микросхемы и электронные модули;

- провести экспериментальные исследования и проанализировать полученные результаты;

- на основании экспериментальных исследований и результатов моделирования микросхем с низким и средним уровнями интеграции разработать модель взаимодействия импульсных электромагнитных полей с микроструктурными элементами кристалла современных ИМС с большим уровнем интеграции;

- определить основные электрические цепи разряда в кристалле во время действия импульсного электромагнитного излучения и разработать электротепловую модель кристалла современных микросхем, что позволит прогнозировать работоспособность ИМС в напряженных токовых и тепловых режимах;

- на примере модели полевого транзистора установить степень воздействия геометрических размеров канала и затвора прибора, а также режимов работы на физические процессы во время его работы в номинальном режиме.

современных микросхем при преобразовании энергии действующих СВЧ полей.

Предмет исследования – напряженные токовые и тепловые режимы в кристаллах современных микросхем при воздействии мощных импульсных СВЧ полей.

Методы исследования. Результаты, полученные в диссертационной работе, основываются на: экспериментальных волноводных методах определения работоспособности микросхем при непосредственном воздействии на них мощных импульсных электромагнитных полей;

статистических методах обработки результатов экспериментальных аналитических выражений, что описывают их свойства и характеристики с последующим использованием численных методов, в частности, декомпозиционного, прогонки, больших частиц.

следующем:

электромагнитных полей на микроструктурные элементы кристалла современных микросхем с большим уровнем интеграции.

2. Разработаны численно-аналитические модели взаимодействия импульсных электромагнитных полей с микроструктурными элементами кристалла современных микросхем и тепловая модель кристалла, что впервые позволило прогнозировать стойкость ИМС к воздействию импульсного электромагнитного излучения, которое определяется в основном размерами кристалла, поляризационным фактором и не зависит от их функционального назначения.

3. Впервые рассмотрены электрические цепи разряда с активными микроструктурными элементами кристалла современных микросхем.

4. На примере модели ПТШ впервые показано, что поверхностная плотность мощности, которая рассеивается в полупроводниковом приборе при пробое, не учитываются в полной мере его конструктивные особенности, потому как функцию в критерии Вунша-Белла необходимо выбрать значение удельной объемной мощности во время электротеплового пробоя транзистора.

Практическая значимость результатов, полученных в процессе выполнения работы, состоит в следующем 1. Установлены ограниченные значения полей, при которых начинаются сбои в работе и катастрофические отказы современных микроконтроллеров с микропроцессорами, микросхем памяти, микросхем аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, микросборок приемников и передатчиков. Это может быть положено в основу отраслевых стандартов, что определяют стойкость ИМС.

2. Стойкость экранированных микросхем к электромагнитному излучению в основном определяется внешними электрическим цепями и радиоэлементами. Это обстоятельство необходимо учитывать при компоновке плат, что функционирует вблизи источников электромагнитных излучений.

микроструктурных элементов кристалла, которые могут быть использованы производителями ИМС при разработке новых технологий их изготовления или при выборе новых материалов микросхем.

4. Предложено устанавливать ИМС, которые могут подвергаться воздействию электромагнитного излучения, в специальные панели с разрядниками, или проектировать и изготавливать микросхемы с разрядниками.

5. Разработана численно-аналитическая модель преобразования энергии электромагнитных полей в электротепловые процессы современных микросхем, которые позволяют прогнозировать их стойкость при уменьшении базовых элементов кристалла и увеличении его размеров во время работы в напряженных режимах, в частности при воздействии и ИЭМП.

6. Определена оптимальная длина канала ПТШ и значение эквивалентной емкости разрядной цепи, которые могут быть использованы разработчиками для создания микросхем, которые работают в условиях воздействия мощных СВЧ полей.

7. Разработана компьютерная методика тестирования функционального состояния ИМС, что работает в напряженных токовых и тепловых режимах, используется в научно-исследовательской работе ТНУ и лабораторных практикумах во время обучения студентов специальности 6.070201 – прикладная физика и 7.070201 – радиофизика.

Личный вклад соискателя. Все экспериментальные исследования выполнены автором самостоятельно. Теоретические исследования проводились с помощью пакетов программ совместно с их разработчиками.

В научных работах с соавторами соискателем лично выполнено и получено следующее: в работах [94 - 103] автором самостоятельно проведены экспериментальные исследования по воздействию импульсных электромагнитных полей на современные микросхемы, сделан анализ результатов; в работах [123, 125] предложены и обоснованы цепи разряда и модель кристалла современных микросхем, выполнены расчеты, проведен их анализ; в работах [119 - 122, 124, 126, 128] сформулированы задачи, сделан анализ результатов численного моделирования.

Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационной работы докладывались на 8 международных конференциях (12 докладов опубликованы в соответствующих материалах конференций): 16-й, 17-й, 18-й и 19-й Крымских конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (Крымико, Севастополь, 2006, 2007, 2008, 2009); «Молодежь и современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций» (Севастополь, РТ-2006, РТ-2007); 3-м международном форуме «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» (МРФ, Харьков, 2008).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 статей в национальных и зарубежных научных журналах и сборниках. Из 12 статей продублированы в журнале Telecommunications and Radio Engineering [94,a и 95,a], 3 статьи [94, 99, 121] опубликованы в изданиях Перечня ВАК Украины по техническим наукам, 8 статей опубликовано в научно-технических изданиях Перечня ВАК Украины по физико-математическим наукам, тезисов докладов опубликованы в трудах международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает в себя введение, четыре раздела, выводы, перечень ссылок, 3 приложения.

Работа изложена на 155 страницах, содержит 6 таблиц и 65 рисунков. Перечень ссылок содержит 128 наименований на 14 страницах. Приложения на страницах, общий объем работы, с приложениями – 170 страниц.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ВОЗДЕЙСТВИЮ ИМПУЛЬСНЫХ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ЭЛЕМЕНТНУЮ БАЗУ

ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

1.1. Общие положения гарантирована только при функционировании ее радиоэлементов, в полупроводниковых приборов, микросхем и электронной аппаратуры в целом, к их отказам. Одним из основных факторов нарушения электрических режимов полупроводниковых приборов и микросхем является воздействие импульсных электромагнитных полей (ИЭМП) на ЭА. Воздействие этого фактора на электронную аппаратуру рассматривается в различных разделах прикладных наук: в физике полупроводниковых приборов и твердотельной электронике [1 - 4], электромагнитной совместимости радиотехнических систем (ЭМС) [5 - 11], физической теории надежности полупроводниковых приборов и микросхем [12 - 14].

полупроводниковые приборы к ним прикладываются дополнительные напряжения, что может приводить к напряженным токовым и тепловым режимам этих приборов. Процессы в полупроводниковых приборах и микросхемах при выходе за номинальные электрические и тепловые режимы являются объектом для исследования в физике полупроводниковых приборов и твердотельной электронике. Дополнительные напряжения могут быть обусловлены как внешним видеоимпульсом напряжения, так и электростатическим, разрядные явления при этом классифицируют как электростатический разряд (ЭСР) [15, 16].

Воздействующий фактор – электромагнитный импульс, характеризуется следующими величинами: формой, длительностью, крутизной фронтов, последовательности или пачки импульсов, частотой заполнения для радиоимпульса. Эти характеристики определяют роль токов смещения и накопительных процессов, а, следовательно, развитие лавинных и тепловых процессов в полупроводниковых приборах. В физике полупроводниковых приборов и твердотельной электронике рассматриваются, как правило, физические процессы в дискретных приборах (диодах, транзисторах и т.д.).

Подобные физические процессы имеют место и в случае, когда эти приборы входят в состав микросхем, т.е. являются их активными микроструктурными элементами (МСЭ) кристалла. Одним из важнейших понятий для микросхем, работающих в напряженных токовых и тепловых режимах, являются понятия разрядной цепи и цепи пробоя.

В физической теории надежности полупроводниковых приборов и безотказность работы этих приборов на стадии проектирования, в процессе изготовления и эксплуатации, рассматриваются вопросы, связанные с воздействием внешних факторов, в частности, с воздействием различных электромагнитных полей на элементную базу ЭА зависит от большого количества факторов. В иерархии «электронная система – блок – модуль – элементная база», приложенное дополнительное напряжение определяется внешними по отношению к элементной базе устройствами. В то же время работа электронной системы зависит от поведения элементной базы в электромагнитного излучения.

микропроцессоров, микроконтроллеров, микросхем памяти, микросборок, а также модулей с микросхемами. Значения характеристик полей, которые определяют пороговые значения сбоев в работе микросхем и микросборок или их катастрофических отказов, будут в значительной степени определять поведение и стойкость электронных систем.

Одним из факторов, влияющих на работоспособность электронной аппаратуры при воздействии ИЭМП, являются характеристики полей. В последние несколько десятилетий созданы генераторы электромагнитного излучения (ЭМИ), позволяющие имитировать воздействие ЭМИ грозовых разрядов и взрыва атомной бомбы на аппаратуру. Это магнитные генераторы на взрывной волне, лазеры на свободных электронах, различные виды электронными пучками и т. д. [16 - 24]. Воздействие электромагнитного излучения на ЭА предполагает их преднамеренность, что является предметом исследований оборонных ведомств. По вопросам генерации и распространения ЭМИ, воздействия на различные элементы электронных систем имеется большое количество публикаций, которые частично отображены в обзоре К. Баума [25], в работах В.И. Кравченко [5,10,53-56].

электромагнитных полей в наибольшей степени на ЭА могут воздействовать радиотехнические сигналы в виде конечной или периодической последовательности импульсов с СВЧ заполнением. ИЭМП с прямоугольной информации с использованием различных видов импульсной модуляции, поэтому целесообразно исследования проводить с сигналами такого вида.

При классификации воздействующих на ЭА или ее элементную базу импульсных электромагнитных полей по амплитуде (мощности) они ограничены сверху пробойным значением напряженности электрической компоненты поля в Еm 30 кВ/см, при которой происходит пробой в атмосфере, а снизу значениями напряженностей полей, при которых начинаются сбои в работе микросхем. Такие поля будем называть высокоинтенсивными импульсными электромагнитными полями – ВИИЭМП.

Ниже приводится краткий обзор научной литературы по методам работоспособности и стойкости в напряженных токовых и тепловых режимах.

полупроводниковые приборы и микросхемы Начиная с 60-х годов прошлого столетия, в США появилось большое электромагнитных полей сначала на полупроводниковые приборы, затем на микросхемы и их микроструктурные элементы, что было связано с применением в большей части ЭА микросхем. При этом возникла проблема их стойкости, в частности, по отношению к воздействию внешних электромагнитных полей. Основополагающей, среди специалистов, работающих в этом направлении, является работа Вунша (Wunsch D.C.) и Белла (Bell R.R.) по имитации воздействия на полупроводниковые приборы, опубликованная в 1968 году [26]. Эта работа явилась отправной для всех последующих работ специалистов, имитирующих воздействие ВИИЭМП на элементную базу ЭА [1 - 4, 26 - 40]. В США вопрос воздействия ВИИЭМП и статического электричества на элементную базу ЭА не разделяют и сводят к подаче видеоимпульса на выводы рассматриваемых приборов. При воздействии статического электричества имитационный подход близок к реальности. В помещениях с различными видами полов (паркет, линолеум и т.д.) оператор может иметь потенциал относительно «земли» до 25 кВ [12, 15, 16].

Имитация воздействия ВИИЭМП на полупроводниковые приборы заключается в том, что к их выводам прикладывается видеоимпульс напряжения. Выход прибора из строя (его тепловое разрушение) определяется импульсной мощностью (амплитудой) и длительностью импульса. В отличие от непосредственного воздействия импульсных электромагнитных полей на полупроводниковые приборы и микросхемы при имитации такого воздействия не учитывается взаимное расположение объекта и волны (поляризационный фактор), определяющее величину дополнительного напряжения, прикладываемого к МСЭ. Кроме того, не учитываются токи смещения высокочастотного заполнения и возможность развития разрядных процессов по нескольким путям.

При имитации воздействия характеристики воздействующего импульса не связаны с параметрами ВИИЭМП. Однако имитационный подход позволяет проследить динамику теплового разрушения определенных микроструктурных элементов приборов при реализации напряженных токовых и тепловых режимов, что в какой-то мере имеет место при воздействии на эти приборы ВИИЭМП.

Критериальная зависимость стойкости диодов и транзисторов при подаче на них видеоимпульса напряжения была экспериментально получена Вуншем и Беллом [26]. Она представляет собой зависимость удельной (поверхностной) пробойной мощности тока, проходящего через p-n-переход, от длительности импульса Ркр/S = f(), где Ркр - мощность тока, проходящего через поперечное сечение S p-n-перехода, при которой происходит катастрофический отказ; – длительность прямоугольного импульса. Данная зависимость широко используется в литературе по воздействию ИЭМП на полупроводниковые приборы и носит название критериальной зависимости (кривой) Вунша – Белла [4, 26].

близка к экспоненциальной. Аналитическое описание экспериментальных данных соответствующей критериальной зависимости, в соответствие с [4, 26], представляется полуэмпирической формулой:

где Pкр/S – удельная (поверхностная) пороговая мощность, рассеиваемая в p-n-переходе (кВт/см2);

t-длительность прямоугольного видеоимпульса (мкс);

kd, коэффициенты А и определяются на основании экспериментальных данных.

Вуншем и Беллом критериальная зависимость была получена для случая подачи на диод или транзистор прямоугольного видеоимпульса напряжения.

В работах [4, 26 - 40] приводятся экспериментальные и теоретические (рассчитанные на основании полуэмпирических формул) результаты исследований стойкости диодов при подаче на них напряжений, отличных по форме от прямоугольных импульсов. Приведенные экспериментальные данные в целом удовлетворяют критерию Вунша-Белла.

Критериальная зависимость Вунша-Белла является в достаточной степени приближенной. Для двух диодов с одинаковыми рабочими областями, но разными системами теплоотвода, пробойные значения напряжений будут отличаться друг от друга [4, 26 - 40]. Вуншем и Беллом были проведены экспериментальные исследования полупроводниковых приборов в напряженных токовых и тепловых режимах вплоть до их выхода из строя (до катастрофического отказа приборов) на микроскопическом уровне. Эти исследования показали, что прожогу p-n-перехода предшествует локализация тепла на неоднородностях полупроводниковых материалов [4, 26].

В этот же период (70-е годы прошлого столетия) в ЭА в достаточной мере использовались микросхемы. Были предприняты попытки перенести подобного рода имитацию воздействия ИЭМП и на микросхемы [4, 27 - 40].

Как и для дискретных полупроводниковых диодов и транзисторов воздействие внешнего импульсного поля имитировалось путем подачи видео- или радиоимпульса на выводы ИМС. Авторы данных исследований уже не упоминают критерий Вунша-Белла, поскольку он не выполняется в целом для микросхем. Они используют понятие энергии в импульсе, поданной на ее выводы, и связывают значение этой энергии с катастрофическим отказом типовых ИМС [4, 28, 31, 35]. Анализ причин выхода микросхем из строя при таком воздействии показал, что 90% отказов ИМС с биполярными структурами и 63% отказов с МОП структурами связано с прожогом проводящих МСЭ (токопроводящие дорожки, контактные площадки) [4, 31, 35]. Детальный анализ характера отказов показал, что при подаче на выводы микросхем радиоимпульсов, в наибольшей степени происходит выгорание контактных площадок и проводящих дорожек. Их прожогу предшествуют процессы локализации тепла и точечные прожоги металлизации. В [4, 31, 35] приводятся результаты пороговых значений энергии радиоимпульса который вызывает развитие необратимых деградационных процессов в микроструктурах.

В монографии Антинона (Antinone J.), вышедшей в 1986 году, обобщены результаты экспериментальных и теоретических исследований по имитации воздействия импульсных электромагнитных полей на полупроводниковые приборы и микросхемы [4]. Значения пороговых значений импульсных мощностей отказов полупроводниковых приборов и микросхем приведены в табл.1.1 [4, 35].

Соответствующие данные получены для случая воздействия радиоимпульсов длительностью 1 мкс и частотой заполнения несколько ГГц.

В работах [4, 35] констатируется, что энергия импульса, необходимая для отказа цифровых микросхем, больше энергии, необходимой для отказов аналоговых[5, 24 - 56] ИМС. Было установлено, что частота заполнения радиоимпульсов в пределах 1…10ГГц практически не влияет на стойкость микросхем [4, 35].

Мощности радиоимпульсов, соответствующие отказам полупроводниковых приборов и интегральных микросхем [4, 35] Целенаправленных экспериментальных исследований за рубежом по микроструктурные элементы кристалла, практически не проводилось, а многочисленные публикации за рубежом относятся в основном к исследованию непосредственного воздействия ВИИЭМП на электронные модули или на радиоаппаратуру.

В России имитационный подход к воздействию электромагнитных полей на полупроводниковые приборы и микросхемы на GaAs отражен в работах Громова Д.В., Мальцева П.П., Елесина В.В. [1 - 3, 41 - 43].

1.3. Обзор работ по непосредственному воздействию импульсных электромагнитных полей на микросхемы Большинство работ, как за рубежом, так и в Украине, в настоящее время посвящено исследованию воздействия ВИЭМП на современную ЭА (высокочастотные блоки спутниковых антенн, компьютеры, телевизоры, мобильные телефоны, бортовую аппаратуру, электронику автомобилей, и т.д.). Подобные исследования проводятся в США: в Air Force Weapons Laboratory, U.S. Army Engineering Research and Development Laboratories, Stanford Research Institute, Northrop Corporate Laboratories, Sandia Corp, Bell Telephone Laboratories, Kaman Nuclear, Mississippi State University and Sandia Laboratory, U.S. Army Mobility Equipment Research and Development Center, Harry Diamond Laboratories, Boeing Company, Naval Ordnance Laboratory, Sperry Research Center, Mission Research Corp и других научных центрах в США. В государствах Западной Европы подобные исследования проводятся во Франции, Италии, Греции, Германии, Великобритании, Швейцарии.

Кроме того, исследования по воздействию ИЭМП на радиоэлектронную аппаратуру проводятся в Израиле, Австралии, Южной Корее, Китае, Японии.

В наибольшей степени работы по данному направлению освещены в обзоре К. Баума [25], сделанном в 2001-2002 годах. Этот обзор сделан более чем по 4000 работ, в основном исследователей из США. Большинство этих работ посвящено генерации ЭМИ, но достаточно большое количество работ содержат результаты исследований по воздействию на радиоэлектронную аппаратуру и линии связи. Разрозненные и несистематизированные сведения о воздействии ИЭМП на различные узлы ЭА и ЭА содержатся в [5, 41, 50, 51, 52].

Особо следует отметить исследования по воздействию ЭМИ на ЭА, проводимые в КБ «Молния» (г. Харьков) под руководством профессора Кравченко В.И. [5, 10, 53 - 56].

В России исследования по воздействию ЭМИ на элементную базу и радиоэлектронные компоненты проводятся в Москве (МРТИ, академия Жуковского), С.-Петербурге, Фрязино, Воронеже, Нижнем Новгороде, Новосибирске, Ростове [1 - 3, 7, 11, 41, 42]. Не уменьшая вклада российских ученых, ниже остановимся в основном на подходах к проведению исследований и результатах работы исследовательских групп в Харькове и Симферополе.

В Украине, исследования по непосредственному воздействию ВИИЭМП на различные узлы и устройства ЭА с анализом воздействия на элементную базу, производились в Национальном научном центре (ННЦ) «Харьковский физико-технический институт» (ХФТИ) под руководством профессора Магды И.И. [17, 43 - 49]. Данные исследования осуществлялись в свободном пространстве. Было отмечено влияние поляризационного фактора (расположения микросхем относительно вектора напряженности падающей электромагнитной волны) на стойкость ИМС и развитие деградационных процессов в микроструктурах кристалла. Влияние поляризационного фактора на стойкость микросхем и развитие деградационных процессов авторы обозначили как «антенный механизм» воздействия ВИИЭМП на ИМС [17, 43 - 49]. Было также отмечено, что в наибольшей степени при воздействии мощных полей выгорает металлизация, в особенности контактные площадки.

Импульсная мощность, которая подавалась на микросхемы, была столь велика, что металлизация буквально взрывалась после воздействия, с разбрызгиванием проводящего материала на другие микроструктурные элементы. Прожоги металлизации наблюдались в нескольких местах кристалла, т.е. пробой развивался по нескольким путям, в отличие от случая имитации воздействия. Воздействующим фактором было электромагнитное излучение со спектром, сдвинутым в высокочастотную область.

Исследования показали, что воздействие мощных импульсных полей на полупроводниковых приборов, а, следовательно, и к выходу аппаратуры из строя. Исследования, проведенные в ХФТИ по воздействию ЭМИ на элементную базу и ЭА, легли в основу комплекса стандартов по стойкости ЭА к электромагнитным полям. Исследования по непосредственному воздействию мощных ИЭМП были проведены для микросхем со средним уровнем интеграции (с однослойной металлизацией).

1.3.1. Воздействие на микросхемы с низким уровнем интеграции В Таврическом национальном университете им. В.И. Вернадского (ТНУ, г. Симферополь), на кафедре радиофизики, исследованиями по воздействию импульсных электромагнитных полей на микросхемы занимаются более 20 лет.

микроструктурных элементах интегральных микросхем при воздействии на непосредственному воздействию мощных импульсных электромагнитных отечественного производства 140, 155, 174, 315, 555, 559, 561 и 564 серий, биполярной и КМОП-структур, с размерами кристаллов (чипов) от 11 мм до 2,52,5 мм, количеством элементов на чипе 103…104, с 14 или 16 выводами, с пластмассовым корпусом [57 - 67].

результатом взаимодействия дифракционного поля с микроструктурными элементами кристалла. Первым этапом экспериментальных и теоретических исследований является решение дифракционной задачи для определения полей вне и внутри микросхемы. Этот этап необходим для определения значений полей, воздействующих на кристалл микросхемы. Вторым этапом являются исследования электротепловых процессов в разрядных цепях кристалла микросхем, состоящих из проводящих, диэлектрических и активных микроструктур. Оба этапа взаимосвязаны и позволяют исследовать динамику физических процессов в МСЭ кристалла микросхем.

Отправным моментом для построения численно-аналитической модели являются экспериментальные исследования, которые можно осуществлять как в открытом пространстве, так и в закрытых трактах (волноводах). В случае открытого пространства сложно учесть отражения от окружения работоспособность ИМС. Для исследования воздействия электромагнитных полей на микросхемы с низким и средним уровнями интеграции в работе [57] предложен волноводный метод. При волноводных экспериментах, достаточно просто исследовать воздействие электромагнитного излучения на ИМС, а, кроме того, решить дифракционную задачу для микросхемы в волноводе. Ограничивает возможности волноводного метода только одно требование – геометрические размеры микросхемы должны быть много меньше размеров волновода. Для большинства микросхем в 10сантиметровом диапазоне длин волн данное требование выполняется.

Исследованиям по непосредственному воздействию электромагнитного излучения на микросхемы предшествовали измерения коэффициента стоячей волны (КСВ) и ослабления (А), позволившие определить соотношение между падающей, отраженной, поглощенной и прошедшей волнами при падении волны на микросхему [57 - 67].

Исследования показали, что результат воздействия не связан с поглощенной микросхемой мощностью, так как на деструкцию микроструктурных элементов на кристалле микросхемы идет незначительная часть мощности в сравнении с мощностью потерь в корпусе микросхемы [ - 67]. Было установлено, что в отличие от поглощенной мощности, являющейся одной из характерных величин в критерии Вунша-Белла и непосредственном воздействии ИЭМП на них, в качестве характеристики воздействующего фактора необходимо брать значение напряженности электрической компоненты поля или плотности потока мощности падающей волны. Как показано в работах [57 - 67], предпочтительней в качестве характеристики воздействующего фактора брать значение напряженности электрической компоненты падающей волны, однозначно связанной с механизмом воздействия. При воздействии ИЭМП к разрядным цепям, включающим микроструктурные элементы кристалла, прикладывается напряжение, приводящее к протеканию через них значительных токов.

На рис.1.1 показан кристалл микросхемы с низким уровнем интеграции и возможные разрядные цепи пробоя микроструктурных элементов.

Величина приложенного напряжения при воздействии ИЭМП на ИМС связана с взаимным расположением вектора электрической компоненты поля и микросхемы, т.е. обусловлена поляризационным фактором (антенный эффект [43, 44]). Это обстоятельство является решающим для выбора характеристики воздействующего фактора – напряженности электрической компоненты падающей волны, а не плотности потока мощности.

Рис. 1.1. Топология кристалла ИМС и образование разрядных цепей при В общем случае микросхема и поле могут быть ориентированы произвольно друг относительно друга, что усложняет решение задачи по исследованию воздействия ВИИЭМП на микросхемы. Авторы работ [57] выделили 6 основных ориентаций ИМС относительно вектора напряженности электрического поля волны Н10 в волноводном тракте (рис.1.2). Результаты исследований для этих 6 ориентаций позволяют судить о последствиях воздействия электромагнитного излучения на микросхемы и в произвольных ориентациях.

Рис. 1.2. Характерные ориентации ИМС в волноводном тракте [57] Для тестирования функционального состояния микросхем при воздействии электромагнитных полей на этих ИМС собирались генераторы импульсов или усилители с использованием внешних элементов. Провода, которыми ИМС подключалась к внешним элементам и цепям питания, объединялись в жгут и экранировались. Генераторы прямоугольных импульсов собирались на логических элементах интегральной микросхемы.

Частоты импульсов собранных генераторов были в пределах 103…105 Гц, т.е.

как минимум на порядок выше частоты следования радиоимпульсов магнетронного генератора (100 Гц).

Тестирование работоспособности цифровых микросхем (сбои, катастрофические отказы) при воздействии импульсных полей осуществлялось с помощью осциллографа, подключённого к выходу генератора, а тестирование работоспособности аналоговых микросхем осуществлялось по изменению коэффициента усиления и изменению формы прямоугольного импульса при прохождении его через усилитель. После воздействия импульсных электромагнитных полей ИМС подвергались послойному травлению для анализа их кристаллов.

На рис. 1.3 приведена диаграмма статистического распределения микроструктурных элементов, разрушение которых приводит к катастрофическим отказам микросхем. Из диаграммы на рис.1.3 следует, что основной причиной выхода их из строя является прожог токопроводящих дорожек и контактных площадок (рис. 1.3) [57, 61, 62].

Рис. 1.3. Статистическое распределение функционально значимых МСЭ, выход которых из строя привел к отказам ИМС при воздействии ИЭМП Согласно статистическим данным (рис. 1.5) 91% микросхем биполярной и 69% с КМОП - структурами выходят из строя при воздействии импульсных микроструктурных элементов. В свою очередь из проводящих структур более половины отказов приходится на контактные площадки.

Большой выход из строя проводящих элементов, в сравнении с другими микроструктурными элементами, обусловлен протеканием токов большой плотности через проводящие дорожки и контактные площадки, а также их пространственной и омической неоднородностью.

Результаты экспериментальных исследований [56 - 66] показали следующее:

- полученные статистические данные причин выхода микросхем со средним уровнем интеграции из строя при воздействии ВИИЭМП достаточно близки к подобным при имитации воздействия [4, 35];

- в отличие от имитационного подхода при непосредственном воздействии полей деградационные явления в МСЭ развиваются практически по всей поверхности кристалла, наблюдаются центры накопления деградаций, прожоги микроструктурных элементов могут происходить в нескольких цепях разряда;

- на фотографиях кристаллов микросхем, вышедших из строя, можно наблюдать все этапы развития электротепловых процессов от зарождения деградаций до прожога металлизации;

- количество деградационных центров в кристалле и стойкость микросхем определяются ориентацией микросхем относительно ВИИЭМП.

Результатом воздействия электромагнитного излучения на микросхемы являются сбои в работе, деградации в микроструктурных элементах и катастрофический отказ. Пороговые значения полей данных проявлений в значительной степени определяются поляризационным фактором [57, 58]. В микроструктурными элементами параллельна вектору напряженности электрического поля и к МСЭ прикладывается наибольшее дополнительное напряжение за счет воздействия ВИИЭМП. Стойкость микросхем в этих положениях наименьшая. Для вывода из строя микросхем с биполярными структурами достаточно одного импульса с напряженностью электрического поля в 60…70 кВ/м, а для микросхем с КМОП-структурами – 80…90 кВ/м. В положениях микросхем «а» и «б» (рис. 1.2), для которых грань кристалла с МСЭ перпендикулярна вектору напряженности электрического поля, пороговые значения напряженности электрического поля на порядок выше, чем для ориентаций «в», «г», «д», «е».

Деградационные явления в микроструктурных элементах ИМС при воздействии ВИИЭМП начинаются со значений напряженности поля, когда наблюдаются первые отклонения от нормальной работы генераторов или усилителей, собранных на этих микросхемах. Проявляются эти деградационные явления в микроструктурных элементах в виде точечных (локальных) прожогов металлизации. В положениях микросхем, когда грань кристалла с МСЭ параллельна вектору напряженности электрического поля волны Н10 (положения «в», «г», «д», «е», рис. 1.2), деградационные явления начинаются при значениях напряженности поля в 2...7 кВ/м для ИМС биполярных, и при 5...10 кВ/м для микросхем КМОП - структур. Для этих ориентаций ИМС относительно ВИИЭМП можно констатировать, что деградационные явления в микроструктурных элементах начинаются при значениях напряженности поля на порядок меньших, чем пороговые значения поля, соответствующие катастрофическому отказу. В ориентациях «а» и «б» (рис. 1.2) деградационные явления в МСЭ при воздействии ВИИЭМП проявляются при напряженностях полей 60...70 кВ/м.

Проведенные исследования [57 - 67] показали, что можно выделять не шесть ориентаций микросхем относительно вектора электрической компоненты воздействующего поля, а всего лишь две группы ориентаций: 1) плоскость кристалла с микроструктурными элементами параллельна вектору электрической компоненты воздействующего поля - ориентации «в», «г», «д», «е» (рис. 1.2); 2) плоскость кристалла с микроструктурными элементами перпендикулярна вектору электрической компоненты воздействующего поля - ориентации «а» и «б» (рис. 1.2).

1.3.2. Модель взаимодействия импульсных электромагнитных СВЧ полей с микросхемами низкого и среднего уровня интеграции Для исследования роли параметров поля и характеристик микросхем на результат воздействия в работах [61, 63, 64] предложена численноаналитическая модель взаимодействия электромагнитных полей с дифракционной задачи для микросхемы в волноводе путем нахождения поля вблизи кристалла микросхем и решение электротепловой задачи для модели кристалла микросхем. Данная модель кристалла ориентирована на исследование электротепловых процессов в микросхемах с низким и средним уровнями интеграции (микросхем с однослойной металлизацией) и представлена на рис. 1.4.

направления OX, рис. 1.4) токи проводимости и смещения проходят по слою с Al и SiO2 (цепь разряда), вызывая их нагревание вплоть до теплового разрушения. При этом элементы цепи разряда обмениваются теплом с прилегающими слоями и корпусом микросхемы [61, 63, 64].

Рис. 1.4. Модель кристалла микросхемы с однослойной металлизацией [61] Разработанная модель взаимодействия импульсных электромагнитных полей с микроструктурными элементами позволила исследовать влияние формы импульса, его длительности, скважности на стойкость микросхем [60, работоспособность ИМС при воздействии ИЭМП [63 - 67].

Предложенная теория достаточно хорошо зарекомендовала себя для микросхем с низким и средним уровнями интеграции, позволяя прогнозировать их стойкость, что подтверждается экспериментальными данными. С помощью данной модели было установлено, что для проводящих микроструктурных элементов выполняется критерий Вунша-Белла [26].

Для активных микроструктурных элементов в работах [68 - 71] предложены модели транзисторов: полевых Si - и GaAs - транзисторов с затвором Шоттки (ПТШ). В качестве исходного в модели используется кинетическое уравнение, решение которого осуществляется методом крупных частиц. Модель ПТШ разработана специально для исследования физических процессов в напряженных токовых и тепловых режимах, сопровождаемых лавинными процессами с переходом в тепловой пробой.

1.4. Современные микросхемы, их отличия от микросхем с низким и средним уровнями интеграции Переход в микросхемах от алюминиевых проводящих структур к медным, был обусловлен двумя основными причинами: во-первых, сильной пространственной и омической неоднородностью алюминиевых линий, а вовторых, низкой проводимостью и теплопроводностью, что особенно важно для повышения быстродействия ИМС.

В то же время при использовании медных линий в ИМС имеются свои трудности: медь, особенно при нагревании, сильно диффундирует в кремний.

В современных микросхемах для создания барьера, препятствующего диффузии меди в кремний, используют защитные танталовые пленки, разделяющие медные линии с кремнием и оксидом кремния.

Во многих современных интегральных микросхемах применяется защита от электростатического разряда (ЭСР). Но и более высокие у меди тепло- и электропроводность, а также наличие в ИМС защиты от ЭСР не могут спасти микросхемы от статического электричества. На рис. 1. приведены фотографии прожога медных линий при воздействии статического электричества [16]. Медные в танталовой оболочке линии разрушались при воздействии одиночного видеоимпульса напряжения с амплитудой порядка 7,5 кВ (5 кВ – напряжение, на которые рассчитаны защитные цепи ЭСР ИМС [16]).

Приведенный выше краткий обзор показывает, что современные микросхемы сильно отличаются от ИМС, для которых ранее были проведены исследования по воздействию импульсных электромагнитных полей и разработана численно-аналитическая модель, позволяющая прогнозировать результат при таком воздействии.

Рис. 1.5. Тепловое разрушение медных линий при воздействии статического Основные отличия современных микросхем от тех, для которых ранее были проведены исследования по воздействию электромагнитного излучения, состоят в следующем:

• Уменьшились размеры базовой ячейки на кристалле, а, следовательно, и микроструктурных элементов (транзисторов) уменьшились более чем в раза, а толщина проводящих пленок уменьшилась более чем в 10 раз.

Степень интеграции (количество активных микроструктурных элементов на единицу площади) увеличилась на 3 – 5 порядков.

микроструктурных элементов в основном используется медные проводники в танталовой оболочке.

• В отличие от трехслойных структур в кристалле с однослойной металлизацией, в современных микросхемах используется металлизация, содержащая десять и более слоев.

электростатического электричества. Ранее рассмотренные микросхемы такой защиты не имели.

• В настоящее время имеет место тенденция к экранированию микросхем, в первую очередь микропроцессоров, микроконтроллеров, микросхем памяти, микросхем приемников и передатчиков, а также микросборок из микросхем с подложками на Si и GaAS (системы SiP). Проведенные ранее электромагнитного излучения на экранированные микросхемы.

1.5. Выводы по разделу Обзор по воздействию ВИИЭМП на полупроводниковые приборы, а микроэлектроники позволяет сделать следующие выводы:

1. Имитационный подход позволяет исследовать поведение дискретных напряженных токовых и тепловых режимах, однако он не связывает характеристики воздействующего фактора и объекта с результатом воздействия.

2. Для исследования воздействия ВИИЭМП на современные микросхемы целесообразно использовать волноводные методы с непосредственным разработанные в ТНУ, позволили связать характеристики воздействующего фактора, характеристики микросхем с результатом воздействия, определить пороговые значения воздействующего излучения, при которых начинаются катастрофические отказы. Экспериментальные исследования способствовали микроструктурными элементами рассматриваемого класса микросхем.

3. Волноводные исследования по непосредственному воздействию ВИИЭМП были проведены для микросхем, разработанных более 40 лет назад. Современные ИМС значительно отличаются по степени интеграции, технологии, используемым материалам, по своему функциональному назначению [72 - 89]. Исследований по воздействию ВИИЭМП на современные микросхемы не проводилось.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ВОЗДЕЙСТВИЮ

ИМПУЛЬСНЫХ СВЧ ПОЛЕЙ НА СОВРЕМЕННЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Обзор работ по воздействию ВИИЭМП на микросхемы и анализ результатов, приведенных в этих работах, позволяет конкретизировать основные задачи диссертационной работы. Для исследования физики процессов напряженных токовых и тепловых режимов МСЭ при воздействии ВИИЭМП на современные микросхемы целесообразно использовать волноводные методы и решить следующие задачи:

- выделить основные типы микросхем, которые являются базовыми для построения электронной аппаратуры и которые в настоящее время применяются в наибольшей степени;

- разработать схемы тестирования функционального состояния микросхем;

- провести цикл измерений по определению соотношений между волнами при падении электромагнитного излучения на микросхемы;

- провести эксперименты по непосредственному воздействию ВИИЭМП на современные микросхемы и проанализировать результаты;

- разработать электротепловую модель кристалла современных микросхем;

- численно-аналитическими методами исследовать физические процессы в цепях разряда кристалла микросхем;

- на основании проделанных экспериментальных и теоретических исследований предложить методы прогноза стойкости современных микросхем, функционирующих в напряженных токовых и тепловых режимах;

- выдать рекомендации по повышению стойкости микросхем к воздействию мощного импульсного электромагнитного излучения.

Основным критерием адекватности любой теоретической модели являются экспериментальные данные. В особенности это относится к модели взаимодействия импульсных электромагнитных полей с микроструктурными элементами кристаллов современных микросхем. Невозможность учета всей совокупности микроструктурных элементов кристалла требует разработки закономерности физических процессов при воздействии импульсных электромагнитных полей, а с другой – позволяет прогнозировать стойкость микросхем при таком воздействии. Естественно, в этом случае без экспериментальных исследований обойтись просто невозможно.

Исследования по воздействию мощных ЭМИ на различные устройства с ЭА (самолеты, автомобили, космические модули и т.д.), на бытовую ЭА осуществляются, как правило, коллективами ученых: ННТЦ «ХФТИ» (г.

Харьков), руководитель – проф. Магда И.И.; КБ «Молния», руководитель – проф. Кравченко В.И., (Харьковский национальный технический университет «ХПИ»). Для исследования воздействия мощных ЭМИ созданы стационарные стенды для испытания и сертификации различных устройств с ЭА [5, 47, 49].

Исследования по непосредственному воздействию импульсных электромагнитных СВЧ полей на микросхемы с целью определения их функционального состояния и стойкости сами по себе представляют сложную и важную для физики приборов, элементов и систем задачу.

Целесообразно использовать для исследования воздействия ВИИЭМП на современные микросхемы установку и методики, которые применялись для соответственно адаптировав их к современным ИМС.

При непосредственном воздействии импульсных электромагнитных СВЧ полей на микросхемы в волноводе измеряется прошедшая мощность, а в качестве характеристики воздействующего фактора в критерии стойкости микросхем используется значение напряженности электрической компоненты падающей волны. Экспериментам по воздействию ВИИЭМП на ИМС должны предшествовать исследования дифракции волн на микросхеме в волноводе, что необходимо для определения соотношений между прошедшей, падающей, отражённой и поглощенной волнами.

С учетом этого в данном разделе решаются следующие задачи:

- в дальней зоне экспериментально решается дифракционная задача для микросхемы в волноводе (находится связь между амплитудами падающей, отраженной, поглощенной и прошедшей волнами);

- обосновываются и разрабатываются схемы тестирования работоспособности для основных классов современных микросхем:

микроконтроллеров с микропроцессорами, микросхем памяти, аналогоцифровых и цифро-аналоговых преобразователей, микросборок приемников и передатчиков, модулей микросхем с АЦП и ЦАП, модулей с микросборками приемников и передатчиков;

- обобщаются и анализируются результаты исследований по воздействию мощных импульсных электромагнитных полей на современные микросхемы, микросборки и электронные модули;

- определяются параметры полей и микросхем, необходимые для разработки модели взаимодействия ВИИЭМП с микроструктурными элементами современных ИМС.

2.1. Соотношение между волнами при дифракции на микросхеме в волноводе При падении электромагнитной волны на объект в волноводе падающая волна делится на отраженную, поглощенную и прошедшую волны. Решение дифракционной задачи в волноводе предполагает нахождение амплитудных и фазовых соотношений между волнами, как в ближней, так и в промежуточной и дальней зонах дифракции. В дальней зоне незатухающей является только волна Н10. Соотношение между амплитудами падающей, отраженной и прошедшей волн можно найти экспериментально по известным значениям коэффициента стоячей волны (КСВ) и ослабления (А), характеризующих режим работы волноводного тракта.

2.1.1. Связь характеристик волноводных режимов с волнами в волноводе Измерения КСВ и ослабления А для современных микросхем и электронных модулей в волноводе проводились на стандартном панорамном измерителе Р2-56 в полосе частот f = 2,59...3,94 МГц в волноводной измерительной секции с поперечным сечением 3472мм или 4590мм.

Микросхемы фиксировались в пенопластовой вставке и устанавливались в измерительной секции в одном из характерных положений (рис. 2.1).

Исследования, ранее проведенные для микросхем с низким и средним уровнями интеграции [57], позволили выделить две группы положений ИМС в волноводе: 1) плоскость кристалла параллельна вектору электрической компоненты поля, 2) плоскость перпендикулярна вектору электрической компоненты (рис. 2.2). Если грань кристалла с микроструктурными элементами не квадрат, а прямоугольник и, кроме того, выводы микросхемы расположены неравномерно по периметру корпуса, тогда наряду с ориентацией «б», необходимо вводить ориентацию «в» (рис. 2.2). В ориентациях «б» и «в» дополнительные напряжения, прикладываемые к кристаллу ИМС при воздействии ВИИЭМП, могут сильно отличаться друг от друга. Аналогично и для экранированных микросхем необходимо вводить дополнительную ориентацию экраном или выводами к падающей волне.

Схемы измерения КСВ и ослабления А панорамным измерителем Р2- стандартные и приводятся в инструкции к данному прибору. Диапазон измерений КСВ Р2-56 составляет 1,05…5, диапазон измерения ослабления 0…35 дБ. Допустимая погрешность измерений зависит от значений измеряемых параметров и составляет:

- при измерении КСВ 2 погрешность измерений не превышает ± 10%, при КСВ от 2 до 3 погрешность не превышает 16,8%;

- при измерении ослабления А до 2дБ погрешность не превышает ± 0, дБ, при ослаблении до 4 дБ погрешность измерения ±0,7 дБ.

Рис. 2.1. Поперечное сечение измерительной секции для исследований воздействия ЭМП на ИМС: 1 – ИМС; 2 – пенопластовая вставка;

3 – заглушка; 4 – устройство микроволнового согласования (короткозамыкатель /4); 5 – отверстие (диаметр - = 2 мм); 6 – жгут проводов [94 - 104].

Рис. 2.2. Характерные положения микросхемы в волноводе В широкой стенке измерительной секции было небольшое отверстие для подводящих проводов, связывающих микросхему с внешними элементами, компьютером и источником питания, кроме того, в волноводе размещалась пенопластовая вставка. В этой связи необходимо было определить влияние этих факторов на КСВ и ослабление при отсутствии микросхемы.

Экспериментальные исследования показали, что отверстие в измерительной секции и пенопластовая вставка не вносят каких-либо заметных изменений в волноводный тракт. Значения КСВ в волноводе с отверстиями и вставкой не превышали 1,07 (без них - Ксв 1,05), а при установке измерительной секции с сечением 4590мм значения КСВ не были выше 1,08.

Значения КСВ при измерениях определились по соотношению [91, 92]:

где Г = Е ОТР Е ПАД – комплексный коэффициент отражения;

Е ПАД и Е ОТР – комплексные значения напряженности электрического поля падающей и отраженной волн.

Поглощающие свойства неоднородностей в волноводе характеризуются с помощью ослабления [91, 92]:

где Р ПАД – мощность падающей волны;

Р ПРОШ – мощность прошедшей волны.

напряженностям электрических полей падающей и отраженной волн, как РПАД ~ Е2ПАД, РОТР ~ Е2ОТР. С учетом этого соотношение для КСВ (2.1) можно записать в следующем виде [91, 92]:

Из соотношения (2.3) можно выразить отношение мощностей PОТР / PПАД через К СВ :

Из формулы для ослабления (2.2) следует отношение мощностей прошедшей и падающей волн:

Баланс мощностей при воздействии электромагнитных полей на ИМС записывается в виде [91, 92]:

Используя (2.4), (2.5), (2.8) выразим отношение PПОГЛ / PПАД через К СВ и ослабление:

Таким образом, считая падающую мощность известной, можно найти значения мощностей отраженной, поглощенной и прошедшей волн.

В панорамном измерителе коэффициент стоячей волны КСВ и ослабление А находятся по значениям отраженной и прошедшей волн в дальней зоне, т.е. с помощью панорамного измерителя Р2-56 по существу решается дифракционная задача для дальней зоны в длинноволновом приближении (в приближении одной волны и без фазовых соотношений погрешность, зависящую от значений КСВ: при 2 < КСВ < 5 она не превышает 16,8 %. Несмотря на погрешность измерения величин КСВ и ослабления основные закономерности по влиянию различных компонент микросхем на соотношение между волнами, а самое главное – ориентации ИМС относительно ИЭМП, можно оценить исходя из проведенных исследований.

Наиболее распространенная схема волноводных исследований при воздействии мощных ИЭМП на объекты содержит конечным элементом непосредственному воздействию мощных ИЭМП на микросхемы. Значения падающей, отраженной и поглощенной мощностей находятся по измеренным ваттметром значениям прошедшей мощности [91, 92]:

Напряженность электрического поля в прямоугольном волноводе в приближении одной волны определялась по следующему соотношению [87]:

где а, b – поперечные размеры волновода;

Т – период огибающей радиоимпульса;

И – длительность радиоимпульса;

– длина волны радиочастоты;

кр – критическая длина волновода;

0, 0 – электрическая и магнитная постоянные;

РПАД – средняя мощность падающей волны.

Значения напряженности электрической компоненты поля падающей волны, при известных значениях ослабления А и значениях мощности прошедшей волны (измеренной ваттметром) определяются из следующего соотношения:

В качестве меры воздействия ВИИЭМП на микросхемы берутся значения напряженности электрической компоненты поля, вычисляемые по соотношению (2.14). С учетом погрешности измерения ослабления (2.13), погрешность измерений электрической компоненты поля составляет:

- не более 5%, при значениях ослабления до 2 дБ;

- не более 7%, при значениях ослабления до 4 дБ.

С учетом погрешностей измерений ослабления и прошедшей мощности (2.14), погрешность измерения электрической компоненты падающей волны составляет:

микроструктурными элементами параллельна вектору электрической компоненты поля - значения ослабления (2дБ < A < 4дБ), погрешность измерения пороговых значений напряженности электрической компоненты поля при катастрофических отказах ИМС не превышает 12% (2Вт 10кв/м начинаются деградационные явления в микроструктурных элементах микросхем: в основном локальные прожоги контактных площадок (рис. 2.17). В ориентации «а», сбои в работе микроконтроллеров ATtiny начинаются с Em > 15кВ/м.

При воздействии на эти микроконтроллеры наблюдаются явления, которые в исследованиях по воздействию на ИМС с низким и средним уровнями интеграции, не встречались – это эффекты «защелкивания» [1 - 3].

Рис. 2.17. Фрагмент контактной площадки ИМС ATtiny15: 1 – контактная площадка до воздействия ВИИЭМП; 2 – площадка с деградацией Реакция микроконтроллеров ATtiny15 при воздействии ВИИЭМП Реакция микроконтроллеров/ориентация в Эффект «защелкивания» при воздействии электромагнитного излучения приводит к тому, что в работе современных микросхем появляются сбои выходных параметров или временная потеря работоспособности и в это время электронная аппаратура не выполняет своего функционального назначения. После прекращения воздействия и перекоммутации работоспособность микроконтроллеров и аппаратуры восстанавливается. Это связано с тем, что ВИИЭМП наводит на электродах транзисторов кристалла дополнительные напряжения, приводящие к изменению режимов их работы:

переводам транзисторов из режима отсечки в режим насыщения и наоборот, к работе в режимах отличных от номинальных.

Реакция микроконтроллеров с ИМС PIC16F628-20I/Р при воздействии

ВИИЭМП

Микроконтроллеры PIC16F628-20I/Р в ориентациях «б» и «в» выходят из строя при Em 85 кВ/м, деградационные явления в них происходят, в основном, в проводящих микроструктурах и начинаются при E m 5 кВ/м, а сбои в работе при Em 0,05 кВ/м.

В ориентациях «а» все проявления воздействия ВИИЭМП на микросхемы PIC16F628-20I/Р начинаются при значениях напряженности полей на порядок выше, чем в ориентациях «б» и «в» (табл. 2.3). Более низкие, в сравнении с ATtiny15 пороговые значения полей, при которых происходят сбои и катастрофические отказы микроконтроллеров PIC16F628-20I/Р, объясняются различиями в размерах их кристаллов ( табл. 2.1).

Анализ кристаллов, вышедших из строя вследствие воздействия ВИИЭМП, позволил выявить виды отказов современных микроконтроллеров [94, 98, 99, 102]. Основной причиной их отказов является прожог металлизации - 60%. В свою очередь из этих 60% половина отказов произошла вследствие прожога контактных площадок (рис. 2.17), а другая половина - вследствие прожога токопроводящих дорожек (рис. 2.18).

Для 30% процентов вышедших из строя микросхем трудно однозначно определить первопричину выхода их из строя при воздействии ВИИЭМП вследствие как прожога металлизации, так и полупроводниковых структур.

Причиной выхода из строя, оставшихся 10% микросхем при воздействии ВИИЭМП является разрушение активных микроструктурных элементов.

Отличительной особенностью выхода микросхем с защитой от ЭСР из строя является их разогрев при воздействии пачки импульсов. В ИМС с низким уровнем интеграции масса микроструктурных элементов была очень мала в сравнении с массой кристалла, а тем более микросхемы. Поэтому их разогрев и последующий выход из строя вследствие выгорания не сказывался на температуре микросхемы. Внутренняя шина «земли» у микросхем с защитой от ЭСР достаточно большая по поверхности и ее разогрев приводит к увеличению температуры кристалла и всей микросхемы в целом (в ряде случаев ИМС разогревались до температуры порядка 70…800С).

При воздействии ВИИЭМП на микросхемы с защитой от ЭСР шина «земли» не выгорает, но температура кристалла в целом намного выше, чем у ИМС без защиты, а это ускоряет процесс разогрева МСЭ и их выход из строя [94 - 103].

Рис. 2.18. Прожоги проводящих дорожек ИМС 27С256-20FA после воздействия

ВИИЭМП

В микросхемах с низким и средним уровнями интеграции проводящие дорожки выполнялись из алюминия, пленки которого имеют зернистую структуру. Это приводило к множественным локальным прожогам при воздействии ВИИЭМП вследствие, как пространственной, так и омической неоднородности. В современных микросхемах контактные площадки и проводящие дорожки выполнены из меди, пленки из которой не имеют зернистости, однако неоднородны по толщине и ширине. Это приводит к их прожогу, однако в сравнении с пленками из алюминия, динамика развития прожога металлизации медных дорожек в достаточной мере отличается:

значительно меньше локальных прожогов вдоль проводящих пленок из меди.

Подобные исследования были проведены для микросхем памяти, АЦП и ЦАП (схемы тестирования в Приложении В). В частности, для ИМС памяти 27С256-20FA (площадь кристалла 4,84,5мм) установлено, что в ориентациях «б» и «в», сбои при записи и считывании происходили при значениях напряжённости электрической компоненты Еm > 0,05кВ/м, а в ориентациях «а» – при Еm > 0,5кВ/м. Катастрофические отказы 27С256-20FA в ориентациях «б» и «в» фиксировались при воздействии поля с напряженностью Еm > 80…85кВ/м. В ориентации «а» имели место явления «защелкивания» с последующим восстановлением работоспособности после перекоммутации. Следует отметить, что на внутренней поверхности корпуса микросхемы 27С256-20FA над управляющими памятью функциональными микроструктурами находится экран в виде медной пленки, однако какоголибо заметного влияния на стойкость ИМС он не вносит. Это следует из экспериментальных данных при исследовании микросхем без экрана (корпус ИМС демонтировался и экран снимался).

Для микросхем памяти 24LC16 с кристаллом площадью 1,81,8 мм реакции в виде отказов в работе на внешнее воздействие при максимальной мощности генератора установки не было установлено. Деградационных явлений в микроструктурных элементах при воздействии на 24LC ВИИЭМП с Еm = 130кВ/м в течение 30 минут при анализе кристалла не выявлено (Приложение В).

Площади кристаллов микросхем АЦП и ЦАП (TLC549IP и AD7243) приблизительно совпадают с площадями кристаллов ИМС памяти 24LC16, 27С256-20FA. Этим объясняется то, что данные по пороговым значениям полей, при которых начинаются сбои и происходят катастрофические отказы, TLC549IP и 24LC15 близки между собой для 27С256-20FA и AD (схемы тестирования и результаты воздействия представлены в Приложении В).

Статистические данные отказов микросхем ЦАП, АЦП вследствие теплового разрушения микроструктурных элементов при воздействии ВИИЭМП совпадают с данными выше рассмотренных микросхем.

2.4.1. Воздействие ВИИЭМП на частично экранированные микросхемы В качестве основы для исследований частично экранированных микросхем были выбраны микросхемы 27С256-20FA с кристаллом 4,54,8мм в количестве 20 штук. При исследованиях по воздействию ВИИЭМП на их корпус наклеивалась фольга к верхней или нижней поверхности.

Сравнение экспериментальных данных для экранированных и неэкранированных микросхем показывает, что частичное экранирование практически не сказывается на их стойкости к импульсным электромагнитным СВЧ полям, так как дополнительные напряжения, прикладываемые к микроструктурным элементам, в основном формируются выводами. Незначительно отличаются данные по порогам стойкости при воздействии ВИИЭМП для микросхем без экрана, с одним экраном и с двумя экранами (не более чем на 5% в сторону увеличения пороговых значений для частично экранированных ИМС).

При экранировании между экраном и кристаллом, а также в случае двойного экрана непосредственно в микросхеме образуется емкостной зазор, который, как показали экспериментальные исследования, незначительно влияет на их функциональное состояние.

Статистические данные выхода микроструктурных элементов при воздействии ВИИЭМП для микросхем с одинарным или двойным экраном такие же, как и без экрана [94 - 103]. Все это свидетельствует о том, что частичное экранирование практически не влияет на стойкость ИМС, так как граничные значения полей, определяющие работоспособность микросхем практически совпадают с подобными у неэкранированных микросхем (при одинаковой ориентации относительно воздействующего поля).

2.4.2. Воздействие импульсных электромагнитных полей на электронные модули Были проведены экспериментальные исследования по воздействию ВИИЭМП на электронные модули с микросхемами АЦП TLC549 (рис. 2.19) и ЦАП AD7243 и на модули с микросборками приемных и передающих устройств (рис. 2.15).

Рис. 2.19. Электронный модуль с микросхемой АЦП TLC549IР При воздействии ВИИЭМП на электронные модули с микросхемами, имеющими защиту от ЭСР, основными вопросами были следующие:

- насколько внешние радиоэлементы и монтажная плата влияют на стойкость микросхем к воздействию ВИИЭМП;

электронного модуля при воздействии ВИИЭМП.

В соответствии с физическими представлениями экспериментальные исследования показали, что поляризационный фактор в значительной мере определяет стойкость электронного модуля к воздействию импульсных полей. При воздействии ВИИЭМП на электронные модули можно выделить две основные ориентации их относительно поля соответствующие положениям «а» и «б» микросхем в волноводе (рис. 2.2). Пороговые значения отказов электронного модуля с микросхемами AD7243, имеющими полученными непосредственно для этих микросхем. Сбои в работе ЭМ при воздействии ВИИЭМП начинаются при меньших значениях напряженности электрической компоненты воздействующего поля. Так в ориентации «а»

сбои наблюдались при Еm 0,1кВ/м (непосредственно для микросхем при Еm > 0,5кВ/м), в ориентации «б» при Еm > 0,01кВ/м (непосредственно для микросхем при Еm > 0,05кВ/м).

В отличие от электронных модулей с ИМС AD7243, имеющими защиту от ЭСР, микросборки приемников и передатчиков не имеют подобной защиты. Существенным отличием микросборок приемников и передатчиков от микросхем АЦП и ЦАП является наличие экрана у микросборок, а также то, что они относятся к СВЧ микросхемам. Кроме того, геометрические размеры кристаллов приемника и передатчика малы (размер их кристалла 1,61,6мм). Микросхемы с такими размерами кристаллов с защитой от ЭСР практически не реагировали на воздействие ВИИЭМП при максимальной мощности магнетронного генератора установки.

В табл. 2.4 представлены экспериментальные данные по воздействию ВИИЭМП на электронный модуль передатчика, а в табл. 2.5 – приемника.

Сравнение результатов воздействия ВИИЭМП на электронные модули, приведенных в табл. 2.4 и 2.5, показывает, что пороговые значения полей, при которых начинаются сбои в работе и наступают катастрофические отказы, у приемных электронных модулей намного ниже, чем у передающих.

Электронные модули приемников выходят из строя при воздействии электромагнитного излучения с Еm > 40кВ/м.

Существенным для стойкости электронных модулей приемников при воздействии ВИИЭМП является поляризационный фактор. В ориентациях микросборок «б» и «в» электронные модули за счет отказа ИМС выходят из строя при воздействии полей с Еm > 40кВ/м, а в ориентации «а» остаются работоспособными при Еm = 130кВ/м в течение 30 минут.

Следует отметить, что положения микросборок в электронных модулях в волноводе и результаты, приведенные в табл. 2.4 и табл. 2.5, соответствовали рис. 2.16. При воздействии ВИИЭМП на ЭМ микросборка, по существу была экранирована со всех сторон: сверху экраном, а снизу – в значительной степени печатной платой. Дополнительные напряжения при воздействии ВИИЭМП к структурам микросборки прикладывались через внешние радиоэлементы, находящиеся на печатной плате.

Значения напряженностей полей, при которых микросборки приемников выходили из строя в ориентации «б» - Еm > 40 кВ/м, в ориентации «в» - Еm > 40 кВ/м [92, 94] (табл. 2.5).

Реакция электронного модуля передатчика с ИМС R(T)X при Реакция модуля, ориентация в волноводе Реакция электронного модуля приемника с ИМС R(T)X при воздействии Импульсов Достаточно низкие значения напряженности электрической компоненты воздействующего ВИИЭМП, при котором микросборки выходят из строя, объясняются тем обстоятельством, что при относительно небольших размерах кристалла выводы ИМС разнесены на достаточно большое расстояние. Кроме того, к кристаллу микросборки прикладывается дополнительное напряжение от внешних элементов на плате электронного модуля и в полной мере проявляется «антенный эффект» [43 - 49].

Статистические данные по причинам отказов микросборок вследствие практически совпадают с теми, которые получены для микроконтроллеров, микросхем памяти, АЦП и ЦАП [94 - 103].

2.5. Обобщение экспериментальных результатов микросборок и модулей с базовой ячейкой кристалла не более 120 нм, с не менее чем пятью слоями металлизации. Исследования показали, что основной причиной выхода из строя электронных модулей при воздействии мощного электромагнитного излучения является только катастрофический отказ микросхем. Анализ показал:

- 60% микросхем выходят из строя вследствие прожога металлизации, из которых 30% – это прожог контактных площадок, 30% – прожог токопроводящих дорожек;

- 30% микросхем выходят из строя при совместном прожоге активных полупроводниковых микроструктурных элементов и токопроводящих дорожек;

- 10% микросхем выходят из строя вследствие выгорания активных полупроводниковых микроструктурных элементов.

Эти статистические данные представлены в виде диаграммы на рис. 2. 21.

Рис. 2.21. Статистические данные по выходу микроструктурных элементов Экспериментальные исследования по воздействию ВИИЭМП показали, что, как и для ИМС с низким и средним уровнями интеграции, сбои в работе современных микросхем в значительной мере определяются, поляризационным фактором – взаимным расположением микросхемы и поля («антенный эффект» [44 - 49]). Этот фактор определяет величины дополнительных напряжений, прикладываемых к микроструктурным элементам [94 - 103].

Экранирование микросхем не защищает их от воздействия ВИИЭМП, поскольку дополнительные напряжения, вызывающие деградации в микроструктурных элементах прикладываются к выводам ИМС от внешних радиоэлементов и цепей. Одним из способов повышения стойкости микросхем при воздействии ВИИЭМП является разработка специальных панелей крепления ИМС с разрядниками, соединенными с общей «землей».

Разработка подобных устройств – это наиболее перспективное направление защиты микросхем от воздействия ЭМИ и ВИИЭМП СВЧ. Такого рода защита, естественно, необходима только для микросхем, которые будут работать в условиях мощного электромагнитного излучения. Для микросхем, которые заведомо подвергаются воздействию импульсных электромагнитных полей, возможна разработка специальных схем защиты на кристалле, как это делается в случае схем защиты от ЭСР.

Защита от ЭСР повышает пороговые значения стойкости микросхем при воздействии одиночного радиоимпульса, однако не является эффективным способом защиты при воздействии пачки импульсов. При наличии защиты от ЭСР размеры кристалла также влияют на стойкость микросхем. Это следует из результатов экспериментальных исследований, приведенных в табл. 2.1 – табл. 2.5. Поэтому можно рекомендовать разработчикам электронной аппаратуры для повышения ее стойкости при воздействии ВИИЭМП – использовать узкофункциональные ИМС с небольшими геометрическими размерами кристаллов.

непосредственно ИМС, так и тех же микросхем в составе ЭМ практически одинаковы при наличии цепей защиты от ЭСР. Объясняется тем, что в дополнительные напряжения, прикладываемые к кристаллу, но в составе ЭМ улучшаются условия рассеяния тепла от микросхемы за счет теплового контакта с платой. Эти два обстоятельства компенсируют друг друга с точки зрения стойкости ИМС в составе ЭМ при воздействии ВИИЭМП.

В сравнении непосредственно с микросхемами, у электронных модулей снижены пороговые значения полей, при которых начинаются сбои в работе, что объясняется увеличением длины цепей, с которых напряжения при воздействии ВИИЭМП, прикладываются к кристаллу.

Стойкость микросхем к воздействию ВИИЭМП определяется размерами кристалла и поляризационным фактором. Функциональное назначение микросхем не влияет на пороговые величины воздействующих полей, при которых наступают катастрофические отказы микросхем.

Полученные в результате экспериментальных исследований пороговые значения ВИИЭМП, при которых наступают катастрофические отказы микросхем, сбои в работе, являются важными для практического использования. Важными, как для понимания физики процессов, так и практики, являются статистические данные по выходу из строя микроструктурных элементов при воздействии ВИИЭМП.

Процессы, связанные с прожогом проводящих МСЭ в современных микросхемах, сильно отличаются от подобных процессов в микросхемах с низким и средним уровнями интеграции. В первую очередь это связано с использованием меди в качестве проводящих пленок. Алюминиевые пленки имели большую зернистость, локализация тепла проходила на стоках зерен.

В современных микросхемах медные пленки практически однородны по толщине, прожоги наблюдаются в медных пленках в местах с наибольшей неоднородностью по ширине. Существенны также различия по статистике вышедших из строя микроструктурных элементов микросхем, с высоким и низким уровнями интеграции при воздействии ВИИЭМП.

2.6. Выводы по разделу 1. Проведена модернизация установки для непосредственного воздействия мощных импульсных электромагнитных СВЧ полей на современные микросхемы и электронные модули, разработаны методики проведения экспериментальных исследований, схемы тестирования функционального состояния современных микросхем, приведен анализ физических явлений в микроструктурных элементах микросхем после воздействия ВИИЭМП. Экспериментальные исследования позволили найти причинные связи между основными параметрами воздействующего поля, характеристиками микросхем и результатом воздействия.

2. По результатам экспериментальных исследований можно сделать следующие основные выводы [94 - 103]:

- при воздействии ВИИЭМП происходит преобразование энергии электромагнитного поля в электротепловую энергию макро- и микроструктурных элементов ИМС;

- выход из строя микроструктурных элементов кристалла обусловлен тем, что они работают в напряженных токовых и тепловых режимах за счет дополнительных наведенных напряжений;

- функциональное назначение ИМС не влияет на пороговые значения сбоев и катастрофических отказов при воздействии электромагнитного излучения.

3. По результатам экспериментальных исследований сделаны рекомендации по повышению стойкости электронной аппаратуры к воздействию мощных импульсных электромагнитных полей.

Полученные статистические данные пороговых значений полей катастрофических отказов микросхем и выхода из строя микроструктурных элементов кристалла микросхем [94 - 103] являются основанием для построения численно-аналитической модели взаимодействия электромагнитных полей с МСЭ микросхем.

МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СВЧ ПОЛЕЙ С

МИКРОСТРУКТУРНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ КРИСТАЛЛА

СОВРЕМЕННЫХ МИКРОСХЕМ

Построение обобщенной модели взаимодействия электромагнитных полей с микроструктурными элементами кристалла является сложной задачей в силу многочисленности типов микросхем, разнообразия их функционального назначения, топологии, большого количества характеристик электромагнитного излучения. Кроме того, в этом нет крайней необходимости, поскольку в составе различной электронной аппаратуры при воздействии электромагнитных полей реакция микросхем может сильно отличаться от непосредственного воздействия на них ВИИЭМП. Знать предельные возможности стойкости непосредственно микросхем к электромагнитному излучению необходимо, так как построить общую модель воздействия ВИИЭМП на ЭА еще более сложно. Поэтому разработка приемлемой численно-аналитической модели взаимодействия ВИИЭМП с микроструктурными элементами кристалла современных микросхем, позволяющей оценить стойкость ИМС, является актуальной и необходимой задачей. Разработка такой модели позволяет установить предельные возможности микросхем, а, следовательно, и электронной аппаратуры, к воздействию импульсных полей. Подобная модель дает возможность исследовать по отдельности влияние различных характеристик импульсных СВЧ полей (длительности радиоимпульса, частоты заполнения, скважности, амплитуды, формы огибающей радиоимпульса), характеристик микросхем диэлектрических слоев, размеров активных микроструктурных элементов, их пространственной и структурной неоднородности) на развитие электротепловых процессов.

Основой для построения рабочей модели взаимодействия импульсного электромагнитного СВЧ излучения с микроструктурными элементами кристалла являются результаты экспериментальных исследований в волноводе, а также, ранее разработанная для микросхем с низким и средним уровнями интеграции численно-аналитическая модель взаимодействия электромагнитных СВЧ полей с микроструктурными элементами. Данная модель включает в себя решение дифракционной задачи для микросхемы в волноводе и решение электротепловой задачи для модели кристалла [58 - 67].

Решение дифракционной задачи для микросхемы в волноводе дает возможность найти значения полей вблизи кристалла [59, 62]. В электротепловой задаче эти значения полей являются исходными для нахождения напряжений, прикладываемых к разрядным цепям в кристалле [58 - 67].

Для современных микросхем, имеющих существенные отличия от, разработанных несколько десятилетий назад, разрабатываемая модель взаимодействия, и в первую очередь модель кристалла, требует существенной переработки. Необходимо, чтобы данные теоретических расчетов с использованием предлагаемой модели кристалла количественно соответствовали результатам экспериментальных исследований по воздействию ВИИЭМП на микросхемы.

Одним из наименее разработанных разделов физики приборов – это физические процессы и поведение приборов (микросхем, дискретных полупроводниковых приборов и приборов в составе микросхем) в напряженных токовых и тепловых режимах (неноминальный режим).

С учетом вышеизложенного в данном разделе рассматриваются основные положения модели взаимодействия высокоинтенсивных импульсных электромагнитных полей с микроструктурными элементами кристалла современных микросхем. Рассмотрены основные положения математического аппарата используемого в решении дифракционной задачи для микросхемы в волноводе и моделей ПТШ на GaAs и Si, позволяющие исследовать работу приборов в напряженных токовых и тепловых режимах.

Особое внимание уделяется анализу разрядных цепей и разработке электротепловой многослойной модели кристалла микросхем.

3.1. Основные составляющие модели взаимодействия импульсных СВЧ полей с микроструктурными элементами кристалла микросхем электродинамических характеристик микросхем, например, при прожоге определяющего воздействие на микроструктурные элементы. В этом случае имеет место нелинейная дифракция волн в СВЧ - диапазоне. Для микросхем экспериментально, так и теоретически. Это связано с тем, что масса и геометрические размеры микроструктурных элементов незначительны в сравнении с массой и размерами кристалла, выводов и корпуса.

Погрешность экспериментальных измерений и теоретических расчетов не позволяет выявить изменений в структуре полей при выгорании микроструктурных элементов. В этой связи достаточно один раз найти поле для характерного положения микросхемы в волноводе вблизи кристалла, чтобы анализировать лавинные и пробойные явления в цепи разряда, т.е.

решить линейную дифракционную задачу.

В электродинамическом плане характеристики макрокомпонент современных микросхем (корпус, выводы, подложка кристалла) практически не отличаются от микросхем с низким и средним уровнями интеграции.

Следовательно, имеющийся пакет программ, разработанный для решения дифракционной задачи для микросхем с низким уровнем интеграции, можно использовать для нахождения распределения полей вблизи кристалла современных ИМС. Этот пакет программ разработан сотрудниками кафедры радиофизики Таврического национального университета им. В.И.

Вернадского [58 - 67].

Ниже рассмотрены основные положения, касающиеся решения дифракционной задачи для современной микросхемы в волноводе.

3.1.1. Решение дифракционной задачи для современной микросхемы в волноводе Исходными для численного решения дифракционной задачи являются уравнения Максвелла:

где E m, H m – комплексные амплитуды напряженностей электрического и магнитного поля;

0, 0 – электрическая и магнитная постоянные;

, – относительные диэлектрическая и магнитная постоянные;

& – комплексная амплитуда плотности стороннего тока.

Анализ численных методов, проведенный в работах [58, 59, 62] показал, что для рассматриваемых объектов (микросхемы в волноводе) наиболее рационально применить декомпозиционный метод с использованием минимальных автономных блоков (МАБ) [104 - 110]. Микросхема и область вблизи нее разбиваются на автономные кубические блоки (рис. 3.1).

Матрицы рассеяния автономных блоков и поля в них находятся с помощью декомпозиции области, заключенной между плоскостями S1 и S2 (рис. 3.1), отделяющими дальнюю зону дифракции от промежуточной и ближней зон дифракции. Разбиение всей области между плоскостями S1 и S2 (рис. 3.1) и пространства внутри микросхемы может быть неравномерным (адаптивная сетка), что позволяет учесть особенности конструкции микросхем.

Для учета граничных условий между автономными блоками (стенки волновода, конструктивные особенности микросхемы) используются так называемые блоки перехода, учитывающие диэлектрические и проводящие свойства сред [106, 107].

Рис. 3.1. Представление исследуемой области в виде системы кубических Интегральные характеристики полей в волноводе в дальней зоне (за плоскостями S1 и S2,), такие как коэффициент отражения, коэффициент стоячей волны, ослабление, находятся с использованием процедуры рекомпозиции [107], с помощью которой производится переход от характеристик автономных блоков к характеристикам всей рассматриваемой области. Декомпозиционный метод предполагает нахождение только интегральных характеристик волноводного тракта. В то же время построение модели взаимодействия ВИИЭМП с микроструктурными элементами кристалла микросхем требует знания компонент поля в любой точке пространства с микросхемой, в частности вблизи кристалла. Для нахождения распределения полей в той или иной плоскости рассматриваемой области используются, предложенные в работе [111] специальные программные фильтры.

Программный пакет для решения волноводной дифракционной задачи позволяет вводить значения произвольных геометрических параметров металлодиэлектрических структур, в частности микросхем, вплоть до их ввода с чертежа. Естественно, что при этом фигурируют только макрокомпоненты – корпус, выводы и кристалл. С учетом этого на рис. 3. представлено типичное поперечное сечение микросхемы.

В работе производился расчет полей для микросхем в волноводе в пластмассовом и металлическом корпусах. В расчетах интегральных параметров (коэффициент отражения, КСВ и ослабление) и напряженности компонент поля задавались соответствующие значения геометрических параметров корпуса, выводов, подложки и кристалла.

Рис. 3.2. Сечение микросхемы: 1 – подложка; 2 – слой клея; 3 – основание корпуса; 4 – крышка ИМС; 5 – кристалл; 6 – выводы; 7 – защита При решении дифракционной волноводной задачи для микросхем в пластмассовом корпусе брались следующие значения диэлектрических проницаемостей: корпуса ИМС – КОР = 10, подложки – П = 7, кристалла – К = 7, клеевого слоя – КЛ = 10. В расчетах для микросхем с экраном = 1,4·107 Ом-1·м-1. Проводимость стенок волновода предполагалась бесконечной. Решение дифракционной задачи производилось в волноводе сечением 3472мм для микросхем с наибольшим размером корпуса микросхем l < 12мм и в волноводе сечением 4590мм для микросхем с l > 12мм.

Адекватность решения численной дифракционной задачи для модели микросхемы в волноводном тракте проверялась как на стандартных тестовых задачах, так и посредством сравнения с результатами, полученными с использованием современных автоматизированных пакетов по численному расчету СВЧ-структур (пакеты HFSS, Microwave Office). В качестве тестовых задач решались следующие классические задачи: прохождение волн через волноводный тракт со стандартными диэлектрическими неоднородностями и волноводный тракт с металлическими включениями. При проведении численных экспериментов осуществлялась также проверка баланса мощностей. Полученные данные показывают, что в зависимости от количества учитываемых гармоник (разработанная модель и программный пакет позволяли учитывать до 60 высших типов волн) погрешность в сравнении с теоретическими расчетами для тестовых структур находилась в пределах 2-5 % [58, 59].

Следующим этапом проверки достоверности решения волноводной дифракционной задачи является сравнение интегральных характеристик режима в волноводе с микросхемой (КСВ и ослабление), найденных численным методом и полученных экспериментально для современных ИМС.

непосредственному воздействию ВИИЭМП достаточно знать предельные возможности микросхем в двух ориентациях (рис. 2.2), чтобы иметь представление о том, как они ведут себя в произвольных положениях.

электромагнитных полей на модели ИМС и расчет полей вблизи микросхемы в волноводном тракте с учетом высших типов включает следующую последовательность действий [58 - 67]:

• построение модели исследуемой структуры (волноводный тракт и модель (декомпозиционная модель);

• определение матриц рассеяния, блоков «короткого замыкания» и блоков перехода для всех автономных блоков декомпозиционной модели;

• построение общей матрицы рассеяния исследуемой структуры (Sобщ) (операция рекомпозиции);

• задание параметров падающей электромагнитной волны;

• расчет амплитуд и фаз высших типов волн вблизи микросхемы в волноводном тракте;

• расчет структуры электромагнитных полей вблизи микросхемы;

• определение коэффициентов стоячей волны КСВ, ослабления А и определение напряжений, которые прикладываются к кристаллу микросхем.

На рис. 3.3 и рис. 3.4 представлены результаты расчетов и экспериментальных исследований зависимостей КСВ и ослабления от частоты для ATtiny15L (габаритные размеры корпуса 9,263,3мм) при двух положениях микросхемы в волноводе (рис. 2.2). Рассчитанные кривые отличаются от экспериментальных данных не более чем на 10%.

Расчеты показывают, что кристалл практически не оказывает влияния на значения интегральных и дифференциальных характеристик полей при дифракции на микросхеме в волноводе. Основное влияние на распределение полей волноводе и микросхеме обусловлено корпусом и выводами микросхемы, т.е. макрокомпонентами ИМС.

экспериментальными данными свидетельствует о возможности количественного описания дифракционных явлений на микросхеме в волноводе с помощью соответствующего пакета программ и возможности его использования для нахождения полей вблизи кристалла.

3.2. Модель кристалла и разрядные цепи современных микросхем микроструктурных элементах кристаллов микросхем с низким уровнем интеграции упрощенная модель кристалла представлялась в виде четырехслойной структуры (рис. 1.4): 1-й слой – подложка (Si), 2-й слой – диэлектрик (SiO2), 3-й слой – проводящие участки (Al), разделенные диэлектрическими вставками (SiO2), 4-й слой – диэлектрик (SiO2) [58, 62, 64].