Механизмы воздействия электромагнитных полей на интегральные микросхемы

ЭЛЕКТРОНИКА

УДК 537.86

МЕХАНИЗМЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

ГРИГОРЬЕВ Е.В., МАЛИШЕВСКИЙ С.В., СТАРОСТЕНКО В.В., ТАРАНЕ.П.______________

Рассматриваются механизмы воздействия электромагнитных полей на различные микроструктурные элементы, расположенные в интегральных микросхемах. Выявляются особенности и характер развития деградационных процессов в них при воздействии импульсных электромагнитных полей. Рассматриваются причины, вызывающие локализацию тепла в микроструктурных элементах.

Воздействие электромагнитных полей (ЭМП) на интегральные микросхемы (ИМС) рассматривается как с позиции надежности полупроводниковых приборов (ППП) [1,2], так и с позиции электромагнитной совместимости (ЭМС) радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) [3]. С позиции надежности ППП и ИМС воздействие ЭМП относится к внешним, подобным оптическому, а-, р-, у- и другим видам воздействиям [1,2]. В ЭМС, наряду с вопросами, связанными с функционированием РЭА при воздействии ЭМП, рассматриваются вопросы работоспособности ее элементной базы.

Развитие деградационных процессов в микроструктурных элементах микросхем (контактных площадках, токопроводящих дорожках, элементах на основе p-n-переходов и т.д.) и катастрофический отказ ИМС имеют место при воздействии мощных ЭМП, что, как правило, реализуется в случае импульсных электромагнитных полей (ИЭМП).

В соответствии с [4] в качестве меры воздействующего фактора целесообразно брать напряженность электрической компоненты ЭМП или мощность падающей волны. Так как между этими параметрами существует однозначная связь, то можно использовать любую из этих характеристик поля. Предпочтительней, на наш взгляд, в качестве меры воздействующего фактора выбирать напряженность электрической компоненты ЭМП. Это обусловлено тем, что воздействие мощных ИЭМП на объекты и среды относится к полевому воздействию, связанному с напряженностью поля. Кроме того, значения напряженности электрического поля определяют процессы в микроструктурах ИМС.

Наиболее полные данные о результатах имитационных исследований по воздействию ИЭМП на ППП и ИМС содержатся в [5]. Имитационные модели предполагали, что воздействие ИЭМП на ППП и

ИМС можно свести к подаче видеоимпульса или радиоимпульса по шине питания или на один из входов, управляемых ППП или ИМС. Существенным недостатком такого рода имитации воздействия ИЭМП на ППП и ИМС является невозможность учета поляризационного фактора, т.е. взаимной ориентации ППП (ИМС) и ИЭМП. Учет поляризационного фактора позволяет определить напряжение, приложенное к микроструктурным элементам, или наведенный ток в зависимости от ориентации ППП (ИМС) относительно падающей электромагнитной волны. Для заданной цепи прохождения тока в ППП или ИМС подробно исследовано влияние формы и длительности подаваемого видеоимпульса на развитие деградационных процессов в них, приведены статистические данные выхода из строя различных микроструктурных элементов (для ИМС — контактных площадок, проводящих дорожек, элементов на основе p-n— перехода) при катастрофическом отказе ППП и ИМС [5]. В частности, в [6] получена зависимость пробойной удельной мощности (отношение мощности к площади поперечного сечения), проходящей через ППП, от длительности приложенного импульса (кривая Вунша-Белла). В [5] также приведены статистические данные по отказам микроструктурных элементов ИМС при оговоренной имитации воздействия ИЭМП: 90% ИМС биполярной и 60% КМОП технологий выходят из строя по причине прожога металлизации. При этом около 50% из этого количества катастрофических отказов приходится на контактные площадки, а остальные отказы возникают, в основном, в микроструктурных элементах на базе p-n-перехода.

Экспериментальные исследования по воздействию импульсных электромагнитных полей на интегральные микросхемы в волноводном тракте

Воздействие мощных ИЭМП осуществлялось на установке, схематическое изображение которой приведено на рис. 1.

В качестве генератора ИЭМП использовался магнетрон МИ-387, работающий на длине волны Х«10 см, с длительностью прямоугольных импульсов 0,7...1мкс и мощностью в импульсе Ри < 20 кВт. С помощью счетчика в блоке питания магнетрона можно было задавать количество импульсов (1... 104) или время работы генератора. В измерительной секции, представляющей собой волноводную секцию поперечного сечения 34х72 мм, в пенопластовой вставке крепились ИМС в одной из 6 ориентаций относительно электрической компоненты ЭМП волны Hi0 [4]. В качестве объекта исследований использовались микросхемы биполярной и КМОП технологий 155, 174, 555, 561 серий, с размерами чипов от 1х1 до 2,5х2,5 мм, с количеством элементов на чипе 103—104, с 14 и 16 выводами, в пластмассовом корпусе. По своему функциональному назначению микросхемы представляли собой логические элементы, триггеры, счетчики и т.д. Как правило, в одной ИМС было от 4 до 8 однотипных функциональных элементов.

РИ, 2002, № 3

29

Рис.1

Для исследования воздействия ИЭМП и определения предельных значений мощности волны, при которой наступает отказ ИМС, на одном из ее каналов собирался генератор прямоугольных импульсов. Внешние элементы генератора соединялись с ИМС с помощью экранированного жгута проводов диаметром 1,6 мм. Внутри экранированной оболочки располагались также провода питания ИМС.

Воздействие ИЭМП на ИМС осуществлялось следующим образом: 1. ИМС располагалась в измерительной секции в одной из 6 характерных ориентаций [4]. 2. На работающую ИМС падала электромагнитная волна, значение мощности которой увеличивалась от 100 Вт в импульсе до пробойного значения (Рпроб) для данного класса ИМС. 3. После воздействия ЭМП микросхемы подвергались послойному травлению и определялась причина выхода ИМС из строя.

Для ИМС без подводящих проводов мощность в импульсе падающей волны составляла (1±0,1)Рроб.

Наличие задействованного и свободных участков чипа микросхемы позволяло сравнивать воздействие ИЭМП на работающие и неработающие микросхемы. Также это можно было сделать при сравнении результатов воздействия на ИМС с подводящими и без подво- 100% дящих проводов. Существенных различий в характере развития деградационных процессов и в величине предельной пробойной мощности при воздействии ИЭМП на работающие и неработающие ИМС не отмечалось (значение предельной пробойной мощности у работающей ИМС на 23% больше, чем у неработающей).

Всего воздействию подвергалось более 300 микросхем. Статистические данные распределения микроструктурных элементов, которые явились

причиной выхода ИМС из строя при воздействии ИЭМП, приведены на рис. 2. Как и следовало ожидать, эти данные близки к подобным при имитации воздействия ИЭМП на ИМС [5]. Существенным отличием от результатов, приведенных в [5], является характер поражения — они имели множественный характер, т.е. были поражены несколько микроструктурных элементов одновременно.

На стойкость ИМС при воздействии мощных ИЭМП существенно влияет взаимная ориентация ИМС и поля. В ориентациях, у которых плоскость чипа параллельна вектору напряженности электрического поля электромагнитной волны Н10, микросхемы наименее стойкие к рассматриваемому воздействию. Катастрофический отказ ИМС в таких ориентациях наступал при воздействии одного импульса с напряженностью поля ~ 60...70 кВ/м для биполярной и при 80...90 кВ/м — для ИМС с КМОП технологий. В ориентациях, с плоскостью чипа, перпендикулярной к вектору напряженности электрического поля электромагнитной волны, микросхемы оставались работоспособными после воздействия на них в течение более 30 минут, при напряженности поля 100 кВ/м (предельное значе-

80%

60%

40%

20%

0%

ИМС биполярной технологии

9%

42% 31%

33%

49% 36%

ИМС КМОП технологии

Рис. 2

Выход из строя других элементов ИМС

Прожог токопроводящих дорожек

Прожог контактных площадок

30

РИ, 2002, № 3

ние напряженности электрического поля для магнетрона МИ-387 при выбранном режиме работы).

Механизм воздействия электромагнитных полей на микроструктурные элементы

Данные по стойкости ИМС для различных ориентаций микросхем относительно ИЭМП позволяют судить о механизме воздействия. В том случае, когда чип параллелен вектору напряженности электрического поля, по проводящим микроструктурам

проходит ток j = а  E, где j — вектор плотности наведенного тока, о — проводимость структуры, E — вектор напряженности электрического поля падающей волны. При больших значениях напряженности поля падающей волны по металлизации протекают большие токи, которые вызывают их прожог. Такие токи можно трактовать и как токи, протекающие вследствие приложенной к структуре мгновенной разности потенциалов, причем это возможно тогда, когда структура расположена параллельно вектору напряженности электрического поля падающей электромагнитной волны. В том случае, когда структура вдоль вектора напряженности электрического поля включает в себя проводящие и непроводящие ток участки, ток проводимости на проводящих участках переходит в ток смещения на непроводящих участках. Когда плоскость чипа перпендикулярна к вектору напряженности электрического поля, ток проводимости отсутствует — все структуры находятся под одинаковой разностью потенциалов (в приближении основной волны). В этих ориентациях стойкость ИМС намного больше, чем при других ориентациях. Влияние взаимной ориентации на стойкость ИМС при воздействии мощных ИЭМП отмечается в [7]. Авторы назвали влияние взаимной ориентации ИМС и ИЭМП на стойкость микросхем “антенным механизмом воздействия”.

При воздействии ИЭМП на микросхемы можно говорить о пороговых значениях напряженности поля деградационных процессов и о пороговых значениях напряженности поля, при которой наступает отказ ИМС [4]. Пороговые значения напряженности поля, при которых начинаются деградационные процессы в ИМС, на порядок ниже пороговых значений напряженности поля по стойкости ИМС. При напряжениях, меньших пробойных, генератор прямоугольных импульсов, собранный на одном из каналов ИМС, работает нестабильно, что проявляется в виде дрожания верхней полочки импульса, в изменении переднего фронта и тактовой частоты. В микроструктурных элементах в этом случае появляются одиночные локальные прожоги разме-

ром и 1 мкм. Эти деградационные явления носят аккумулятивный характер. При длительном воздействии ИЭМП с напряженностью поля, меньшей пробойной, деградационные явления могут значительно менять характеристики ИМС и приводить к отказу в работе. При воздействии ИЭМП с напряженностью, выше пробойной, локальные прожоги объединяются, что приводит к выходу из строя микроструктурного элемента. На рис.3 приведен фрагмент ИМС, на котором видны различные стадии прожога микроструктурных элементов.

Локализация тепла в микроструктурных элементах ИМС может быть в двух случаях: 1) из-за нелинейности источников тепла (нелинейность вида jn, n > 2) и положительной температурной зависимости теплопроводности (K(T)~Tm, m<n); 2) вследствие омических неоднородностей микроструктур и больших плотностей токов проводимости. Первый случай локализации тепла носит название “режим с обострением” [8]. При воздействии ИЭМП на микроструктурные элементы ИМС “режим с обострением” не реализуется по следующим причинам: а) омические источники выделения тепла имеют, как правило, квадратичную нелинейность; б) количество структур, удовлетворяющих условиям реализации “режима с обострением”, мало; в) время развития процессов локализации тепла в “режиме с обострением” составляет десятки-сотни секунд, в то время как развитие деградационных процессов в микроструктурных элементах при воздействии ИЭМП на 5-7 порядков меньше. Следовательно, основной причиной локализации тепла является омическая локальная неоднородность микроструктурных элементов при протекании через них токов большой плотности.

Рис. 3

РИ, 2002, № 3

31

Заключение

На основе проведенных экспериментальных исследований по воздействию ИЭМП на ИМС выявлен механизм воздействия, установлен характер развития деградационных процессов в микроструктурных элементах и выявлены причины локальной деградации проводящих микроструктур. Более подробное рассмотрение физических процессов в микроструктурных элементах ИМС возможно при их моделировании. Для этого необходимо решить дифракционную задачу для определения поля вблизи микросхемы, кроме того, создать электротепловые модели типовых микроструктурных элементов и их комбинаций.

Литература: 1. Чернышев А.А. Основы надежности полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. М.: Радио и связь, 1988. 255 с. 2. Ефимов И. Е., Кальман И.Г., Мартынов В.И. Надежность твердых интегральных схем. М.: Изд-во стандартов, 1979. 217 с.

3. Князев А.Д. Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств. М.: ИПК МРП СССР, 1982. 131 с. 4. Григорьев Е.В., Малишевский С.В., Таран Е.П., Старостенко В.В. Влияние поляризации электромагнитной волны на соотношение между волнами при воздействии на интегральные микросхемы // Радиоэлектроника и информатика. 2002. №2. С. 19-21. 5. Antinone J. Electrical Overstress Protection for Electronic Devices. 1986, New York. 387р. 6. Wunsch D.C., Bell R.R. Determination Of Threshold Failure In Metallization Due To Pullse Voltages // IEEE Trans., 1970. Vol. NS-18, № 4. Р.212-220. 7. Гадецкий Н.П., Кравцов К.А, Магда И.И. и др. Взаимодействие мощного СВЧ излучения УКДИ с приемно-усилительным трактом СВЧ диапазона // Материалы IV Междунар. конф. “СВЧ-техника и спутниковый прием”. Том 2. Севастополь, 1994. С. 536-538. 8. Галактионов В.А., Курдюмов С.П., Посашков С.А.,

Самарский А.А. Квазилинейное параболическое уравнение со сложным спектром неограниченных автомодельных решений // В кн.: Математическое моделирование. Процессы в нелинейных средах. М.: Наука, 1986. С. 142-182.

Поступила в редколлегию 16.01.2002

Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Чурюмов Г.И.

Григорьев Евгений Владимирович, старший преподаватель кафедры радиофизики Таврического национального университета (ТНУ). Научные интересы: экспериментальные исследования деградационных процессов в микроструктурных элементах интегральных микросхем при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 95007, Симферополь, ул.Ялтинская, 4.

Малишевский Станислав Владимирович, аспирант кафедры радиофизики ТНУ. Научные интересы: моделирование дифракционных явлений в неоднородных металлодиэлектрических структурах при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 95007, Симферополь, ул. Ялтинская, 4.

Старостенко Владимир Викторович, канд. физ.-мат. наук, зав. кафедрой радиофизики ТНУ. Научные интересы: моделирование вакуумных и твердотельных устройств СВЧ, исследование деградационных процессов в различных объектах и средах при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 95022, Симферополь, ул.Б.Куна, 31, кв. 13, тел.: раб. (0652)230360, дом. (0652)575401.

Таран Евгений Павлович, канд. физ.-мат. наук, старший преподаватель кафедры радиофизики ТНУ. Научные интересы: моделирование процессов в микроструктурах при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 95004, Симферополь, ул. Лермонтова, 11, кв.79, тел.: раб. (0652)230360, дом. (0652)251466. Email: tatan@tnu.crimea.ua

УДК 532.534

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕРМОУПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ ПРИ РОСТЕ КРИСТАЛЛОВ

ТЕВЯШЕВ А.Д., СУЗДАЛЬ В. С, БОРОДАВКО Ю.М, ПЕЛИПЕЦА.А.

Рассматривается задача численного моделирования термоупругих напряжений при росте монокристаллов. Для цилидрических кристаллов с плоским фронтом затвердевания, выращиваемых в осесимметричном температурном поле, приводятся результаты численных расчетов температурных и упругих полей.

1. Введение

Последние достижения в получении совершенных кристаллов различных типов непосредственно опираются на достижения теории внутренних напряжений в кристаллах. При выращивании кристаллов из расплава существенное влияние на формирование структуры монокристалла оказывают термоупругие напряжения, которые возникают при изменении температуры в кристаллизующемся слитке. Возникающие напряжения влияют на образование дислокаций и их размножение, на образование точечных дефектов в кристаллах [2].

32

2. Математическая модель термоупругих напряжений

Для нахождения поля термоупругих напряжений aik в общем случае произвольного температурного поля и произвольной формы кристаллов необходимо решить систему уравнений, состоящую из уравнений равновесия и уравнений Г ука, при соответствующих граничных условиях. Указанная система уравнений и является математической моделью термоупругих напряжений при росте кристаллов. Для изотропных кристаллов цилиндрической формы радиуса RK эта математическая модель имеет вид [1-5]:

1 d ч д 1

~—(rarr ) +^°rz =-°qxp;

r dr OZ r

1 5 / \ 9 n

(rarz)+T- CTzz = 0;

r or oz

a

rr

Ga

dur

dr

+ k

- cT •

РИ, 2002, № 3