Обратимые отказы интегральных микросхем в полях радиоизлучения
А. В. Ключник 1, Ю. А. Пирогов 2, А. В. Солодов 1
Аннотация. Проанализированы результаты экспериментальных исследований воздействия радиоизлучения на современные интегральные микросхемы и электронную аппаратуру. Проведено сопоставление уровней обратимых отказов в работе микросхем с уровнями функциональных сбоев аппаратуры, которое позволяет констатировать их хорошее совпадение.
Ключевые слова: обратимые отказы, интегральные микросхемы, электронная аппаратура, функциональные сбои.
Abstract. Results of experimental and theoretical investigations of radio action on modern integral microchips and electronic devices are analyzed. Comparison of reversible failure levels in microchips operation with functional failure levels of equipment allows establishing their good coincidence.
Keywords: reversible failures, integral microchips, electronic equipment, functional failures.
Введение
Все больший интерес приобретают вопросы защиты электронной аппаратуры (ЭА) от влияния электромагнитных помех в связи с повышением степени интеграции современной микроэлектроники, миниатюризацией элементной базы, создание многофункциональных интегральных микросхем (ИМС) - микропроцессоры, микроконтроллеры, микросбороки (АЦП и ЦАП).
В этой связи исследования физических механизмов, нарушающих работу элементной базы микроэлектроники в полях радиоизлучения, являются актуальными.
В данной работы проведен анализ результатов экспериментальных исследований по воздействию импульсного радиоизлучения на работоспособность ИМС. Сопоставлены общие характеристики электромагнитных полей импульсного радиоизлучения вызывающие обратимые отказы ИМС (т.е. нет физического повреждения ее элементов) и функциональные сбои в работе ЭА.
Схемы проведения экспериментальных исследований
Исследованиям воздействия импульсных электромагнитных полей на микросхемы посвящено большое количество работ. Их можно разделить на группы.
Многие специалисты, занимающиеся вопросами воздействия электромагнитных полей на элементную базу ЭА, подобного рода воздействие свели к подаче на выводы полупроводниковых приборов видео- или радиоимпульса [1-3]. Сейчас его называют имитационным подходом. В России имитационный подход к воздействию электромагнитных полей на полупроводниковые приборы и микросхемы на GaAs отражен, например, в работе [4]. радиоизлучение электронный аппаратура микросхема
Однако такой имитационный подход не дает связи параметров радиоимпульса с результатом воздействия, в частности:
1) невозможно учесть влияние поляризации излучения на величину наводимого напряжения, которое воздействует на элементы микросхем;
2) в имитационном подходе при воздействии на микросхемы цепь разряда фиксируется, а в случае облучения мощными радиоимпульсов ИМС, наводки формируются на всех ее выводах и разрядных цепей может быть несколько.
Тем не менее, имитационный подход, например, при воздействии видеоимпульсом, 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 радиоимпульса.
С использованием волноводного метода проводились исследования в ТНУ (г. Симферополь) [5]. На рис. 1 представлено поперечное сечение измерительной секции волновода, которое использовалось при исследовании воздействия радиоизлучения на ИМС.
Рис. 1. Поперечное сечение измерительной секции волновода для исследований воздействия на ИМС [6]
1 - ИМС; 2 - пенопластовая вставка; 3 - заглушка; 4 - устройство микроволнового согласования (короткозамыкатель л/4); 5 - отверстие; 6 - жгут проводов
Ограничивает возможности волноводного метода является требование - геометрические размеры микросхемы должны быть много меньше размеров волновода. Для большинства микросхем в 10 - сантиметровом диапазоне волн (СМ ДВ) данное требование выполняется. Недостатком волноводных исследований является трудности в создании условий вблизи ИМС таких, которые приближаются к реальным условиям их облучения на печатных платах в составе других элементов ЭА.
Исследования по непосредственному воздействию импульсных электромагнитных полей в свободном пространстве в России, например, впервые были проведены в ННЦ ХФТИ (г. Харьков) под руководством профессора Магды И.И. [7]. Аналогичные работы проводились в ОАО «МРТИ РАН» [8].
Микросхемы исследовались в соответствии со схемой рис. 2 как при наличии питания и управляющих сигналов, так и без них.
Стремительное развитие полупроводниковой технологии привело к созданию в 90-х годах малогабаритных твердотельных генераторов, излучающие периодические и однократные сверхкороткие электромагнитные импульсы (СК ЭМИ). Они обладают новыми качествами, отсутствующими у традиционных источников преднамеренных помех: сверхширокополосностыю и большой амплитудой (пиковой мощностью в десятки терраватт), спектральная плотность их распределена в интервале от сотен МГц до единиц ГГц.
|
Рис. 2. [8] 1 - СВЧ генератора, 2 - ИМС, 3 - детектор, 4 - экранированные кабели, 5 - источник питание, 6 - осциллограф, 7- генератор импульсов (ГИ), 8 -ГИ синхроимпульсов, 9 - - экранированное помещение |
Особенностью данного типа излучения является соизмеримость длительности воздействующих импульсов с длительностью рабочих импульсов, при обработке цифровой информации. Поэтому при воздействии СК ЭМИ на компьютеры и цифровые устройства в их цепях наводятся сигналы, аналогичные рабочим, что приводит к нарушению работы цифровых систем.
С уменьшением длительности фронта воздействующего СК ЭМИ снижается эффективность применяемых защитных устройств, усиливается проникновение электромагнитных полей через неоднородности в корпусах, увеличиваются амплитуды наведенных токов и напряжений на выходах антенно-фидерных устройств, кабелей и проводов, расположенных вне экранов, что может приводить к ложным срабатываниям или катастрофическим отказам аппаратуры.
Поэтому довольно много исследований проведено, например, по схеме, приведенной на рис. 3.
Рис. 3. [9] 1 - генератор, 2 - компьютер, 3 - измерительные приборы, 4 - оптические кабели,
5 - пробник, 6 - поглощающее покрытие, 7 - испытуемое устройство,
8 - микроконтроллер, 9 - плата, 10 - нагрузка, 11 - - кабели.
Обратимые отказы ИМС в полях радиоизлучения
Падающее радиоизлучение создает СВЧ наводки (токи и напряжения высокой частоты) на металлических выводах интегральной микросхемы и прилегающих к ней проводниках. Амплитуды наводок существенно зависят от размеров, формы, ориентации её выводов и проводников, параметров излучения и т.д. [10, 11]. 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.
Важнейшим эффектом, определяющим обратимое воздействие СВЧ излучения на ИМС, является детектирование СВЧ наводки на ее нелинейных элементах.
Детектирование (созданных на выводах ИМС СВЧ наводок) происходит в основном на нелинейных элементах, которые непосредственно подсоединяются к ее выводам (т.е. на диодах и транзисторах (биполярных -БТ и полевых - ПТ) во входных, выходных и цепи питания).
Результаты исследований показывают, что основную роль при детектировании радиоимпульса на БТ играет переход эмиттер-база [12], на ПТ - нелинейность сток-затворной вольтамперной характеристики [13]. ПТ в целом менее чувствителен к воздействию радиоимпульсов по сравнению с БТ.
Помимо детектирования, по мере увеличения мощности радиоизлучения на входе ПТ появляется долговременная стадия (до единиц секунд) восстановления тока до режимного значения (см. рис.4).
Рис. 4. [14]
Физическая сущность долговременных процессов восстановления работоспособности ПТ на GaAs связана с захватом носителей заряда на глубокие уровни на границе раздела «канал - полуизолирующая подложка» транзистора в момент действия радиоимпульса с дальнейшей их релаксацией [13, 14].
Эффекты, наблюдаемые в ПТ под воздействием СК ЭМИ большой амплитуды, имеют большое время восстановления (десятки минут и более) по сравнению с эффектами под действием слабых импульсных перегрузок (амплитуды импульса меньше напряжение пробоя). Кроме изменения толщины слоя объемного заряда на границе «канал-подложка ПТ проявляются и другие механизмы, связанные с накоплением заряда в других областях полупроводниковой структуры, например, в диэлектрике, покрывающем поверхность GaAs в промежутках «затвор-сток» и «затвор-исток». Суть предполагаемого эффекта заключается в том, что в области лавинного размножения носителей в поверхностном слое GaAs возникают разогретые электроны, имеющие энергию, достаточную для туннелирования на ловушки диэлектрика или для инжекции в диэлектрик с последующим захватом на ловушки [15].
При изучении эффектов воздействия СВЧ излучения на ИМС важным этапом является выбор элементарных объектов исследования, которые, с одной стороны, должны быть наиболее используемыми структурными единицами рассматриваемых систем, а с другой - быть восприимчивыми к данному воздействию.
Основа построения современных цифровых микросхем - элементарная логическая ячейка “НЕ”, транзисторы которой соединены в кристалле микросхемы напрямую, что позволяет при элементарных знаниях оценить реакцию микросхемы на СВЧ воздействие, связанное с детектированием и изменением режима работы транзисторов.
Анализ результатов действия СВЧ излучения на логический элемент И-НЕ в статическом режиме [16] показал, что под влиянием радиоизлучения происходит деформация передаточной характеристики, изменение статических параметров микросхемы: выходного напряжения логической единицы U1вых и логического нуля U0вых.
Исследования, проведенные в [17] показали, что под действием радиоизлучения значительным изменениям подвергаются динамические параметры цифровых ИМС: задержка распространения сигнал при переходе выходного напряжения от «0» к «1» t0,1здр и от «1» к «0» t1,0здр. С ростом мощности радиоизлучения происходит увеличение t0,1здр. В конечном итоге (при увеличении мощности радиоимпульса) выходное состояние на логическом элементе изменяется от «1» к «0» и происходит сбой.
Установлено, что с ростом несущей частоты радиоимпульса восприимчивость ИМС к ее воздействию снижается.
При воздействии радиоизлучения на ИМС в свободном пространстве необходимо учитывать влияние взаимной ориентации выводов ИМС и вектора электрического СВЧ излучения (см. рис. 5) на продетектированный сигнал на выходе микросхем. Исследования [18] показали, что максимальная амплитуда продетектированной наводки достигалась при ориентации выводов ИМС вдоль вектора электрического поля, а минимальная - при ортогональной ориентации.
|
Рис. 5. Схема расположение ИМС относительно поляризации СВЧ излучения |
При исследовании ИМС (с пластиковым корпусом Dip типа) с использованием волноводного метода - максимальная амплитуда наводки достигалась, когда вектор электрического поля лежал в плоскости корпуса ИМС [5,6]. По всей видимости, это связано с тем, что у ИМС с пластиковым корпусом выводы ортогональны корпусу (см. рис. 5), а проводники, соединяющие выводы и чип ИМС (см. рис. 6) мало отличаются друг от друга по длине (по сравнению с длиной волны СМ ДВ).
|
Рис. 6. Схема электрического соединения контактных площадок кристалла с выводами ИМС |
Как известно, срабатывание цифровых микросхем ТТЛ и КМОП технологий, например, переключение из состояние «0» в состояние «1» происходит при амплитуде входного сигнала ~ 0.8…1 В при длительности импульса ?>10…50 нс.
Исследования с цифровыми интегральными микросхемами в 4-х сантиметровом диапазоне длин волн показали, что продетектированные сигналы уровня 1 В возникают на входе ИМС при плотности потока энергии СВЧ излучения ППЭ=0.1…1 Вт/см2 (Е=0.6…1.9 кВ/м). По определению ППЭ = E2/2W0, Е - амплитуда электрического поля электромагнитной волны, W0=120? Ом.
Характерные осциллограммы при воздействии пачки радиоимпульсов на ИМС показаны на рис. 7.
Рис. 7.
Было получено, что воздействие СВЧ сигнала максимально, когда он попадает на фронт импульса, которым управлялась работа микросхемы.
При уменьшении длительности радиоимпульса ?до 10…20 нс амплитуда наводки резко уменьшалась и эффект функциональных сбоев вплоть до ППЭ?4 Вт/см2 не наблюдался, что связанно с ограниченным быстродействием микросхем (>10 нс).
При логическом уровне “0” на выходе, отмечалось резкое снижение амплитуды продетектированного сигнала с практически отсутствующей зависимостью ее от мощности радиоимпульса. Этот факт можно объяснить высокой степенью насыщения открытых транзисторов в выходных цепях ИМС. Общее же увеличение амплитуды продетектированного сигнала в выходных цепях ЦИС в состоянии логической “1” объясняется усилением продетектированного сигнала самой ЦИС.