В изделиях электронной техники полупроводниковые элементы расположены на платах и соединены токоведущими линиями с другими элементами. Размеры токоведущих линий могут иметь разную величину. В этой связи представляет интерес проведенные исследования зависимости определенного уровня сигнала наводки, например, ~ 1 B, на входе микросхемы от длины ее выводов и интенсивности падающего радиоизлучения. Как известно, сигнал такого уровня на входе, например, микросхемы 133 серии, приводит к переключению сигнала на ее выходе из состояния высокого уровня в состояние низкого уровня.
Эксперименты проводились, например, с микросхемами 133ЛН1. Микросхемы 133 серии имеют металлический корпус с планарными выводами. Схема эксперимента представлена на рис. 8.
|
Рис. 8. Схема включения ИМС с разной длиной выводов |
К выводам микросхемы 9 (вход) и 7 (земля) припаивались усы-проводники (одинаковой длины). При определенной суммарной длине (вывод+ус) l, микросхема облучалась, и определялись интенсивности радиоизлучения, приводящие к формированию продетектированных сигналов (~ 1 B) на входах 1, 9 микросхемы. С помощью осциллографа контролировались амплитуды сигналов на входах 1 и 9 и амплитуды сигналов на выходах 2 и 8. При этом наблюдался процесс переключения сигналов на выходах микросхемы 2 и 8 из состояния высокого уровня в состояние низкого уровня. Затем длина проводников уменьшалась, и опыты повторялись снова.
Результаты измерений интенсивности излучения I, приводящей к формированию продетектированного сигнала ~ 1 B на входе 9 (и переключение сигнала на выходе 8) от длины выводов 7, 9 микросхемы, представлены на рис. 9.
|
Рис. 9. |
Вблизи полуволнового резонанса наблюдается заметное снижение порога срабатывания микросхем и, следовательно, повышение уровня поглощенной микросхемой мощности.
На более коротких длинах усов (при суммарной длине l< 9 мм) получили практически такой же результат, как и без усов.
Выполненные исследования показали возможность использования «антенной модели» [19] для описания воздействия СВЧ излучения на ИМС.
Зависимость амплитуды и формы продетектированного сигнала от интенсивности падающего на ИМС излучения позволяет, в большинстве случаев, предсказать появление необратимых изменений характеристик микросхем. Так, например, если замедляется рост амплитуды продетектированного сигнала с увеличением интенсивности, а в некоторых случаях наблюдается изменение знака продетектированного сигнала, то эти эффекты могут свидетельствовать о развитии электрического пробоя и о возможном повреждении ИМС [20].
Испытания различных аналоговых и цифровых устройств показали, что СВЧ мощность, вызывающая переброс цифровых устройств из одного состояния в другое, больше мощности, нарушающей нормальную работу аналоговых устройств [21]. Функциональные сбои у аналоговых ИМС происходят при средних плотностях потока мощности ~ 10 мВт/см2(Е=0.19 кВ/м) [22].
Экспериментальные исследования по воздействию радиоимпульсов на ИМС показали, что, как и для микросхемы с низким и средним уровнями интеграции [7, 8] сбои в работе современных микросхем в значительной мере определяются взаимным расположением микросхемы и поля («антенный эффект»). Этот фактор определяет величины дополнительных напряжений, прикладываемых к микроструктурным элементам.
Для современных ИМС памяти 27С256-20FA установлено [23], что в ориентациях, когда грань кристалла ИМС параллельна вектору напряженности электрического поля волны (||), сбои при записи и считывании происходят при значениях напряжённости электрической поля Еm > 0.05 кВ/м, а в ортогональных ориентациях (?) - при Еm > 0.5 кВ/м. Для микросхем TLC549IP и AD7243 в ориентации «?» сбои наблюдались при Еm ? 0.5 кВ/м, а в ориентации «||» - при Еm > 0.05 кВ/м.
Повышение степени интеграции микросхем, увеличение функций, выполняемых ИМС, и связанное с этим уменьшение размеров активных элементов делает их более чувствительными к СВЧ облучению. В неэкранированных и более медленных микропроцессорах (с тактовой частотой менее десятков МГц) сбои начинаются под действием импульсного СВЧ облучения (1…10 ГГц) при плотности потока мощности, большей 100мкВт/см2 (Е > 20 В/м).
В процессе исследований [24] было установлено, что сбои в работе микроконтроллеров ATtiny15 происходят при Em > 1 кВ/м, у микро контроллера
PIC16F628-20I/Р начинаются при Em ? 0.05 кВ/м.
При исследовании (несущая частота была 2460±50 МГц) микроконтроллеров ATmega 8515, ATmega 16 установлено, что наиболее уязвимы линий сброса, линий тактовой частоты и линий электропитания, чем линии данных. Воздействие на линии сброса, тактовой частоты и электропитания показали сбои в работе микроконтроллеров при 15…20 В наводки, а линии данных показали сбой больше чем при 30 В наводки [25].
При воздействии радиоизлучения на микроконтроллеры наблюдаются так называемые эффекты «защелкивания».
Электрическое защелкивание (или «тиристорная защелка») является весьма опасным видом обратимых отказов КМОП микросхем. Микронные размеры элементов и малые расстояния между ними в объеме полупроводниковой подложки ИМС могут приводить к возникновению паразитных 4-слойных структур, которые при быстро изменяющемся напряжении на них (dU/dt ~ 0,1…10 В/нс) могут переходить в низкоимпедансное состояние (защелкивание) [26], даже если воздействующее напряжение не превышает допустимое.
В качестве примера, на рис. 10 а показано расположение элементов паразитного тиристора в подложке ИМС. На рис. 10 б показана электрическая схема этой тиристорной структуры, и рис. 10 в показана ее вольтамперная характеристика.
|
а |
б |
в |
|
|
Рис. 10. Паразитные биполярные компоненты структуры PNPN. [27] |
Здесь, Rw1 - паразитное сопротивление между базой эмитентов PNP, и Rs1 - паразитное сопротивление между базой эмитентов N-P-N-структуры.
Причиной для возникновения «защелки» помимо большой скорости нарастания фронта входного сигнала может быть наличие входных сигналов, когда питание (Ucc) находится в стадии выключения, с превышением напряжения питания над предельным значением Ucc>15 В.
Функционирование ИМС при этом, как правило, нарушается и не восстанавливается после окончания воздействия. Только отключение питания позволяет ликвидировать «защелкивание» и зависание всего прибора (например, ПК, GPS-навигатора и т.п.). А если нет ограничения по току у источника питания ИМС, то большой импульсный ток, который переводит защелку в положение «включено» (причем включенное состояние пребывает достаточно долгое время, до сотых долей миллисекунды) приводит к выгоранию металлизации или тепловому пробою внутренних полупроводниковых структур микросхемы.
Для описания таких обратимых отказов полупроводникового прибора в работе [28] предложили величину BFR (см. рис. 11)- число отказов системы, разделенной на число импульсов, которые воздействовали на нее. После сброса воздействия (само - внешний - или сброса питания) система возвращается к функционированию. BFR ведет себя как показано на рисунке 12. Ее описывают две величины. BT (порог) - определяет величину электрического поля, при которой происходят первые обратимые отказы системы. BB (полоса пропускания) - диапазон электрического поля, в которой порог (BT) изменяется от ноля до единицы.
|
Рис. 11. Скорость обратимых отказов [28] |
Рис. 12. BFR - принципиальное поведение и определения [28] |
В работе [29] были исследованы обратимые отказы микроконтроллеров (см. рис. 13) с различным числом I/O-портов при воздействии СК ЭМИ (время нарастания tr = 100 пс, длительность ?= 2.5 нс).
Рис.13. Микроконтроллеры и их цепи [29]
Эксперименты показали, что параметры BT и BB слабо зависят от состояния порта - высокий/низкий испытуемых микроконтроллеров, но зависят от их типа. А на восприимчивость исследованных микроконтроллеров влияет длина линий часов, электропитания и практически не влияет длина линии тактовой частоты. Влияние длины линий на восприимчивость исследованных микроконтроллеров представлена на рис. 14.
|
Рис. 14. Изменение BT от длины линий для трех разных микроконтроллеров [29] |
Так, например, на порог (BT) и ширину полосы (BB) слабо влияет длина линии данных. BT уменьшается приблизительно на 1 кВ/м с 6…7 кВ/м - при минимальной длины линии до 6 кВ/м при длине линии данных 20 см.
При изменении длины линии электропитания, величина BT уменьшается приблизительно на 3 кВ/м с 6…7 кВ/м - при минимальной длины линии до 3.5…4.5 кВ/м - на 20 см. При этом величина BB уменьшается приблизительно на 2 кВ/м с минимальной длины линии электропитания на 20 см.
Исследования [30] различных микроконтроллеров, показали незначительное влияние управляющих программ. Те же самые результаты наблюдались во время исследования систем персональных компьютеров в минимальной конфигурации, т.е. очень низкое влияние на пороги BT тестовой программы, по сравнению с абсолютными величинами аварийных порогов (см. рис. 15).
Заметим, что восприимчивость электронных устройств к СК ЭМИ намного выше в динамическом режиме, чем в статическом. Это поведение наблюдалось на различных устройствах (сдвиговые регистры и цепи микроконтроллера) и различных технологиях (ТТЛ, КМОП) [30].
Рис. 15. Пороги функциональных сбоев трех систем ПК при работе шести различных программ [30]
При исследовании [29] поведения различные плат с микропроцессорами (см. рис. 16) с приблизительно одинаковыми размерами (для того, чтобы величина наводок на этих платах была сопоставима), замечено, что ВТ (сбои в работе) плат отличается.
Например, (см. рис.17) сбои при воздействие СК ЭМИ импульса на плату Rocky-518 HV с центральным процессором Pentium MMXtm работающем на 233 МГц начинаются приблизительно при 12 кВ/м. Для платы SSC-5x86 H с центральным процессором DX4-S в 100 МГц сбои начинаются приблизительно при 4 кВ/м.
|
Рис.16. Платы с микропроцессорами [29] |
Рис.17. BFR [29] а - SSC-5x86 H, b) Rocky-518 HV |
Различное поведение плат с микропроцессорами основано на различной восприимчивости устройств и различным их расположением на платах.
В работе [9] были проведены исследования воздействия импульсов (300, 500 пс) с тремя различными частотами повторения (1, 10, 100 кГц) на различные выводы микроконтроллеров. На рис. 18 показана восприимчивость различных выводов к увеличивающейся амплитуде импульса. Как видно из представленных графиков на рис. 18, восприимчивость электронных устройств сильно зависит от функции выводов, на которые проведено воздействие.
Рис. 18. BFR: (a) Питание Pins; (b) Сброс Pin; (c) Часы Pins; (d) I/O Pins. [9]
Кроме того, эти измерения показывают общее уменьшение порогов при увеличении частоты повторения (рис 19).
Рис. 19. Значение порогов отказов (BT) и полос (BB) для разных облучаемых выводов от частоты повторения импульсов. [9]
Вывод I/O (ввода/вывода) исследованных микроконтроллеров (см. рис.18) - самые восприимчивые, в то время как выводы питания - наименее восприимчивые. Исследования так же показали, что в худшем случае аварийный порог может быть понижен только к 16% прежней амплитуды, при увеличении частоты повторения от 1 кГц до 100 кГц. Заметим, что необходимый порог отказов понижается меньше чем на одну половину напряжения питания.
При теоретической оценки уязвимости ИМС к воздействию радиоизлучения в широком диапазоне параметров используют математическое моделирование с применением схемотехнических программ Spice или MicroCap [31, 32].
Как известно, устройства защиты от электростатического разряда существуют фактически во всех входных цепях: цифровых, логических, аналоговых, СВЧ микросхем. Анализ экспериментов [33, 34] показал, что при воздействии радиоизлучения на высокоскоростной CMOS ИМС наблюдаются внутренние паразитные резонансы (см. рис. 20).
Рис. 20. [34]
Поведенное моделирование с использованием программы Spice [34, 35] показывает, что эффекты нестабильности в поведении микросхем объясняются детектированием радиоимпульсов диодами защиты от электростатического разряда.
Однако чаще для оценки результатов воздействия радиоимпульса на потенциально уязвимый элемент ИМС руководствуются методологией представленной в работах [36, 37]: определяют уязвимый элемент, «антенны» на которых формируются наводки, пути поступления к элементу наводок и простые модели самого уязвимого элемента [19]. При анализе более сложных устройств можно воспользоваться моделями, разработанными в ИРЭ РАН в лаборатории В.А.Черепенина [38, 39].