МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2009, том 38, № 4, с. 284-301
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРИБОРОВ И СТРУКТУР МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.3.049.77:539.1.043
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОДИНОЧНЫХ ИМПУЛЬСОВ НАПРЯЖЕНИЯ, ВЫЗВАННЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ, НА ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ
© 2009 г. К. А. Епифанцев, О. А. Герасимчук, П. К. Скоробогатов
ЭНПО Специализированные электронные системы, Москва E-mail: prskor@spals.ra Поступила в редакцию 16.12.2008 г.
Предложена система оценки уровней стойкости ПП и ИС к одиночным импульсам напряжения, вызванных воздействием электромагнитных импульсов. Она позволяет унифицировать условия испытаний, что дает возможность сравнения уровней стойкости различных ПП и ИС, в том числе функционально сложных, к одиночным импульсам напряжения. Выбраны и обоснованы параметры генератора одиночных импульсов напряжения, используемого для определения импульсной электрической прочности ПП и ИС. Разработаны генератор одиночных импульсов напряжения и установка для испытания функционально сложных ИС к одиночным импульсам напряжения, позволяющие контролировать уровень стойкости по различным эффектам - обратимым и необратимым. Разработана методика определения импульсной электрической прочности ИС, позволяющая выявлять параметрические и функциональные отказы в процессе испытаний. Приведены результаты серии экспериментов по исследованию воздействия одиночных импульсов напряжения на ряд ИС, подтвердившей эффективность разработанных методов и средств определения импульсной электрической прочности ИС.
PACS: 85.30.De
1. ВВЕДЕНИЕ
Обеспечение функционирования современных электронных устройств и систем требует обязательного учета влияния на их работу электромагнитных импульсов естественного и искусственного происхождения. Для аппаратуры специального назначения необходим учет влияния электромагнитных импульсов, сопровождающих действие ионизирующих излучений ядерного взрыва [1, 2].
Практическое отсутствие непосредственного влияния полей электромагнитных импульсов на ПП и ИС [3] сводит задачу анализа воздействия электромагнитных импульсов к задаче определения поведения элемента под действием наведенных одиночных импульсов напряжения. Основную сложность в решении такой задачи составляет большое разнообразие возможных воздействующих сигналов, связанное с сильной зависимостью параметров наводки от пространственно-топологической организации электрических связей в системе, формы и ориентации составляющих электромагнитного поля, наличия и расположения окружающих конструктивных элементов и т.п. Поэтому необходима унификация условий испытаний, позволяющая производить оценку стойкости ПП и ИС к одиночным импульсам напряжения независимо от условий ее будущего применения и позволяющая сравнивать
между собой различные элементы по стойкости к перенапряжениям.
Унифицированные условия испытаний должны обеспечивать воспроизведение типовых сигналов наводки от электромагнитных импульсов, возможность активизации и управления основными существующими механизмами повреждения ПП и ИС, а также возможность контроля уровня воздействия и определения пороговых уровней повреждения изделий.
2. ОЦЕНКА НАВОДИМЫХ ИМПУЛЬСОВ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ
Многие виды человеческой деятельности сопровождаются образованием мощных электромагнитных импульсных полей, способных существенно осложнить работу радиоэлектронных устройств и систем. Одним из самых мощных источников электромагнитных импульсов является ядерный взрыв [1]. Отличительной особенностью электромагнитных импульсов ядерного взрыва являются большие размеры области влияния (до нескольких десятков километров при наземных и воздушных взрывах и до сотен километров при высотном ядерном взрыве), а также высокие уровни напряженностей электромагнитных полей (десятки киловольт на
метр по электрической составляющей и сотни ампер на метр по магнитной составляющей), которые могут вызвать поражения электронных устройств на значительных расстояниях [2].
Достаточно высокими уровнями электромагнитных импульсов обладает такое природное явление как грозовой разряд (молния). Причем для современной электронной аппаратуры, построенной с использованием больших ИС, опасность представляют не только прямые воздействия грозового разряда, но и электрические сигналы, наведенные разрядными токами молнии в ближней зоне (непрямой разряд молнии [4]).
Большую опасность для аппаратуры представляют и поля электромагнитных импульсов, вызванные коммутационными разрядами силовой аппаратуры [5].
Анализ эффектов, возникающих в электронной аппаратуре при воздействии электромагнитных импульсов, показывает, что уровень ее стойкости определяется, в основном, процессами, происходящими в наиболее чувствительных элементах, таких как ПП и ИС [2]. Возникающие при этом физические эффекты можно разделить на две основные группы: непосредственные и косвенные. К непосредственным эффектам относятся явления, связанные с влиянием компонент электромагнитного поля на процессы переноса заряда в полупроводнике (гальваномагнитные, эффекты поля и т.п.). Косвенные эффекты обусловлены воздействием на элементную базу токов и напряжений, возникающих в электрических соединительных цепях аппаратуры под действием электромагнитной наводки от электромагнитных импульсов [6, 7].
Спектральная плотность энергии электромагнитного импульса ядерного взрыва такова, что большая часть энергии импульса сосредоточена в области частот до 108 Гц, что соответствует длине волны излучения около 3 м. Это означает, что по отношению к характерным размерам ПП и ИС электромагнитный импульс ядерного взрыва является квазистационарным. Исследования, проведенные к настоящему времени [2, 7, 8], показывают, что в большинстве практических случаев непосредственным влиянием квазистационарного электромагнитного поля с напряженностями электрической компоненты до 100 кВ/м и магнитной - до 600 А/м на параметры элементной базы можно пренебречь. Исключение составляют отдельные образцы маг-ниточувствительных приборов типа магнитодиодов с длинной базой и магниточувствительных транзисторов.
Поэтому современные нормативные документы [9] не предъявляют к ПП и ИС требований по стойкости к электромагнитным импульсам, а указывают на необходимость проведения определительных испытаний с целью оценки фактического уровня стойкости изделий к воздействию одиночных им-
пульсов напряжения, вызванных электромагнитными импульсами. В этих условиях задача анализа влияния одиночных импульсов напряжения, наводимых электромагнитными импульсами на ПП и ИС устройств вычислительной техники и систем управления, сводится к двум более частным:
- определение параметров косвенной помехи (наводки), создаваемой электромагнитными импульсами на электрических межсоединительных цепях электронных устройств, в том числе на выводах ПП и ИС;
- анализ поведения элемента (ПП или ИС) под действием наведенных одиночных импульсов напряжения.
Первая задача решается методами и средствами классической электродинамики, основанными на решении уравнений Максвелла для конкретной геометрии электронного устройства в поле электромагнитных импульсов [1, 2, 8]. Результатом решения являются параметры эквивалентных генераторов одиночных импульсов напряжения и их импедансы по отношению ко всем выводам исследуемого ПП и ИС. Отличительной особенностью наведенных электромагнитных импульсов токов и напряжений является их сильная зависимость от положения аппаратуры относительно направления векторов электрического и магнитного полей, конфигурации и взаимного расположения электрических цепей и контуров, номиналов элементов схем, качества экранирования и способа заземления.
Точный расчет параметров генераторов наводки с учетом параметров поля, ориентации и сложной внутренней геометрии устройства крайне затруднителен. Поэтому на практике оценивают сигналы, наведенные на самых протяженных соединительных элементах, подключенных к наиболее чувствительным выводам элементов, для самой неблагоприятной ориентации поля электромагнитных импульсов (вызывающей появление максимальных наведенных сигналов).
Решение второй задачи может быть получено на основе решения систем нелинейных уравнений, описывающих поведение ПП и ИС на электрическом и физическом уровнях под действием одиночных импульсов напряжения. Результатом решения второй задачи является определение реакции исследуемого ПП или ИС на одиночные импульсы напряжения и анализ на этой основе его импульсной электрической прочности (ИЭП).
Типовая эквивалентная схема воздействия одиночных импульсов напряжения, вызванных электромагнитными импульсами, на выводы ПП и ИС показана на рис. 1. В общем случае сигналы наводки могут поступать на все выводы испытуемого элемента, однако практически линейный характер задачи (на уровне уравнений электромагнитного поля) позволяет выполнять анализ типовой обстановки по каждой паре выводов независимо. При
Е
3+1
Е,
(/V
2
3+1
4+1
и
3+1
и,— 1 1 1 п н А, ^2 в1
1 1 ° 12
и2 "" А2 АЗ В2 Вз
: н
0
3 К — 1 1 3 п ■ I Ат Вп
1 1 °
0)Е С1
1-2 и+2 3 + 2
■> + 2 -о-3+2-|-[
7]+з — из+3
'3 + 4 — и3+4
-ик
Е
3+2
Ер
¡/V
к
Рис. 1. Типовая эквивалентная схема воздействия одиночных импульсов напряжения, вызванных электромагнитными импульсами, на выводы ПП и ИС.
этом наибольший интерес представляет анализ сигналов на наиболее протяженных элементах связи, таких как соединительные проводники и кабели.
Особенность влияния одиночных импульсов напряжения, вызванных электромагнитными импульсами, на ПП и ИС в составе аппаратуры заключается в том, что даже при относительно невысоких интенсивности полей электромагнитных импульсов всегда существует возможность появления больших сигналов наводки вследствие неудачной конструкции аппаратуры, наличия длинных линий передачи и т.п. Протяженные элементы конструкции и линий связи могут играть роль антенн, аккумулирующих энергию электромагнитных импульсов и передающих ее на чувствительные элементы. Поскольку электромагнитный импульс всегда сопутствует воздействию импульсных ионизирующих излучений, требования к ПП и ИС по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.