Воздействие импульсных электромагнитных полей на микросхемы АЦП и ЦАП

УДК537.86

ВОЗДЕЙСТВИЕ ИМПУЛЬСНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА МИКРОСХЕМЫ АЦП И ЦАП

ГРИБСКИЙ М.П., ГРИГОРЬЕВ Е.В., СТАРОСТЕНКО В.В., ТАРАН Е.П., УНЖАКОВ Д.А.

Разрабатывается методика проведения исследований по непосредственному воздействию импульсных электромагнитных полей СВЧ диапазона в волноводном тракте на микросхемы АЦП и ЦАП, приводятся результаты экспериментальных исследований.

1. Введение

Воздействие мощных импульсных электромагнитных полей (ИЭМП) на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) вызывает сбои в работе элементной базы, ее отказ, что в итоге приводит и к отказу РЭА. В настоящая время вся обработка сигналов осуществляется с помощью микросхем, которые в наибольшей степени чувствительны к внешним воздействиям. Среди различных типов микросхем - микропроцессоров и микроконтроллеров, микросхем памяти, микросборок приемников и передатчиков, используемых в РЭА, неотъемлемой частью радиоаппаратуры являются микросхемы аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП).

Целью данной работы является определение пороговых значений полей, при которых начинаются сбои в работе и отказы микросхем АЦП и ЦАП при непосредственном воздействии импульсных электромагнитных полей, и анализ причин выхода микросхем из строя.

2. Методика проведения экспериментальных исследований

Исследования по непосредственному воздействию ИЭМП на микросхемы проводились в волноводном тракте. В качестве генератора использовался магнетрон МИ-387, работающий на длине волны 10 см, длительностью прямоугольных импульсов 1мкс, импульсной мощностью Рим < 30 кВт, скважностью 104, средней мощностью Рср < 2 Вт. У становка включала в себя [1]: модулятор, магнетрон, вентиль, аттенюатор, волноводную измерительную секцию, направленный ответвитель для контроля параметров СВЧ радиоимпульсов, согласованную нагрузку (калориметрическую секцию ваттметра В3-13/1). С помощью модулятора можно было задавать количество воздействующих импульсов или время работы магнетрона.

Микросхемы помещались в волновод сечением 34 х 72 или 45 х 90 мм в 2-х положениях: «1» - плоскость кристалла с микроструктурными элементами (МСЭ) параллельна и «2» - плоскость кристалла с МСЭ перпендикулярна к вектору напряженности электрической компоненты волны Н10. Контроль функционального состояния микросхем осуществлялся осциллографом и компьютером с помощью специально

разработанных тестирующих программ. Экранированный кабель через отверстие в широкой стенке волновода соединял микросхему с внешними радиоэлектронными компонентами схемы тестирования.

В качестве микросхем АЦП и ЦАП были взяты 10 ИМС ТЬС5491Р (кристалл 1,8 х 1,8мм) и 20 ИМС AD7243 (кристалл 4х 4,8мм) [2]. Необходимым условием проведения экспериментальных исследований при непосредственном воздействии ИЭЭМП на современные микросхемы является использование компьютера, разработка программы и схемы тестирования функционального состояния микросхем. Тестирование микросхем необходимо для определения значений полей, при которых начинаются сбои в работе и катастрофический отказ микросхем. На рисунке приведена схема тестирования функционального состояния ЦАП AD7243.

Исследования воздействия ИЭМП на микросхемы АЦП и ЦАП проводились как непосредственно на микросхемы, так и на электронные модули, включающие исследуемые микросхемы. В первом случае все внешние радиоэлементы схемы тестирования (см. рисунок) были вне волновода и соединялись с микросхемой жгутом экранированных проводников. Во втором случае собирался электронный модуль, включающий в себя исследуемую микросхему и радиоэлементы схемы включения. Как и непосредственно микросхемы электронный модуль располагался в ориентациях «1» и «2» в волноводе. Для микросхем AD7243 с размером корпуса 22 х 6,35 х 4,5мм измерения проводились в волноводном тракте сечением 45 х 90мм. Плата электронного модуля имела геометрические размеры 24 х 18 х 7мм.

При воздействии ИЭМП на микросхемы АЦП на их вход подавался сигнал от генератора Г3-112, визуализация выходного сигнала осуществлялась с помощью компьютера. При воздействии электромагнитного излучения на микросхемы ЦАП с помощью компьютера генерировался цифровой сигнал, который подавался на микросхемы, аналоговый сигнал через экранированный кабель снимался на осциллограф.

3. Результаты экспериментальных исследований

Отличительной особенностью современных микросхем от микросхем с низким и средним уровнями интеграции [1] является наличие цепей защиты от электро статического разряда (ЭСР). При воздействии импульсных электромагнитных полей СВЧ диапазона на микросхемы с защитой от ЭСР они выдерживают воздействие нескольких СВЧ импульсов, нагреваются и только после этого выходят из строя. С учетом этого в качестве отсчетных для пороговых значений стойкости микросхем при воздействии ИЭМП бралось количество импульсов от 50 до 100.

Пороговые значения напряженности электрической компоненты поля (Ету), при которых начинаются сбои в работе микросхем и их катастрофические отказы, определяются в основном взаимной ориентацией поля

22

РИ, 2007, № 4

и микросхемы и размерам кристалла. В частности, для ЦАП AD7243 в ориентации «1» сбои в работе начинаются при Ету > 0,07 кВ/м, а катастрофические отказы наступают при Ету > 80 кВ/м. В положении «2» для микросхемы AD7243 сбои в работе начинаются при Ету > 10 кВ/м. При напряженности электрической компоненты Ету = 130 кВ/м микросхемы не выходили из строя при воздействии на них 104 импульсов. Импульсной мощности генератора СВЧ также было недостаточно для вывода из строя микросхем ТЬС549ГР с кристаллом 1,8 х 1,8мм. Цепи защиты от ЭСР находятся непосредственно на кристалле, поэто -му величину дополнительного напряжения при воздействии ИЭМП определяют не внешние цепи и выводы микросхемы, а размеры кристалла.

При воздействии ИЭМП на электронные модули понижаются пороговые значения воздействующего поля, при которых начинаются сбои в их работе. Пороговые значения полей катастрофических отказов для электронных модулей и непосредственно для микросхем при воздействии ИЭМП практически не меняются.

Анализ причин выхода микросхем из строя при воздействии ИЭМП показал:

- 60% микросхем выходят из строя вследствие прожога металлизации, из которых 30% - это прожог контактных площадок, 30% - прожог токопроводящих дорожек;

- 30% микросхем выходят из строя при одновременном прожоге активных полупроводниковых микроструктурных элементов и, как правило, токопроводящих дорожек;

- 10% микросхем выходят из строя вследствие выгорания активных полупроводниковых микроструктур -ных элементов. Эти статистические данные совпадают

с данными для микроконтроллеров и микросхем памяти [3,4].

4. Заключение

Описана методика проведения волноводных экспериментальных исследований по воздействию импульсных электромагнитных полей СВЧ диапазона на микросхемы АЦП и ЦАП. Проведенные исследования позволили установить пороговые значения полей, при которых начинаются сбои в работе микросхем и их катастрофические отказы, а также выявить причины отказов микросхем. Для повышения стойкости микросхем к воздействию импульсных электромагнитных полей СВЧ диапазона необходимо разрабатывать на кристалле или панелях крепления микросхем специализированные схемы защиты, как это делается для защиты от электростатического разряда.

Литература: 1. Борисов А.А., Григорьев Е.В., Старо-стенко В.В., Таран Е.П. Воздействие электромагнитных полей на интегральные микросхемы // Измерительная техника. М., 1998. № 4. С. 65-67.2.НовожиловО.П. Основы микропроцессорной техники. Т.1,2. Издательство: РадиоСофт. 2007. 432с. 3. Грибский М.П., Григорьев Е.В., Войтович С.А.и др. Воздействие импульсных электромагнитных полей на современные микроконтроллеры // Прикладная радиоэлектроника. 2006. Т.5, №.2. С. 294-297. 4. Ахрамович Л.Н., Грибский М.П., Григорьев Е.В. и др. Воздействие импульсных электромагнитных полей на интегральные микросхемы памяти // Радиоэлектроника и информатика. 2006. № 4 (35). С.15 - 17.

Поступила в редколлегию 11.11.2007

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

Грибский Максим Петрович, аспирант кафедры радиофизики Таврического национального университета. Научные интересы: исследования воздействия мощных электромагнитных полей на микросхемы.

Схема тестирования работоспособности микросхем AD7243

РИ, 2007, № 4

23

Григорьев Евгений Владимирович, канд. техн. наук, доцент кафедры радиофизики Таврического национального университета (ТНУ). Научные интересы: экспериментальные исследования деградационных процессов в микроструктурных элементах интегральных микросхем при воздействии электромагнитных полей.

Старостенко Владимир Викторович, д-р 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.

УДК539.1.074 '

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ CdTe (CdZnTe) ДЕТЕКТОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РЕНТГЕНОВСКОГО И ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЙ

ПРОХОРЕЦ И.М._____________________________

Проводится исследование методами I-V характеристик, имитационного моделирования и спектрометрии детекторов на основе CdTe и CdZnTe для регистрации гамма-квантов. Обосновываются теоретические и экспериментальные методы оптимизации характеристик планарных полупроводниковых детекторов.

1. Введение и постановка задачи

Во всем мире и в Украине характерным в настоящее время является расширение использования ядерных технологий в энергетике, науке, промышленности, медицине и космических исследованиях. Это обуславливает применение различных детекторов для регистрации заряженных частиц, нейтронов, рентгеновского и гамма-излучений. Детекторы для целей регистрации этих частиц можно разделить на пассивные, обеспечивающие отсчет результатов в процессе наблюдения после некоторой экспозиции, и активные, допускающие отсчет результатов в процессе наблюдения [1]. Из различных типов детекторов, разработанных в настоящее время для дозиметрии как заряженных частиц, так и нейтронов, рентгеновских и гамма-квантов, к пассивным следует отнести ядерные эмульсии, трековые детекторы на основе различных пленок, для которых необходимо травление, термолюминесцентные детекторы и калориметры, к активным - твердотельные детекторы, к которым также относятся полупроводниковые и детекторы с газовым наполнением: счетчики Гейгера-Мюллера, ионизационные камеры, пропорциональные счетчики. Мультисферный спектрометр Боннера обладает свойствами как активного, так и пассивного дозиметра нейтронов в широком диапазоне энергий [2].

За последнее время появились новые типы детекторов на основе алмаза и карбида кремния (SiC). Исследо-

24

Таран Евгений Павлович, канд. физ.-мат. наук, доцент 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. E-mail: taran@tnu.crimea.ua

Унжаков Дмитрий Александрович, аспирант кафедры радиофизики Таврического национального университета. Научные интересы: численное моделирование физических процессов в полупроводниковых структурах при воздействии электромагнитных полей.

вание последних показало, что они способны регистрировать заряженные частицы, нейтроны с конвертером нейтрон - заряженная частица в виде тонкого слоя, например LiF, и гамма-излучение [3]. Важным преимуществом таких детекторов по сравнению с известными полупроводниковыми, как показали исследования, оказалась возможность их работы в смешанных полях нейтронов и гамма-квантов. Детекторы на основе пленок алмаза, атомный номер которого равен шести, в наибольшей мере по своим свойствам регистрировать рентгеновское и гамма-излучение являются почти идеальными тканеэквивалентными дозиметрами (мягкая ткань человека имеет атомный номер Z=7,1) [4].

По-прежнему привлекают к себе внимание детекторы на основе таких полупроводниковых материалов как CdTe и CdZnTe [5,6]. Для улучшения энергетического разрешения CdT e и CdZnT e детекторов предложен ряд технологических [7,8] и электронных [9] методов. Эти методы усложняют технологию изготовления детекторов и электроники съема с них информации и тем самым лишают сравнительной простоты их изготовления и применения.

Трудности в технологии изготовления кристаллов для CdT e и CdZnT e детекторов привели к тому, что наиболее совершенные кристаллы, полученные в результате отбора, стали использоваться для спектрометрии излучения, а остальные, отнесенные к классу дозиметров, начали применяться для дозиметрии рентгеновского и гамма-излучений. Проведение измерений показало, что отличие между двумя классами этих кристаллов заключается в том, что спектрометры позволяют работать в счетном режиме и измерять спектры излучения, регистрируя фотопик в результате фотопоглощения в широком диапазоне энергий. Кристаллы дозиметрического класса позволяют работать или в режиме измерения фототока, или в режиме измерения количества импульсов, но в обоих случаях информация о спектрах излучения отсутствует.

Главным недостатком использования CdT e или CdZnT e кристаллов в качестве дозиметров заключается в том, что они имеют большой атомный номер (Z~5 0), кото -рый значительно отличается от воздуха или ткани человека, поэтому они обладают различным массовым коэффициентом поглощения, зависящим от энергии излучения. Следовательно, при разработке дози-

РИ, 2007, № 4