Воздействие импульсных электромагнитных полей на интегральные микросхемы памяти

процесс формирования сигналов в передающем, приемном и атмосферном каналах лазерного дальномера. При этом точность измерения расстояния в модели определяется параметрами блоков и задержкой сигнала в приемном канале.

Литература: 1. M. A. Trishenkov. Detection of Low-Level Optical Signals. Photodetectors, Focal Plane Arrays and Systems. Kluwer Academic Publishers, 1997. Р.458. 2. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. Киев.: Высш. школа, 1988. 383 с. 3. Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы проектирования лазерных локационных систем: Учебное пособие для радиотехнических специальностей вузов. М.: Высш. школа, 1983. 207 с. 4. Kilpela A., Pennala R., Kostamovaara J. Precise pulsed time-of-flight laser range finder for industrial distance measurements. Review of Scientific Instruments. 2001. Vol. 72, No. 4. Р. 2197-2202.

УДК537.86

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ ПАМЯТИ

АХРАМОВИЧЛ.Н., ГРИБСКИЙ М.П., ГРИГОРЬЕВ Е.В., ЗУЕВ С.А.,

СТАРОСТЕНКО В.В., ЧУРЮМОВ Г.И._________

Описывается методика экспериментальных исследований по непосредственному воздействию импульсных электромагнитных полей на современные микросхемы памяти. Приводятся пороговые значения полей, при которых начинаются сбои в работе микросхем, деградационные явления в микроструктурных элементах кристалла и катастрофический отказ микросхем.

Введение

Работоспособность и штатное функционирование радиоэлектронной аппаратуры определяют большое количество различных факторов, в том числе внешних. Одним из них являются электромагнитные поля, в первую очередь импульсные. Сбои в работе радиоаппаратуры при воздействии электромагнитного излучения обусловлены сбоями в работе элементной базы, которая в приемной и управляющей аппаратуре представлена в основном интегральными микросхемами. В [1 - 4] приведены основные результаты исследований по воздействию на микросхемы 140, 155, 174, 315, 555, 559, 561 и 564 серий. При воздействии электромагнитных полей основными являются сведения о пороговых значениях напряженности электрической компоненты поля, при которых начинаются сбои в работе, деградационные явления в микроструктурных элементах кристалла и катастрофический отказ микросхем. Пороговые значения полей в значительной степени зависят от взаимной ориентации микросхем и поля, поскольку именно поляризационный фактор определяет величины дополнительных напряжений, приложенных к микроструктурным элементам кристалла микросхем [1 - 4].

РИ, 2006, № 4

Поступила в редколлегию 17.10.2006 Рецензент: д-р

физ.-мат. наук, проф. Дзюбенко М.И.

Быков Михаил Макарович, канд. техн. наук, профессор кафедры ФОЭТ ХНУРЭ. Научные интересы: лазерная и оптоэлектронная техника. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 702-14-84.

Тюрин Владимир Сергеевич, аспирант кафедры ФОЭТ ХНУРЭ. Научные интересы: лазерная и оптоэлектронная техника, математическое моделирование, конструирование лазерных систем. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр. Ленина, 14, тел. 702-14-84.

Тюрин Сергей Владимирович, канд. техн. наук, доцент, «Институт голографии» АНПРЭ, заместитель генерального директора. Научные интересы: лазерная и оптоэлектронная техника, математическое моделирование. Адрес: Украина. 61166. Харьков, ул. Чичибабина. 1. тел.

705-12-38. „ „

Результаты исследований по воздействию электромагнитных полей на микросхемы [1 - 4] позволили выявить основные закономерности процессов в микроструктурных элементах микросхем, связать параметры полей и микросхем с результатом воздействия. Современные микросхемы отличаются от тех, для которых были проведены исследования по воздействию электромагнитного излучения, по используемым материалам, технологии изготовления, степени интеграции, наличию защиты от электростатического разряда и т. д.

Представляют интерес исследования по воздействию электромагнитного излучения на современные микросхемы памяти и их микроструктурные элементы. Целью данной работы является исследование связи параметров электромагнитных полей и характеристик микросхем с пороговыми значениями полей, определяющих функциональное состояние микросхем.

1. Методика проведения экспериментальных исследований

Исследование воздействия электромагнитных полей на микросхемы осуществлялось в волноводном тракте прямоугольного поперечного сечения 34х72 мм, на установке, структура которой приведена на рис.1. В качестве источника полей был взят магнетрон МИ-387, генерирующий радиоимпульсы длительностью порядка 1 мкс, скважностью 104, мощностью Pи<28 кВт, средней мощностью Рср < 3 Вт, на частоте f = 3050МГц. Количество импульсов от 1 до 104 или время работы магнетрона (до 30 мин) задавалось с помощью специально изготовленного электронного блока управления в модуляторе. Установка также включала в себя: вентиль, аттенюатор, измерительную секцию для исследования непосредственного воздействия полей на микросхемы. Направленный ответвитель, детекторная секция и осциллограф позволяют контролировать работоспособность установки и характеристики полей, прошедшая мощность измерялась калориметрическим ваттметром (см.рис.1). Значения мощности и напряженности электрической компоненты падающей волны определялись по снятым

15

для исследуемых микросхем зависимостям коэффициента стоячей волны и ослабления (панорамный измеритель коэффициента стоячей волны и ослабления - Р2-56) и значениям мощности прошедшей волны [1].

Интегральные микросхемы памяти 24С04 (фирма Atmel) с размером кристалла 1,8х1,8мм и 27С256-20FA (фирма Intel) с размером кристалла 4,5х4,8мм фиксировались в пенопластовой вставке в 2-х основных положениях в измерительной секции. В первом положении (ориентация «а») грань кристалла с микроструктурными элементами перпендикулярна к вектору напряженности Е воздействующего поля, во втором положении (ориентация «б») - параллельна.

При воздействии электромагнитных полей на неработающие микросхемы трудно судить о реакции микросхем на воздействие, контролировать их функциональное состояние и последствия воздействия. Для контроля состояния микросхем воздействие электромагнитных полей осуществлялось на работающие микросхемы. Для этого при помощи программатора, подключённого к персональному компьютеру, через шину данных производилась запись, а затем считывание данных из исследуемых микросхем (см.рис.1). При записи или считывании проверялась сумма данных, которая сравнивалась с контрольной в персональном компьютере. Несовпадение контрольных сумм свидетельствовало о сбоях в работе исследуемых микросхем памяти.

На работающую микросхему памяти, находящуюся в одном из двух положений в волноводе, воздействовала электромагнитная волна, мощность которой увеличивалась аттенюатором от 100Вт в импульсе до значений мощности соответствующим сбоям и катастрофическим отказам. Всего подвергались воздействию 24 микросхемы, 6 - 24С04 и 18 - 27С256-20FA.

2. Анализ результатов воздействия электромагнитных полей на микросхемы памяти

При воздействии электромагнитных полей на микросхемы 24C04 сбои как при записи, так и при считывании (ориентация «б») происходили при значениях напряжённости поля 2-3 кВ/м, в ориентации « а» - при 25 -35 кВ/м. Деградационные явления в микроструктурных элементах микросхем 24C04, находящихся в ориентации «б», начинаются при воздействии полей с напряженностью электрической компоненты Е > 40 кВ/м. При максимальных значениях напряжённости воздействующего поля (для данной установки 130 кВ/м) катастрофи-

ческих отказов микросхем памяти 24C04 не зафиксировано.

При исследов аниях микросхем 2 7С256-20FA установ -лено, что в ориентации «б» сбои при записи и считывании происходили при значениях напряжённости электрической компоненты порядка 0,2-0,5кВ/м, а в ориентации «а» - при 10-12кВ/м. Катастрофические отказы микросхем в ориентациях «5» фиксировались при воздействии поля с напряженностью 80 - 90 кВ/м.

Проведенный анализ кристаллов позволил выявить основные виды отказов микросхем памяти: главной причиной отказов микросхем при воздействии электромагнитных полей является прожог металлизации -90%. В свою очередь, 48% отказов микросхем при воздействии полей имели место вследствие прожога контактных площадок и 42% - из-за прожога токопроводящих дорожек (рис.2).

Рис. 2. Фрагмент прожога контактной площадки и проводящих дорожек

Экспериментальные результаты хорошо согласуются с физическими представлениями. При воздействии электромагнитных полей к микроструктурным элементам микросхем прикладывается дополнительное напряжение U = E • l , где 1 - геометрическая длина разрядной цепи - совокупности последовательно соединенных микроструктурных элементов (проводящих и диэлектрических структур, активных элементов). Наибольшее значение дополнительного напряжения U получается в том случае, когда микросхемы находятся в ориентации «б» в волноводе. В этой ориентации дополнительное напряжение при воздействии электромагнитных полей в микросхемах без защиты от электростатического разряда будет формироваться теми участками выводов, которые параллельны вектору напряженности поля E , и разрядной

Модулятор

Персональный

компьютер

LJ

п

Программатор

микросхем

памяти

Блок

питания

Магнетрон

МИ-387

Вентиль

Аттенюатор

А

и

Волноводный тракт

Осциллограф контроля работоспособности установки

Детекторная

секция

Измерительная секция ИПМ

Направленный

ответвитель

Ваттметр

МЗ-13/1

Калоримет-

рическая

секция

Рис. 1. Структура установки для непосредственного воздействия электромагнитных полей

на микросхемы памяти

16

РИ, 2006, № 4

цепью кристалла. При этом участки выводов микросхем, параллельные вектору E воздействующего поля, закорачиваются через цепи защиты. Для микросхемы 24C04 с кристаллом 1,8х1,8 мм при воздействии электромагнитных полей с Ет = 130 кВ/м между контактными площадками, расположенными по полю на противоположных концах кристалла, дополнительное напряжение будет составлять всего 230 В, в то время как для микросхемы 27С256-20РА с кристаллом 4,5х4,8 мгновенная разность потенциалов между контактными площадками равна 620 В. Цепи защиты микросхем обычно рассчитаны и выдерживают импульс напряжения до нескольких киловольт. В случае воздействия электромагнитных полей на микросхемы дополнительное напряжение приводит к появлению токов смещения в диэлектрических и токов проводимости - в проводящих микроструктурных элементах, активные элементы при этом работают в напряженных токовых режимах. Из экспериментальных данных следует, что наиболее уязвимым микроструктурным элементом при воздействии электромагнитных полей является металлизация и в первую очередь те ее участки, структура которых наиболее неоднородна - контактные площадки (см.рис.2). Следует отметить, что стойкость микросхем, кроме поляризационного фактора, значения напряженности поля E и размеров кристалла, определяется толщиной металлизации [4]. Чем меньше размеры кристалла, тем меньше значение дополнительного напряжения при воздействии электромагнитных полей.

В [4] приведены зависимости стойкости металлизации при воздействии электромагнитных полей от величины напряженности поля и толщины металлизации. Эти зависимости получены с помощью численного моделирования взаимодействия электромагнитных полей с микроструктурными элементами микросхем. Модель взаимодействия включает в себя последовательное решение дифракционной и электротепловой задач. Исходя из данных, приведенных в [4], можно получить таблицу стойкости микросхем (значений напряженности электромагнитных полей) для различных геометри-

Значение пороговых напряжённостей полей (кВ/м) для микросхем с кристаллами LxL мм и толщиной металлизации Д (мкм) при воздействии одиночного радиоимпульса, прямоугольной формы, длительностью 1мкс

ческих размеров кристалла и толщин металлизации.

В микросхемах 27С256-20БА размеры кристалла 4,5х4,8 мм, толщина металлизации 0,6мкм, в соответствии с таблицей значение напряженности электромагнитного поля, при котором микросхема выходит из строя, Ет > 80 кВ/м. Такие же значения напряженности полей получаются при экспериментальных исследованиях (Ет > 80 - 90 кВ/м).

1, мм / Д, мкм 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

1 200 300 380 550 700

2 100 150 190 275 350

3 67 100 126 163 233

4 50 75 95 138 175

5 40 60 76 110 140

6 33 50 63 91 116

7 29 45 54 79 100

8 25 37 47 69 87

10 20 30 38 55 70

Проведенные исследования показали, что разработанная в [3,4] теория достаточно хорошо подтверждается экспериментальными результатами, она пригодна и для современных микросхем памяти.

Заключение

Стойкость микросхем при воздействии электромагнитных полей определяется напряженностью поля, поляризационным фактором и такими параметрами микросхем, как геометрические размеры кристалла и толщина металлизации. Экспериментальные исследования позволили определить пороговые значения напряженности полей, при которых начинаются сбои в работе, деградационные явления в микроструктурных элементах, катастрофические отказы современных микросхем памяти. Развитая ранее авторами теория позволяет количественно определять соответствующие пороговые значения воздействующего фактора.

Литература: 1. Старостенко В.В., Таран Е.П., Григорьев Е.В., Борисов А.А. Воздействие электромагнитных полей на интегральные микросхемы // Измерительная техника. М., 1998. N° 4. С.65-67. 2. Григорьев Е.В., Малишевский С.В., Старостенко В.В., Таран Е.П. Влияние поляризации электромагнитной волны на соотношение между волнами при воздействии на интегральные микросхемы// Радиоэлектроника и информатика. 2002. №2. С.19-21.3. Григорьев Е.В., Малишевский С.В., Старостенко В.В.,Таран Е.П. Механизмы воздействия электромагнитных полей на интегральные микросхемы // Радиоэлектроника и информатика. 2002. № 3. С.107-110. 4. Ахрамович Л.Н., Зуев С.А., Старостенко В.В., Таран Е.П., Чурюмов Г.И. Влияние толщины металлизации на стойкость интегральных микросхем при воздействии электромагнитных полей // Прикладная радиоэлектроника. 2003. Т.2, №1. С.88-92.

Поступила в редколлегию 21.10.2006

Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Лукин К. А.

Ахрамович Леонид Николаевич, канд. физ.-мат. наук, доцент каф. теоретической физики ТНУ. Научные интересы: моделирование полупроводниковых приборов. Адрес: Украина, 95007, Симферополь, ул. Первомайская, 21.

Г рибский Максим Павлович, аспирант каф. радиофизики и электроники ТНУ. Научные интересы: экспериментальные исследования деградационных процессов в микроструктурных элементах интегральных микросхем при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 95053, Симферополь, ул. Бетховена, 113, кв.88.

Григорьев Евгений Владимирович, канд. техн. наук, доцент каф. радиофизики и электроники ТНУ. Научные интересы: экспериментальные исследования деградационных процессов в микроструктурных элементах интегральных микросхем при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 95000, Симферополь, ул. Азовская, 62.

Зуев Сергей Александрович, старший преподаватель каф. радиофизики и электроники ТНУ. Научные интересы: моделирование полупроводниковых приборов. Адрес: Украина, 95004, Симферополь, ул.Лермонтова, 13, кв.62.

Старостенко Владимир Викторович, д-р физ.-мат. наук, зав. каф. радиофизики и электроники ТНУ. Научные интересы: моделирование вакуумных и твердотельных уст-ройст СВЧ, исследование деградационных процессов в различных объектах и средах при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 95022, Симферополь, ул. Б.Куна, 31, кв.13, раб. тел.: (8-0652) 23-03-60.

Чурюмов Геннадий Иванович, д-р физ.-мат. наук, профессор каф. ФОЭТ ХНУРЭ. Научные интересы: моделирование процессов в микроструктурах при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 61166, Харьков, пр.Лермонтова, 14, тел. 702-10-57.

РИ, 2006, № 4

17