МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 44, № 1, с. 54-58
ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ПОКАЗАТЕЛИ СТОЙКОСТИ ИЗДЕЛИЙ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 621.3.049(470)
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА ПОКАЗАТЕЛИ СТОЙКОСТИ ИМПУЛЬСНЫХ СТАБИЛИЗАТОРОВ К ОДИНОЧНЫМ СБОЯМ ОТ ТЗЧ © 2015 г. Л. Н. Кессаринский12, А. Я. Борисов1, Д. В. Бойченко1, 2, А. О. Ахметов1
Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ 2ОАО ЭНПО Специализированные электронные системы E-mail: lnkes@spels.ru; aybor@spels.ru; ahmet@spels.ru Поступила в редакцию 20.05.2014 г.
Проведен анализ влияния электрического режима работы гибридных импульсных стабилизаторов напряжения на количество одиночных сбоев и, как следствие, на показатели стойкости. Проведено экспериментальное подтверждение ранее прогнозированной зависимости характеристики одиночных эффектов в гибридных стабилизаторах от электрического режима в целом и от работы обратной связи в частности. Определены рекомендации для проведения сертификационных испытаний стойкости гибридных стабилизаторов напряжения к одиночным эффектам.
DOI: 10.7868/S0544126915010068
1. ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время одним из активно развивающихся направлений радиационных исследований является определение показателей стойкости современных аналоговых микросхем к одиночным эффектам от тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ) [1—4]. При этом, в большинстве случаев, при задании требований разработчиков космической аппаратуры интересуют только необратимые эффекты — тиристорный эффект и катастрофический отказ. Одиночные переходные эффекты (ОПЭ) на выводах аналоговых микросхем считаются менее опасными для функционирования аппаратуры в целом из-за малых характерных длительностей.
Гибридные импульсные стабилизаторы напряжения (ИСН), как правило, обеспечивают стабилизированное напряжение питания одного или нескольких функциональных блоков космической аппаратуры. Таким образом, ОПЭ на выходе ИСН могут нарушать функционирование целых блоков космической аппаратуры в общем. В [5] основной упор делается на моделировании одиночных эффектов от ТЗЧ в ИСН, а также приведены результаты экспериментальных исследований тиристорного эффекта и катастрофических отказов в ИСН.
Цель данной работы — анализ количественных и качественных характеристик ОПЭ в гибридных ИСН на основе экспериментальных исследований, выявление основных закономерностей и создание на их основе рекомендаций для выбора
электрического режима ИСН при проведении испытаний на стойкость к ТЗЧ по ОПЭ.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ
Экспериментальные исследования проводились на циклотроне тяжелых ионов "У-400М" (ОИЯИ, г. Дубна) с облучением ионами аргона криптона (&) и ксенона (Xe) с характерными длинами свободного пробега в кремнии 35...45 мкм. При проведении экспериментальных исследований ОПЭ в аналоговых микросхемах с использованием ко-роткопробежных ионов, существует три основных трудности. Первая проблема связана с необходимостью использования автоматизированной контрольно-измерительной системы с возможностью фиксирования ОПЭ с длительностями в широком диапазоне значений (от нескольких сотен наносекунд до нескольких секунд) и удаленным управлением (из соображений правил радиационной безопасности). Вторая трудность связана с малой длиной свободного пробега частиц и, следовательно, необходимостью декапсулиро-вать образцы с сохранением работоспособности. Третья проблема связана с правильным выбором объекта исследований в котором должны отсутствовать тиристорный эффект или катастрофический отказ при облучении ТЗЧ, чтобы иметь возможность надежно фиксировать ОПЭ.
Первая проблема была успешно решена путем создания автоматизированной контрольно-измерительной системы на основе модульных приборов стандарта РХ1, подробно описанной в статье
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА ПОКАЗАТЕЛИ СТОЙКОСТИ
55
Рис. 1. Размещение образцов микросхем 5107SE-S05HF и трековых детекторов в вакуумной камере ускорителя ионов "У-400М" (образцы расположены слева и справа).
[6]. Вторая и третья проблемы были решены выбором объекта исследований — гибридный ИСН иностранного производства 5107SE-S05 (ф. Modular Devices, США). Верхняя часть металлического корпуса была полностью удалена с сохранением работоспособности образцов, в ходе исследований было установлено, что выбранный ИСН не
имеет ТЭ или КО при облучении выбранными ионами.
Стабилизатор напряжения 5107SE-S05 имеет рабочий диапазон входного напряжения (питания) от 16 до 50 В в котором должен обеспечивать на выходе стабилизированный уровень 5 ± 0.1 В в диапазоне токов нагрузки от 0 до 4 А. На рис. 1
Результаты расчетно-экспериментальной оценки сечений ОПЭ в 5107SE-S05
№ образца Напряжение питания, В Выходной ток, мА Ион Угол, град Значение ЛПЭ*, МэВ см2/мг Флюенс*, см-2 ^ОПЭ, шт. Сечение ОПЭ, см2
3 40 0 Ar 0 «15 6,1E+05 172 2,8E-04
3 40 0 Kr 0 «41 1,0E+06 208 2,0E-04
3 40 0 Kr 30 «47 8,8E+05 175 2,0E-04
3 40 0 Xe 0 «69 5,1E+05 818 1,6E-03
3 40 0 Xe 45 «98 5,4E+05 978 1,8E-03
2 40 20 Ar 0 «15 6,1E+05 140 2,3E-04
2 40 20 Kr 0 «41 1,0E+06 129 1,3E-04
2 40 20 Kr 30 «47 8,8E+05 108 1,2E-04
2 40 20 Xe 0 «69 5,1E+05 602 1,2E-03
2 40 20 Xe 45 «98 5,4E+05 662 1,2E-03
1 40 200 Ar 0 «15 6,1E+05 50 8,2E-05
1 40 200 Kr 0 «41 1,0E+06 56 5,5E-05
1 40 200 Kr 30 «47 8,8E+05 74 8,4E-05
1 40 200 Xe 0 «69 5,1E+05 545 1,1E-03
1 40 200 Xe 45 «98 5,4E+05 680 1,3E-03
Примечание. * С учетом угловых зависимостей, соотношения (1) и (2).
56
КЕССАРИНСКИЙ и др.
С
о
о
и
я
о ¡^
о О
1е-3
111111111 II
I I !_11_ I 111 I I Г ГI I ГГI I I тт
11111111 II 1111 I I I I II
:пппг:_гггх::1п:з:п:
-1-1-Ы---Ы--Ы----Ь +
—I—I—IА.6 /,/
.Ц-Л-Х-Ц--!--!-
1111 мм
1е-4
4444-]-1111
• :/ _
—•— Образец 1 о Образец 2 —щ— Образец 3
=1=
_
20 40 60
ЛПЭ, МэВ/(мг/см2)
80
100
Рис. 2. Зависимости величины сечений ОПЭ стабилизаторов 51078Е-805 от эффективного ЛПЭ.
приведены фотографии вскрытых образцов, подготовленных для облучения в вакуумной камере ионопровода циклотрона "У-400М".
В ходе эксперимента проводилось облучение сразу трех образцов, электрический режим был выбран с учетом разогрева стабилизаторов в условиях вакуума. Напряжение питания всех образцов было 40 В, токи нагрузки были заданы 200 мА, 20 мА и 0 А.
3. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ НА КОЛИЧЕСТВО ОПЭ
В ходе эксперимента регистрировались ОПЭ выходного напряжения образцов ИСН51078Е-805. По результатам анализа экспериментальных данных и дозиметрии флюенса облучений было посчитано сечение эффектов ОПЭ для разных значений ЛПЭ. В таблице представлены результаты расчетно-экспериментальной оценки сечений ОПЭ в ИСН 51078Е-805. На рис. 2 приведен график зависимостей сечений ОПЭ от величины ЛПЭ для разных образцов ИСН. При расчетно-экспериментальных оценках параметров чувствительности при воздействии ионами под углом использовались приближения модели тонкой чувствительной области с учетом частичных потерь энергии в защитном слое:
Ь
'I _
Ь^ _0/со80;
Фес « Ф0 СОБ (
(1) (2)
где Ьг еГ, феГ — эффективные значения ЛПЭ и флюенса ионов при облучении микросхем под углом 9; Ь^ 0, Ф0 — значения ЛПЭ и флюенса ионов при облучении микросхем при нормальном падении ионов.
Анализ полученных расчетноэксперименталь-ных оценок сечений ОПЭ показывает слабую зависимость величины сечений ОПЭ в ИСН от значения тока нагрузки, хотя режим работы стабилизаторов при облучении с минимальным током нагрузки является наихудшим для данного типа микросхем.
4. ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА РАБОТЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЭ
В ходе облучения регистрировалось не только количество ОПЭ в ИСН, но их характеристики, сохранялись осциллограммы событий. Анализ полученных данных позволяет разделить все ОПЭ на два типа: "медленные" с характерной длительностью 10...15 мс и "быстрые" с характерной длительностью 0.5...2 мс (см. рис. 3). Длительность ОПЭ в пределах каждого типа не зависела от типа иона (величины ЛПЭ) и определялась, как показал дальнейший анализ, электрическим режимом образца.
Для образца ИСН с заданным током нагрузки 200 мА были характерны "быстрые" ОПЭ (почти 100% от общего числа). Для образца ИСН включенным без нагрузки (0 мА) характерны "медленные" ОПЭ (почти 100% от общего числа). У образца ИСН с промежуточным током нагрузки 20 мА наблюдались ОПЭ обоих типов: примерно 70% "медленные" и 30% "быстрые".
Экспериментально полученные результаты соответствуют модели ОПЭ в ИСН [5], согласно которой, характеристики одиночных переходных процессов связаны с влиянием обратной связи на управление ключевым элементом стабилизатора. При работе импульсного стабилизатора на нагрузку с большим током, ШИМ-контроллер на-
0
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА ПОКАЗАТЕЛИ СТОЙКОСТИ
57
5700 И 5600 о 5500 и 5400 * 5300 & 5200 § 5100 £ 5000 § 4900 § 4800 3 4700 и 4600 4500
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Время, мс
(б)
200 мВ/дел., 1 мс/дел.
6000
« 5800 е,
§ 5600 е
^ 5400 р
§ 5200 я
§ 5000 я
о 4800 й
И 4600 4400
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Время, мс
Рис. 3. Типовые осциллограммы ОПЭ при облучении ионами ИСН 51078Е-805: (а) — "медленного" типа, (б) — "быстрого" типа.
страивает скважность сигнала управления ключевым элементом (МОП транзистором) так, чтобы он больше времени был в открытом состоянии. При ОПЭ обратная связь передает отклонение выходного напряжения от заданной величины на вход ШИМ-контроллера не зависимо от величины тока нагрузки, но чем больше ток нагрузки, тем меньше времени ИСН требуется чтобы компенсировать отклонение выходного напряжения.
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в данной работе экспериментально подтверждены прогнозированные в [5] основные взаимосвязи электрического режима и количественных и качественных характеристик ОПЭ выходного напряжения в гибридных ИСН. В частности, количество ОПЭ (сечение эффекта) слабо зависит от тока нагрузки, при этом в условиях вакуумного облучения рекомендуется ис-
пользовать режим без нагрузки, чтобы снизить разогрев образцов. Длительность ОПЭ зависит от величины тока нагрузки ИСН и уменьшается по мере увеличения времени открытого ключевого элемента (характерно для максимальной нагрузки), что также поз
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.