Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса и постановка задач исследований 13
1.1 Физические механизмы нарушения работоспособности интегральных микросхем при воздействии импульсным радиоизлучением 13
1.2 Выводы 64
1.3 Постановка задач диссертационных исследований 65
2 Экспериментальные исследования нарушения работоспособности интегральных микросхем 73
2.1 Методика проведения экспериментальных исследований 73
2.2 Исследование эффектов воздействия радиоизлучения на интегральные микросхемы 78
2.3 Результаты исследований повреждения ИМС 90
2.4 Статистическая обработка результатов экспериментальных исследований 97
2.5 Физико-технический анализ поврежденных интегральных микросхем 102
2.6 Экспериментальные исследования воздействия радиоизлучения на СВЧ микросхемы 107
2.7 Выводы 112
3 Тепловая модель повреждения интегральных микросхем 115
3.1 Описание модели, основные результаты 116
3.2 Полиимпульсный режим тепловыделения 120
3.3 Тепловой пробой p-n-переходов с различной геометрией 126
3.4 Выгорание токоведущих линий 130
3.5 Оценка интенсивности радиоизлучения приводящего к повреждению микросхем 133
3.6 Выводы 139
4 Статистическая модель повреждения интегральных микросхем импульсным радиоизлучением 140
4.1 Результаты экспериментальных исследований 141
4.2 Модель накопления повреждений 142
4.3 Выводы 151
Заключение 152
Список литературы 157
Приложение Список публикаций по теме диссертационной работы 184
- Физические механизмы нарушения работоспособности интегральных микросхем при воздействии импульсным радиоизлучением
- Исследование эффектов воздействия радиоизлучения на интегральные микросхемы
- Оценка интенсивности радиоизлучения приводящего к повреждению микросхем
- Модель накопления повреждений
Введение к работе
Нарушения работоспособности изделий микроэлектроники зачастую связаны с сильными импульсными электрическими перегрузками в цепях электронных систем. В основе таких нарушений работоспособности, как правило, лежат отказы элементной базы - аналоговых или цифровых микросхем, диодов и т.д. Повышение стойкости элементной базы микроэлектроники (в том числе интегральных микросхем (ИМС), которые являются основными структурными элементами) к внешним воздействиям становится особенно актуальным в последнее время в связи с разработками^* мощных источников радиочастотного излучения [1-Ю] (случайные и преднамеренные воздействия, «электронный терроризм» [11-12]). Особенно остро этот вопрос стоит для «ответственных» устройств военной и гражданской техники, от нормальной работы которых зависит жизнь людей (датчики на АЭС, пилотажно-навигационное оборудование самолетов, кораблей и т.п.) или нарушение работы которых могут приводить к крупным материальным потерям (устройства хранения информации, ЭВМ) [13-21].
В этой связи задачи исследования физических механизмов повреждения и повышения стойкости элементной базы микроэлектроники к интенсивным электромагнитным импульсам излучения, как на уровне конструктивного исполнения изделий, так и на уровне логики их работы в составе радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) являются актуальными [22-31].
Требования по электромагнитной стойкости элементной базы, т.е. способности выполнять свои функции и сохранять параметры в пределах установленных норм во время, и после воздействия радиоизлучения, влияют на конструирование РЭА. Естественно, перед разработчиками возникает задача свести к минимуму нежелательные последствия, обусловленные действием внешнего радиоизлучения, путем рационального выбора существующей и разрабатываемой элементной базы, идущей на комплектацию аппаратуры, применение специальных схемотехнических, технологических и конструктивных решений. При этом эффективность принимаемых мер тем выше, чем на более ранних этапах разработки РЭА они реализуются.
Анализ экспериментальных исследований, проведенных другими авторами, показывает, что достаточно четких гипотез относительно механизмов пробоя и повреждения полупроводниковых элементов (диодов, транзисторов и ИМС) на сверхвысоких частотах пока что нет. Весьма і вероятно, что на высоких частотах действуют те же механизмы, что и в режиме видеоимпульса, однако эти механизмы (так же детально и подробно) не идентифицированы. По всей видимости, это связано со сложностью регистрации быстро протекающих процессов и изменений в структуре полупроводниковых элементов, происходящих при воздействии радиоимпульса. Поэтому практически все авторы ограничиваются описанием условий возникновения и констатацией внешних особенностей отказа, что, конечно, не позволяет точно установить физическую причину повреждений.
В работах, посвященных воздействию импульсного радиоизлучения на интегральные микросхемы, были получены данные в относительно узких диапазонах параметров излучения и поэтому носят отрывочный характер. Это также не позволяет установить какие-либо функциональные зависимости и проводить оценки областей параметров радиоимпульсов, при которых і обеспечивается работоспособность ИМС и РЭА в целом. Помимо этого предшествующие работы многое теряли из-за неопределенности в схемах и условиях испытания, вопросов контроля стойкости и регистрации результатов.
Практический интерес вызывают также вопросы определения зависимостей уровней помеховых сигналов, возникающих в ИМС, от параметров воздействующих радиоимпульсов и условий воздействия, > которые сегодня можно получить только экспериментальным путём. В связи с этим оценка стойкости ИМС экспериментальным путем является исключительно актуальной задачей.
Как известно [32-35], для описания повреждения полупроводниковых элементов используется модель, предложенная Воншем и Беллом [36] и впоследствии развитой Таска [37], которая описывает повреждение одного изолированного р-п перехода под действием одного импульса. При пол и импульсном воздействии появляются качественно новые особенности, связанные как с тем, что многие активные элементы ИМС (диоды, транзисторы), расположенные на кристалле, становятся полиимпульсными источниками тепловыделения, так и со статистическим характером повреждения полупроводниковых приборов. Однако в литературе практически отсутствует анализ характеристик повреждения микросхем, связанный с полиимпульсным характером излучения.
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию физических механизмов и эффектов, приводящих к нарушению работоспособности интегральных микросхем в интенсивных электромагнитных полях импульсного радиочастотного диапазона.
Целью работы является исследование физических механизмов повреждения ИМС и нахождение плотности потока энергии (интенсивности) электромагнитного излучения, приводящего к нарушению работоспособности ИМС в широкой области параметров излучения — длительности, частоты повторения импульсов и несущей частоты излучения.
Основная часть работы носит экспериментальный характер. Она содержит разработку и описание методик проведения экспериментов и анализ полученных результатов.
Теоретические исследования включают моделирование физических процессов, вызывающих необратимые отказы интегральных микросхем. Для объяснения наблюдаемых эффектов при отказах ИМС в зависимости от длительности импульсов использована тепловая модель, а для объяснения зависимости от частоты повторения радиоимпульсов предложена и проанализирована модель накопления повреждений.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается: - корректностью использования математического аппарата и методов испытаний; сравнением полученных данных с результатами других авторов; сравнением результатов моделирования с полученными экспериментальными данными; апробацией и публикациями основных результатов исследований; - результатами внедрения разработанных методов и рекомендаций в практику.
Содержание диссертационной работы по главам.
Первая глава содержит обзор литературы, посвященной вопросам нарушения работоспособности полупроводниковых приборов, в том числе ИМС, под действием мощных электромагнитных импульсов.
На основе анализа экспериментальных и теоретических исследований, проведенных другими авторами, сформулированы задачи для достижения поставленной в диссертационной работе цели.
При решении этих задач использовались теория электромагнитного поля, теоретические и экспериментальные методы исследования, принципы системного анализа и математического моделирования.
Во второй главе представлены методика [38] и результаты экспериментальных исследований по необратимым отказам интегральных микросхем в электромагнитных полях интенсивного радиоизлучения [39-44]. Исследования проводились на мощных СВЧ установках, работающих в импульсно-периодическом режиме. Представлены результаты исследований более чем 200 образцов ИМС, выполнен анализ и проведена статистическая обработка полученных данных. Проведен физико-технический анализ поврежденных интегральных микросхем.
Изучены физические механизмы и эффекты, приводящие к нарушению работоспособности интегральных микросхем. Исследованы зависимости возникающих эффектов от ориентации, длины выводов интегральных микросхем, параметров радиоизлучения (интенсивности, длительности и частоты повторения радиоимпульсов).
Третья глава посвящена развитию тепловой модели вторичного пробоя применительно к микросхемам при различных длительностях и частотах повторения импульсов [45-47]. В рамках тепловой модели рассматриваются виды источников тепловыделения, учитывается наличие большого числа таких источников тепловыделения на кристалле микросхемы.
Проведена оценка уровней интенсивности импульсного радиоизлучения, приводящего к повреждению ИМС. На основе методологии, разработанной в [48,49], проводился анализ способ проникновения СВЧ излучения (точки входа) в микросхему и путей его прохождения к возможным уязвимым элементам микросхемы [50-53]; с использованием развитой тепловой модели определяется уровень интенсивности импульсного радиоизлучения, необходимого для повреждения наиболее уязвимого элемента микросхемы.
Четвертая глава посвящена построению модели накопления повреждений при воздействии последовательности импульсов радиоизлучения и статистическому анализу вероятности отказа ИМС от числа и интенсивности воздействующих СВЧ-импульсов [54-59].
В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы.
Научная новизна.
Разработана методика, на основе которой получены экспериментальные результаты для интенсивности радиоизлучения (приводящего к необратимым отказам широкого класса ИМС) в области параметров излучения (длительностей и частоты повторения импульсов, несущей частоты излучения), в которой ранее исследования не проводились.
Развита тепловая модель разрушения элементов ИМС мощными и частыми по сравнению с тепловыми константами радиоимпульсами. При расчете тепловых процессов, приводящих к тепловому пробою р-n перехода ИМС, впервые аналитически осуществлен учет нескольких источников тепловыделения на кристалле ИМС и полиимпульсный характер тепловыделения.
Предложена модель накопления повреждений при действии редко следующих (с паузой между импульсами, большей тепловых постоянных) и относительно слабых импульсов. В рамках модели накопления повреждений определена и физически обоснована зависимость энергии отказа от частоты повторения радиоимпульсов. Практическая ценность.
На основе разработанной методики и полученных в диссертации данных можно проводить оценки стойкости элементной базы изделий радиоэлектроники к воздействию интенсивного радиоизлучения и принимать* соответствующие этим оценкам меры защиты.
Предложен способ оценки параметров радиоизлучения, приводящего к повреждению существующих и перспективных ИМС. Внедрение результатов диссертационной работы. Результаты диссертационной работы были использованы при проведении НИР в ФГУП «МРТИ РАН», основные результаты вошли в научно-технические отчеты. Личный вклад автора.
Результаты, составляющие основу диссертации, получены автором лично. В опубликованных работах по теме диссертации с соавторами автору диссертации принадлежат разработка методики проведения экспериментальных исследований, построение моделей и проведение численных исследований, анализ и интерпретация полученных теоретических и экспериментальных результатов.
Апробация результатов работы.
Основные результаты исследований, приведенных в диссертации, представлены и обсуждались на ведущих международных отечественных и зарубежных конференциях и симпозиумах:
Всесоюзный симпозиум по проблемам электромагнитной совместимости технических средств, Суздаль, 1991
9-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуни-кационные технологии», Севастополь, 1999
10-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуни-кационные технологии», Севастополь, 2000
11-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуни-кационные технологии», Севастополь, 2001
14-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуни-кационные технологии», Севастополь, 2005
15-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и: телекоммуни-кационные технологии», Севастополь, 2006
18-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуни-кационные технологии», Севастополь, 2008
20-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуни-кационные технологии», Севастополь, 2010 - IV Всероссийская научно-техническая конференция «Радиолокация ирадиосвязь», Москва, 2010.
Публикация результатов работы.
По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа, в том числе, 8 статей в журналах, рекомендованных ВАК для публикации научных результатов диссертаций. Основные результаты представлены также в материалах российских и международных конференций.
Объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемой литературы и двух приложений. Материал
Диссертационной работы изложен на 187 листах машинописного текста, содержит 71 рисунков, 4 таблицы. Список литературы включает
239 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту. ' Методика проведения исследований отказов интегральных микросхем в электромагнитных полях интенсивного импульсного радиоизлучения. Методика предусматривает проведение комплекса измерений контрольных параметров таких, как несущая частота радиоизлучения, плотность потока энергии, длительность импульса, частота повторения радиоимпульсов, поляризация и угол падшия мощного радиоизлучениЯ; а также конструктивные и функциональные характеристики, микросхем. Созданный
Для реализации этой методики набор экспериментальных приспособлений позволяет уменьшить разброс и повысить стабильность определения уровня повреждений (стойкости) ИМС при значительном разнообразии типов микросхем и различии режимов их функционирования. На основе разработанной методики определены значения интенсивностей радиоизлучения, приводящего к повреждению ИМС в широком диапазоне значений длительностей и частот повторения импульсов.
2. Тепловая модель повреждения ИМС в электромагнитных полях импульсного радиоизлучения. В основе разработанной модели лежит
Утверждение, что падающее излучение создает СВЧ токи и напряжения на всех выводах интегральной микросхемы. В результате источниками тепловыделения становятся многие элементы ИМС, причем не только р-п- переходы, резисторы и омические контакты, но и токоведущие линии, сопротивление которых возрастает с увеличением несущей частоты радиоимпульсов.
Для достаточно длинных импульсов (область стационарного распределения тепла в модели Вонша-Белла), например, энергия повреждения р-п перехода Ес пропорциональна длительности импульса г. Однако, когда области интенсивного перегрева от разных источников тепловыделения начинают перекрываться, то энергия повреждения становится пропорциональна Vr.
При полиимпульсном режиме тепловыделения происходит накопление тепла в верхних слоях чипа микросхемы (где расположены активные элементы), когда частота повторения радиоимпульсов F достаточно велика: F>I/rD (т< td = D2/4k, D- толщина кристалла ИМС, к температуропроводность полупроводника). Перекрытие тепловых потоков от разных элементов микросхемы приводит к тому, что с увеличением частоты F происходит уменьшение мощности импульсов, достаточной для повреждения р-и-переходов в этих верхних слоях чипа ИМС.
3. Модель накопления повреждений ИМС в интенсивных импульсных полях радиоизлучения, описывающая процессы повреждения ИМС относительно слабыми импульсами, длительность паузы между которыми настолько больше тепловых постоянных, что эффект накопления тепла отсутствует. В отличие от тепловой модели модель накопления повреждении утверждает, что действие одного импульса приводит к несущественным для работы ИМС локальным изменениям структуры и выход прибора из строя, происходит при достижении критического числа дефектов. Наблюдаемое уменьшение мощности повреждения с увеличением частоты повторения импульсов обусловлено тем, что повреждение полупроводникового элемента происходит путем создания при этом большего числа локальных дефектов.
Вывод из строя ИМС одним мощным импульсом требует формирования одного крупного дефекта, эквивалентного закритическому набору локальных повреждений.
Физические механизмы нарушения работоспособности интегральных микросхем при воздействии импульсным радиоизлучением
Падающее радиоизлучение создает СВЧ наводки (токи и напряжения высокой частоты) на металлических выводах интегральной микросхемы (см. рис. 1.1). Амплитуды наводок существенно зависят от размеров, формы, ориентации её выводов, параметров излучения и т.д. [61-63]. Эти высокочастотные колебания, сформированные на выводах, попадают на элементы ИМС - резисторы, диоды, транзисторы. Часть мощности при этом поглощается ими, приводя к нагреву, часть переотражается, а часть детектируется на нелинейных элементах ИМС. помехи и обратимые отказы с восстановлением нормальных характеристик и параметров после прекращения воздействия СВЧ излучения; - деградационные изменения параметров и характеристик с медленным ухудшением технических характеристик микросхем в процессе эксплуатации и возможным выходом рабочих параметров за пределы установленных допусков; - быстрые «катастрофические» отказы с необратимым нарушением работоспособности. Помехи и обратимые отказы возникают при сравнительно низких уровнях мощности радиосигналов. Они, в частности, могут быть связаны с детектированием радиоизлучения в диодах и транзисторах микросхем. Деградационные изменения наблюдаются при промежуточных значениях средней мощности радиоизлучения и энергии импульсов. Катастрофические отказы, обусловленные воздействием мощного излучения, связаны с выделением тепла в локальной области микросхемы, с проплавлением полупроводника, выгоранием контактных элементов, металлизации, пробоями подзатворных диэлектриков. Существенное влияние на критические уровни мощности радиоизлучения, вызывающие катастрофические отказы, оказывают "скрытые дефекты" материалов и конструктивно-технологические особенности микросхем (технология, топология ИМС, тип корпуса, выводов и т.п.). Уровни повреждения полупроводниковых активных элементов (в том числе и микросхем) в значительной степени будут определять степень повреждения электронной аппаратуры в целом. Системы сантиметрового диапазона волн чаще всего работают в области коротких импульсов (длительностью не более сотни микросекунд). При этом средняя мощность может быть сравнительно небольшой. Именно такие импульсные режимы облучения ИМС и их катастрофические отказы будут рассматриваться в данной диссертационной работе. Обратимые отказы ИМС в электромагнитных полях радиоизлучения Важнейшим эффектом, определяющим обратимое воздействие СВЧ излучения на ИМС, является детектирование СВЧ наводки на ее нелинейных элементах. Детектирование называется процессом преобразования модулированного электрического колебания высокой частоты в напряжение (или ток) изменяющийся по закону модуляции. Детектирование является беспороговым эффектом, однако, из-за особенностей нелинейной вольтамперной характеристики (ВАХ) при малой интенсивности излучения амплитуда продетектированиых токов оказывается слишком малой. В работах [52,53] представлены результаты экспериментальных исследований динамики изменения параметров детекторных диодов под действием коротких СВЧ импульсов. Зависимость амплитуды сигнала, регистрируемого на детекторе, от мощности имеет вид и (РСвчУ- На малых уровнях мощности (до 100 мкВт) диодный детектор работает (с постоянным смещением) в режиме квадратичного детектирования, при этом у= 1. Форма сигнала, регистрируемого на детекторе, воспроизводит зависимость мощности радиоимпульса от времени. С увеличением мощности импульса происходит плавное уменьшение показателя у При увеличении мощности радиоимпульса от уровня более 200 мВт для исследуемых диодов наблюдается плавный переход к насыщению, /— 0. В этом режиме форма импульсов заметно искажается — длительность импульсов по полувысоте возрастает, фронт импульса становится круче, а вершина становится более плоской. Эффект насыщения связан с выходом мгновенного значения напряжения на диоде в область электрического пробоя, когда максимальное значение напряжения на диоде становится больше напряжения пробоя на обратной ветви его ВАХ. В области насыщения амплитуда выходного сигнала не меняется с ростом мгновенной мощности Рсвч, так как в области больших токов и напряжений диод ведет себя как линейный элемент (резистор), а продетектированный сигнал «набирается» в области мгновенных значений напряжения на диоде меньших напряжения пробоя. При дальнейшем увеличении мощности радиочастотного сигнала продетектированный импульс приобретает «двугорбую» форму. Провал начинает формироваться в тот момент, когда Рсвч достигает максимума. С увеличением мощности вся задняя часть импульса значительно уменьшается и может появиться сигнал другой полярности.
На рис. 1.2, например, представлены осциллограммы сигналов с диодов Д604, для высоких уровней мощности радиоимпульса в тракте детектора. Длительность радиоимпульса составила 35 не, значения мощности представлены на рисунках. Нижняя осциллограмма (помечена «1») получена с детекторной секции измерительного канала, она воспроизводит огибающую радиоимпульса по мощности. На рис. 1.2а осциллограмма имеет характерную «двугорбую» форму, а на рис. 1.26 - появляется импульс отрицательной полярности, предвестник теплового пробоя р-п перехода.
Исследование эффектов воздействия радиоизлучения на интегральные микросхемы
Измерения плотности потока энергии ППЭ (интенсивности I) проводилось в два этапа. Сначала измерялось среднего значения ППЭср с помощью ваттметра МЗ-22А, термисторной головки М5-42 и калиброванной приемной антенны (рупора) с известной эффективной площадью раскрыва. После этого плотность потока энергии определить по измеренному значению ППЭср: niJ3=Q-ITIJ3cp, где Q=l/(Ff) - скважность, F - частота повторения импульсов, т - длительность импульсов по уровню половинной мощности).
Одновременно контролировались форму и амплитуду радиоимпульсов с помощью детектора. Этот контроль продолжается и после измерения ППЭ, чтобы избежать изменения ППЭ падающего на ИМС радиоизлучения во время испытаний.
Монтажно-испытательная колодка с микросхемой 3 помещалась в поле излучения СВЧ генератора 1 в безэховой камере 6 (вместо канала измерения ППЭ), так чтобы вектор электрического поля был направлен вдоль выводов ИМС + прямой участок токоведущих линий. По экранированным кабелям 7 на ИМС подавалось питание 8 и входные сигналы от генератора импульсов (ГИ) 9. Сигналы с входов, выхода и цепи питания микросхемы подавались на осциллограф 10. Запуск генератора радиоимпульсов и ГИ производился от единого источника синхросигнала 12. Это позволяло вводить контролируемую временную задержку между импульсом от ГИ, подаваемым на ИМС и радиоимпульсом. Вся измерительная аппаратура и аппаратура, обеспечивающая рабочий режим микросхемы, устанавливалась вне зоны облучения, в экранированном помещении 13. При проведении экспериментов, режимы облучения микросхем начинались с минимального уровня ПГТЭ, и минимальной частоты следования радиоимпульсов, чтобы не пропусти начало деградационных процессов в ИМС. В каждой последующей серии облучения производилось увеличение уровня мощности радиоимпульсов ориентировочно в 1.5..2 раза. После каждого воздействия проводился контроль параметров ИМС по показаниям приборов контрольно-проверочной аппаратурой. Такой режим работы сохраняется до достижения эффекта необратимого отказа или повреждения ИМС. При достижении необратимого отказа или повреждения ИМС, фиксируется время облучения /отказа и параметры радиоизлучения (значения ППЭ, F, т). Время воздействия радиоизлучения на микросхему отслеживать по осциллографу и таймеру. Затем меняется ИМС, и испытания повторяются до достижения обратимого отказа или повреждения. Результаты опытов заносятся в протокол. Основной целью экспериментальных исследований являлось определение интенсивности радиоизлучения, приводящего к повреждению ИМС. На первом этапе были выполнены исследования зависимости восприимчивости микросхем от взаимной ориентации выводов ИМС и вектора электрического поля Е в падающей волне и других факторов. Количественной мерой восприимчивости ИМС служила амплитуда сигнала помехи, формируемого в ИМС под действием СВЧ излучения. Выполненные исследования, в частности, показали возможность использования «антенной модели» (см. ниже) для описания воздействия СВЧ излучения на элементы радиоэлектронной аппаратуры. В качестве объектов исследований использовались ИМС различных типов. Наиболее простой для анализа является ИМС 133ЛДЗ, с которой была выполнена большая серия экспериментов. На рисунке 2.5 представлен внешний вид ИМС. Во внешнем электромагнитном поле на выводах ИМС (рис. 2.5) формируется СВЧ наводка, которая по токоведущим линиям поступает на элементы ИМС (диоды, транзисторы), расположенные на кристалле. При сравнительно невысоком уровне мощности сигнала наводки происходит его детектирование на нелинейных элементах и формирование видеосигнала. При высоком уровне мощности возможно повреждение р-п переходов, токоведущих линий или контактных площадок. Наиболее уязвимыми оказываются входные элементы ИМС, на которые сигнал СВЧ наводки поступает непосредственно с выводов ИМС. В качестве примера рассмотрен входной (защитный) диод VD4 ИМС 133ЛДЗ, который непосредственно соединен с выводами 13 и 7 микросхемы. Электрическая схема входных цепей микросхемы представлена на рисунке 2.6. Геометрия ИМС такова, что выводы ИМС имеют вид близко расположенных симметричных вибраторов, а сам диод и соединенные с ним элементы ИМС являются нагрузкой. Для расчета сигналов СВЧ наводки, поступающих на диод, можно использовать результаты теории вибраторных антенн. Эквивалентная схема диода с нагрузкой, подключенных к вибраторной антенне, представлена на рисунке 2.7. Выводы ИМС представляются в эквивалентной схеме генераторами ЭДС () с внутренним сопротивлением ZA(co), комплексный импеданс диода Zflco), другие элементы, имеющие соединение с выводами - нагрузкой с импедансом ZH(CU). Для исследования зависимости эффектов нарушения работоспособности микросхемы от взаимной ориентации вектора электрического поля Е и выводов ИМС помещалась в электромагнитное поле с вертикальной поляризацией. На рисунке 2.8 дана схема расположения микросхем относительно вектора электрического поля падающего излучения. Затем, положение микросхемы последовательно изменялось, как показано на рисунке 2.8.
Например, для ИМС 564ЛН2, при интенсивности излучения 5 Вт/см", при ориентации 1 на выходе ИМС амплитуда наводки составила -2,4 В, ориентации 2 - амплитуда наводки составила —1,6 В, а ориентации 5 - 0,1 В. Максимальная амплитуда наводки достигалась при ориентации выводов вдоль вектора электрического поля, а минимальная - при ортогональной ориентации.
Для ИМС в пластиковом корпусе (выводы перпендикулярны плоскости корпуса), наименьшая амплитуда помехового сигнала была у микросхем при ориентации г, д рисунка 2.8. Наибольшая амплитуда помехового сигнала была при ориентациях а, б рисунка 2.8.
Оценка интенсивности радиоизлучения приводящего к повреждению микросхем
Как отмечалось выше, необратимые повреждения микросхем под действием электромагнитных импульсов чаще всего обусловлены тепловым пробоем р-п (или МОП) переходов, когда происходит большое локальное тепловыделение в области электрического пробоя. В общем случае, геометрия области тепловыделения зависит от размеров р-п перехода и его формы. В ИМС р-п переходы могут иметь достаточно сложную форму, в том числе участки цилиндрической формы.
Исследования зависимости энергии повреждения от формы области тепловыделения представляет интерес и в связи с возможностью неоднородного по площади р-п перехода пробоя.
Для того, чтобы оценить как зависит энергия повреждения Ес(т) от формы области тепловыделения, в данном подразделе будет рассмотрено решение тепловой задачи для области тепловыделения имеющей форму цилиндра и шара,[45]. За исключением специальных структур с малой площадью перехода, лавинный пробой начинается по узким каналам, в областях локального повышения амплитуды электрического поля. Такие неоднородные состояния могут возникать из-за дефектов структуры или на краях переходов, где имеется локальное усиление поля [141]. Они, в частности, приводят к хорошо известному явлению микроплазменного пробоя в р-п переходах. При медленном нарастании поля и достаточно длинных импульсах электромагнитного поля (когда длительности импульса т превышает тепловую постоянную р-п, перехода ті) эти каналы расширяются за счет диффузии носителей и тепла, и можно считать разогрев объема р-п перехода однородным. Однако, в режиме коротких импульсов (г ті) этого перекрытия каналов не происходит. Локализация тока в малом объеме, по сравнению с р-п переходом, приводит к снижению энергии повреждения в адиабатической области Ванша-Белла (1). Рассмотрим случай, когда область тепловыделения в р-п переходе имеет форму шара радиусом а и объемом и. Близкая ситуация может возникнуть при тепловыделении в р-п переходе с точечными контактами. Энергия повреждения перехода определяется из условия достижения критической температуры Т = Тс, соответствующей структурным превращениям полупроводника. Для расчета энергии повреждения определим профиль температуры из решения уравнения теплопроводности (3.1) с источником, равномерно распределенным по объему шара. Максимум температура перехода Ттах, будет находиться в центре шаровой области R = 0. Для области тепловыделения в виде шара характерно линейное увеличение энергии выгорания от длительности импульса т при т» та. Следует отметить, что при тепловой постоянной Г/» та, размеры областей тепловыделения в виде шара и цилиндра меньше размеров р-п перехода, то это приводит к отклонению от формулы (1) в области адиабатического нагрева. Локализация тока в малом объеме происходит и в токоведущих линиях микросхем. Как показала дефектация поврежденных ИМС после воздействия на них интенсивных импульсов излучения, в значительном числе образцов повреждены токоведущие линии. Области повреждения локализованы, как правило, на углах поворота и иных неоднородностях токоведущих линий. Это определяется профилем неоднородного распределения плотности тока, которое приводит к локализации тепловыделения [45].
Поскольку плавление токоведущей линии происходит при превышении критической плотности токау е, зависящей от длительности импульса тока и охлаждения токоведущей линии, то критическая плотность тока для токоведущей линии определяется из условия достижения максимальной температуры плавления Тс. Оценим величину jc.
Под действием импульса электрических перегрузок длительностью т в проводнике сечением S возникает плотность тока у = all/1, где U - разность потенциалов на участке проводника длиной /. Энергия, выделяющейся на проводе длиной /, Е = Рт= iUx, где i=jS - ток, приводит к разогреву проводника. Если импульс т достаточно короткий, то теплоотводом от проводника можно пренебречь, и энергия теплового импульса, вызывающего нагрев до температуры плавления Тпл и плавление участка проводника длиной /, имеет вид Е = (CAT+AHlpSl, С, АН - удельные теплоемкость и теплота плавления полупроводника, AT = Tm0, Т0 - начальная температура проводника.
Модель накопления повреждений
Наиболее распространенными механизмами повреждения ИМС являются вторичный пробой, плавление металлизации, пробой диэлектрика.
Вторичный пробой в режиме коротких высокочастотных импульсов связан с попаданием рабочей точки в область электрического пробоя (на обратной ветви В АХ), резким увеличением тока через прибор значительным тепловыделением в области р-п перехода и последующим тепловым повреждением структуры. Чаще всего наблюдается проплавление локальных областей эмиттера входных транзисторов и р-n переходов защитных диодов. Плавление токоведущих линий обычно наблюдается на углах поворота и дефектах структуры. Пробой диэлектрика наблюдается в затворах КМОП ИМС, когда напряжение на затворе достигает величины, определяемой электрической прочностью материала окисла. Все механизмы имеют низкие пороги возникновения из-за малых геометрических размеров характерных областей в ИМС и наличия дефектов.
Будем считать, что повреждение ИМС связано с повреждением одного, наиболее чувствительного элемента, например, входного диода. Аналогичным образом может быть рассмотрено и повреждение токоведущих линий ИМС. Будем также предполагать, что под действием радиоимпульса достаточно большой интенсивности происходит образование дефектов структуры выпрямляющего контакта диода, приводящих к изменению его характеристик. Такой характеристикой может быть, например, дифференциальная проводимость p(t) выпрямляющего контакта. Дефектами могут быть области локального плавления полупроводниковой структуры (или токоведущей линии). Под действием одного импульса перегрузки параметр p(t) изменяется на 8р. Изменение характеристик прибора будет связано с отклонением величины p(t) от номинального значения ра, характеризующего исправный прибор. При достижении некоторого критического значения p(t) = рс, будет происходить повреждение прибора. Размеры дефекта зависят от энергии импульса, а их число определяется структурой полупроводника, его однородностью. Количество импульсов, приводящих к повреждению полупроводникового элемента, может изменяться от образца к образцу. Наблюдаемое уменьшение мощности импульсов, вызывающих повреждение диода, с увеличением частоты повторения обусловлено тем, что повреждение полупроводникового элемента может происходить путем создания большого числа дефектов. Энергия образования каждого из них сравнительно невелика. Для повреждения элемента одним импульсом требуется создание одного большого дефекта, при этом для его создания требуется значительная энергия.
Изменение параметра р под действием одного мощного радиоимпульса длительностью г будет пропорционально скорости процесса повреждения r(t). Для оценки скорости изменения параметра р используем активационную теорию Аррениуса, в соответствии с которой
Повреждение и образование дефектов в структуре р-п перехода обусловлено его интенсивным разогревом под действием радиоимпульсов. Температура выпрямляющего контакта T/t) в уравнении (4.4) может быть определена из решения уравнения теплопроводности. В работах [56 - 57] был рассмотрен один изолированный р-n переход на кристалле. Если ИМС находится во внешнем поле, то интенсивная высокочастотная наводка формируется одновременно на всех выводах микросхемы и рассеивается на большом числе элементов, в том числе на р-п переходах, токоведущих линиях, контактных площадках. Из-за этого радикально меняются тепловые режимы, а также статистические особенности эффектов повреждения.
Действительно, источниками тепловыделения на кристалле ИМС является большое число элементов, расположенных на его внешней поверхности. Полную мощность всех источников можно оценить из соотношения Р 8ЭФФ-ППЭ, где S-ЗФФ - эффективная площадь микросхемы, примерно равная геометрической площади, определенной по внешнему периметру контактов ИМС. Для цифровых ИМС среднее расстояние между элементами на поверхности кристалла составляет 21 & 10...80 мкм. Для микросхем с высокой степенью интеграции это расстояние составляет несколько микрометров. Из решения уравнения теплопроводности (см. раздел 3.1) следует, что на малых временах / "Г/=/7лг {к температуропроводность полупроводника) каждый из источников тепловыделения может рассматриваться независимо от других, а на временах t і/ тепловые потоки от источников перекрываются и формируют почти плоский тепловой фронт, распространяющийся к нижней поверхности кристалла. Тепловая постоянная Г/ составляет единицы микросекунд. Таким образом, при решении тепловой задачи на временах больших т{ можно считать, что источник тепловыделения имеет равномерную плотность и расположен в слое толщиной h у внешней поверхности кристалла (см. раздел 3.2). Плотность мощности можно оценить из соотношения д = P/(Sh), где Р -суммарная мощность источников тепловыделения (постоянна в течение действия импульса), S - площадь верхней поверхности кристалла ИМС, где расположены источники тепловыделения. Верхняя и боковые поверхности кристалла теплоизолированы, а на нижней поверхности имеется идеальный тепловой контакт с корпусом микросхемы и поддерживается постоянная температура Т0. Решение тепловой задачи было выполнено в раздел 3.2. Распределение температуры T(0,t) определялось выражением (3.5) с учетом (3.6).
