СПОСОБ ОЦЕНКИ СТОЙКОСТИ МИКРОЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ К ВНЕШНЕМУ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ
METHOD OF EVALUATING RESISTANCE OF MICROELECTRONIC EQUIPMENT TO EXTERNAL ELECTROMAGNETIC ACTION

Изобретение имеет отношение к области исследований стойкости микроэлектронного оборудования к воздействию электромагнитных полей высокой и сверхвысокой частоты и может быть использовано в рамках принятия мер по противодействию искусственным преднамеренным и непреднамеренным помехам, создаваемым радиотехническим, электронным и электротехническим оборудованием различного назначения.
На практике для оценки стойкости микроэлектронного оборудования различного назначения к воздействию внешних электромагнитных полей высокой и сверхвысокой частоты (далее по тексту - электромагнитных полей, ЭМП), заключающейся в определении амплитуды внешних ЭМП, вызывающих сбои в штатном режиме работы оборудования, применяют метод непосредственного воздействия на исследуемых объект сигналами от набора тестовых узкополосных мощных генераторов [М.  K.G.  // Susceptibility of electronic systems to high-power microwaves: summary of test experience // IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. 46, pp. 396-403, Aug. 2004]. При этом объект подвергается воздействию излучением от малых амплитуд вплоть до определенной критической величины, при превышении которой дальнейшее воздействие приводит к физическому повреждению объекта. На данном этапе возникает один из ключевых вопросов, связанных с эффективностью планируемого облучения объекта, в частности, с выбором диапазона частот и режимов воздействия. Ведь спектр электромагнитных сигналов весьма велик, и на практике, в зависимости от рабочей частоты генератора и энергии, заключенной в зондирующем сигнале, могут быть реализованы сборки, на порядки отличающиеся между собой по мощности, масса-габаритам и стоимости.
Известен способ оценки стойкости различных технических средств, реализованный в универсальном экологическом измерительном комплексе для определения устойчивости технических средств к воздействию внешних ЭМП (патент РФ 2118475, G01R 31/00, 1998), согласно которому исследуемый объект гальванически связывают с тестовым генератором электромагнитных колебаний, сигналы с которого подаются на испытуемую цепь объекта и с частотой модуляции возбуждают исследуемую электрическую цепь, которая создает в свободном пространстве электромагнитное поле. При использовании данного комплекса вырабатываемые генератором испытательных помех сигналы подаются по испытательной линии связи в объект испытаний и одновременно по дополнительной линии связи - в измерительно-вычислительное устройство, где производится совместная обработка этого сигнала и сигнала с приемной антенны, что позволяет расчетным путем определить степень стойкости электрической цепи к воздействию внешних ЭМП. Недостатки подобного подхода заключаются в отсутствии обоснования выбора частот воздействия; а также амплитуд полей, не угрожающих физическим уничтожением объекта испытаний, при этом существует необходимость разборки исследуемой микроэлектроники для организации гальванической линии связи с тестовым генератором.
Известные способы оценки стойкости микроэлектронного оборудования различного назначения основаны на использовании стационарных испытательных стендов, состоящих из набора отдельных узкополосных мощных генераторов. На основании характеристик внешних ЭМП, создаваемых этими генераторами, устанавливаются частоты и мощностные уровни зондирующих сигналов, которыми впоследствии облучают исследуемую микроэлектронику. Далее оценивается степень повреждения и работоспособность испытуемого микроэлектронного оборудования после приложенного внешнего ЭМП, после чего судят о ее стойкости, а также об электромагнитной совместимости (ЭМС) с другими устройствами, предположительно расположенными вблизи данной аппаратуры и способными вызвать сбои в ее работе. Подобные способы и аппаратурные испытательные комплексы приведены в USA MILITARY STANDART 461E (Department of Defense, Interface Standard. Requirements for the control of electromagnetic interference of subsystems and equipment, 1999. Defense Standardization Program Office (DLSC-LM) 8725 John J. Kingman road, Suite 2533, Ft. Belvoir, VA 22060-2533, стр. 119-134.) по стойкости электрически инициируемых устройств и предоставляют собой наборы рекомендуемых тестовых частот без какой-либо их связи с параметрами объектов.
В целом, анализируя исследования, направленные на определение величины внешнего ЭМП, представляющего опасность для микроэлектронной аппаратуры, можно отметить, что частоты и другие параметры воздействующих сигналов выбираются произвольно, исходя из соображений технической возможности реализации самого тестового сигнала, а не из соображений максимальной эффективности воздействия на исследуемое оборудование.
Наиболее близким к заявляемому способу, принятым за прототип, является описание устройства для определения устойчивости технических средств при испытаниях технических изделий различного назначения к воздействию внешних ЭМП (стандарт MIL-STD-462D 1993 г., США, ERA Technology Report 94-0049 "Automative Electromagnetic Compatibility", стр. 104-113; Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике, М.: Энергоатомиздат, 1995 г., с. 202-220), где применяются излучающие системы для создания внешних полей с нормированными величинами амплитуды.
Испытуемая аппаратура размещается в месте создания нормированных полей, результаты испытаний оценивают по сохранению ее работоспособности и, при необходимости, дополнительно определяют наведенный в элементах электрических цепей из состава исследуемого объекта ток различными измерительными средствами. Испытания проводятся с контролем условий испытаний на специальных открытых измерительных площадках полигонов, а также в закрытых безэховых и экранированных камерах. Схема измерения стойкости объекта содержит генератор тестовых сигналов, излучающую антенну, приемную антенну, расположенную в зоне размещения объекта и связанную с измерителем напряженности поля и измерительную линию связи с исследуемым объектом.
Генератор сигналов посредством излучающей антенны создает на некотором расстоянии от объекта ЭМП с напряженностью заданной величины (это зондирующий сигнал, то есть поле, созданное генератором и выведенное излучающей антенной), которая контролируется с помощью измерителя напряженности поля, соединенного с приемной антенной. В исследуемую электрическую цепь объекта на место штатного элемента, подверженного воздействию ЭМП, устанавливается преобразующее устройство, откалиброванное по току. С его выхода сигнал (отклик), пропорциональный наведенному току, по измерительной линии связи поступает на прибор контроля, где фиксируется и сравнивается с допустимым током штатного элемента (то есть контролируется отклик объекта на зондирующий сигнал).
Таким образом, главным недостатком подобных подходов является отсутствие обоснования выбора параметров воздействия, в частности конкретных частот воздействия, а также амплитуд полей, не угрожающих физическим уничтожением исследуемой микроэлектроники, что недопустимо в случаях исследования стойкости дорогостоящих и уникальных объектов.
Технической проблемой (задачей) является неконтролируемость параметров воздействия при технологической громоздкости. Технический результат состоит в повышении достоверности оценки при обеспечении технологичности оценки, а также уменьшения риска выхода исследуемого микроэлектронного оборудования из строя.
Данный технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа оценки стойкости микроэлектронного оборудования к воздействию внешних электромагнитных полей высокой частоты, заключающийся в том, что исследуемый объект подвергают воздействию внешних электромагнитных полей высокой частоты посредством зондирующего сигнала и регистрируют отклик микроэлектронного оборудования на данное воздействие, по отклику исследуемого объекта оценивают его стойкость, предложенный способ отличается тем, что перед непосредственным воздействием электромагнитных полей высокой частоты на микроэлектронное оборудование проводят исследование создаваемой им картины электромагнитных полей в различных поляризациях путем регистрации его собственного паразитного излучения; по результатам регистрации определяют частоты пиков собственного паразитного излучения микроэлектронного оборудования, функционирующего в штатном режиме; микроэлектронное оборудование подвергают воздействию зондирующим сигналом внешних электромагнитных полей высокой частоты на определенных частотах частоты пиков собственного паразитного излучения микроэлектронного оборудования; регистрируют отклик исследуемого объекта на воздействие зондирующего сигнала на его высших гармониках; контролируют амплитуду высших гармоник в выходном сигнале до начала ее уменьшения, что свидетельствует о сбое в работе микроэлектронного оборудования и позволяет судить о стойкости.
Микроэлектронный элемент из состава оборудования во время функционирования в номинальном режиме посредством имеющейся произвольной паразитной линии передачи энергии и паразитной антенны излучает сигналы определенной частоты в окружающее его пространство, то есть создает картину электромагнитных полей в различных поляризациях, состоящую из частот его собственного паразитного излучения. Поэтому, зарегистрировав это излучение, возможно определить набор частот некоторых паразитных входов, при этом воздействие на объект на данных частотах за счет гарантированного наличия канала передачи энергии до чувствительного элемента может оказаться эффективнее при более низких уровнях зондирующих сигналов. Следовательно, повысится достоверность оценки уровней стойкости исследуемой микроэлектронной аппаратуры к воздействию.
При наличии возможности отключения подачи питания на отдельные микросхемы из состава оборудования удается определить набор паразитных частот отдельного функционального узла, при воздействии на которых возможны сбои в штатной работе устройства.
Подход к оценке амплитуд полей, не угрожающих физическим уничтожением исследуемого микроэлектронного оборудования, базируется на явлении нелинейного рассеяния электромагнитных волн на полупроводниковых элементах. Известно, что при подаче гармонического сигнала на микроэлектронный элемент с нелинейной вольт-амперной характеристикой, в выходном сигнале с этого элемента будут присутствовать гармонические составляющие, кратные частоте подаваемого сигнала, так называемые высшие гармоники. Поскольку моменту выгорания микроэлектронного элемента предшествует снижение уровня его собственных гармоник, что прямо свидетельствует о начале деградации р-n перехода под действием наведенных токов, возможно определение границы амплитуды внешнего воздействующего поля, при превышении которой микроэлектронный элемент выйдет из строя, приведя к поломке исследуемого микроэлектронного оборудования. Поэтому регистрация уровней высших гармоник, сгенерированных микроэлектронным элементом из состава исследуемого микроэлектронного оборудования под воздействием зондирующего сигнала, служит индикатором нарушения работы изучаемого устройства, исключая риск его физического уничтожения. В порядке пояснения, речь идет не о собственных паразитных частотах, а о гармониках зондирующего сигнала, созданных самим оборудованием под действием этого зондирующего сигнала, а вот частота зондирующего сигнала - это сначала одна из собственных паразитных частот, затем другая, и так далее по списку, пока не дойдешь до последней из найденных путем регистрации картины собственных полей оборудования.
Таким образом, за счет предложенного подхода обеспечена более достоверная и технологичная оценка стойкости микроэлектронного оборудования различного назначения к внешним ЭМП, не связанная с риском вывода из строя исследуемого микроэлектронного оборудования.
Принципиальная схема исследований создаваемой микроэлектронным оборудованием картины собственных паразитных электромагнитных полей представлена на фиг. 1, где 1 - исследуемый объект; 2 - измерительная антенна; 3 - устройство регистрации электромагнитного излучения (осциллограф, анализатор спектра и т.п.).
Принципиальная схема определения стойкости микроэлектронного оборудования к внешним ЭМП представлена на фиг. 2, где 1 - исследуемый объект; 2 - измерительная антенна; 3 - устройство регистрации электромагнитного излучения (осциллограф, анализатор спектра и т.п.; 4 - перестраиваемый по частоте генератор зондирующих сигналов; 5 - фильтр высших гармоник; 6 - излучающая антенна).
Под исследуемым объектом понимается любое радиотехническое, электронное и электротехническое оборудование, построение электрических схем которого основано на элементах и их группах, созданных на научном принципе нелинейного преобразования электрических сигналов (любой элемент с нелинейной амплитудно-частотной характеристикой).
Под устройством регистрации электромагнитного излучения понимается любой прибор как средство измерения, способное достоверно определять физические величины электромагнитной природы, прежде всего, зависимость напряжения от времени (осциллограф, анализатор спектра, калориметр и т.п.).
Измерительная антенна - любое устройство измерения величины внешнего электромагнитного поля, поверенное с помощью аккредитованной методики с приложением соответствующих документов.
Излучающая антенна - любое устройство, излучающее электромагнитное поле, поверенное с помощью аккредитованной методики с приложением соответствующих документов.
При осуществлении, предлагаемый способ включает в себя следующие действия по применению. Исследуемый объект 1 измерительная антенна 2 и устройство регистрации 3 размещаются вблизи исследуемого микроэлектронного оборудования для снятия картины его собственных паразитных электромагнитных полей в различных поляризациях согласно принципиальной схеме (фиг. 1). После подачи питания на электрические схемы исследуемого объекта 1 для обеспечения его штатной работы производится регистрация амплитуды и частоты постоянного, импульсно-периодического или однократного собственного электромагнитного излучения, сгенерированного функционированием электрических схем исследуемого объекта 1 при наличии на них питания. Полученные с помощью измерительной антенны 2 частоты паразитных входов, зарегистрированные устройством регистрации 3, в дальнейшем служат тестовыми частотами для зондирующих сигналов, применяемых для испытаний микроэлектронного оборудования на стойкость к внешним ЭМП. Для этого дополнительно размещаются перестраиваемый по частоте генератор 4, фильтр высших гармоник 5 и излучающая антенна 6 для генерации зондирующих сигналов согласно принципиальной схеме (фиг. 2). Воздействие внешним ЭМП на исследуемый объект 1 осуществляется с одновременной регистрацией параметров создаваемых полей и выходных параметров собственного паразитного излучения объекта на высших гармониках зондирующего сигнала с помощью устройства регистрации 3. Посредством генератора 4 на выбранной из зарегистрированных ранее частоте осуществляется воздействие с последовательным увеличением амплитуды зондирующего сигнала и одновременной регистрацией отклика исследуемого объекта на частотах высших гармоник до момента уменьшения амплитуды выходных сигналов при дальнейшем увеличении амплитуды зондирующего сигнала. Уровень достигнутой таким образом величины электромагнитного поля в месте размещения исследуемого объекта считается критическим уровнем, до которого оборудование способно функционировать в штатном режиме работы. Превышение данного уровня поля приведет к сбоям в работе оборудования или даже к выходу его из строя.
Для подтверждения эффективности способа проведены лабораторные испытания стойкости к воздействию электромагнитных полей ряда разнородных объектов. Испытания показали повышение достоверности оценки стойкости микроэлектронного оборудования при обеспечении технологичности, в ходе испытаний ни один из исследуемых объектов не вышел из строя.