Исследование функциональных отказов в КМОП ИС

Вводный курс
Вторичные электромагнитные эффекты в радиоэлектронной
аппаратуре при действии импульсного
ионизирующего излучения
В.Ф.Зинченко, д.ф.-м.н., доцент, ФГУП «НИИП»
Представлен обзор основных видов вторичных электромагнитных
эффектов (ВЭЭ) в радиоэлектронной аппаратуре, включая:
- физические механизмы возбуждения ВЭЭ;
- классификация ВЭЭ;
- методическое и техническое обеспечение проведения
испытаний РЭА на стойкость к ВЭЭ.
Электромагнитные поля, возбуждаемые импульсным ИИ
1 Внешний ЭМИ ( ЭМИ )
2 ЭМИ, генерированный системой ( ЭМИ ГС )
2.1 Внешний ЭМИ ГС
2.2 Внутренний ЭМИ ГС
2.3 ЭМИ ГС на линиях связи (прямое возбуждение)
2.4 Приборный ЭМИ ГС
Внешний ЭМИ (ЭМИ)
Методы моделирования
1 Имитатор ЭМИ
Рабочий испытательный объем полеобразующей системы находится в
облучательном боксе ускорителя УИН - 10 и имеет размеры 1м х 1м х 1м.
Длительность фронта ЭМИ составляет ~ 5 нс, а длительность импульса на
полувысоте ~ 50 нс.
Амплитудные значения напряженностей полей ЭМИ составляют ~100 кВ/м для
электрического поля и 300 А/м для магнитного поля.
2 Комплексная установка УИН + ЭМИ
Ускоритель УИН – 10
а) режим «короткого» импульса с длительностью на полувысоте  80...100 нс.,
мощность дозы у мишени ~ 1012 Р/c, средняя энергия тормозного излучения ~ 0,9
МэВ.
б) режим «длинного» импульса с длительностью по основанию ~ 1,6...2,0 мкс,
доза вблизи мишени ~ 60 кР и средняя энергия тормозного излучения ~ 0,5 МэВ.
Диаметр пятна с дозой ~ 60 кР в режиме "длинного" импульса около 30 мм,
а диаметр пятна с мощностью дозы 1012 Р/c составляет ~ 15 мм.
Общая схема возникновения ЭМИГС
γ
γ
е-
е-
ЛС
γ
ЛС
е-
1. Падающее фотонное излучение генерирует электроны эмиссии с
облучаемых поверхностей.
2. Электроны эмиссии возбуждают электромагнитные поля.
3. Электромагнитные поля генерируют наводки в линиях связи,
что приводит к переходным процессам в подключенных устройствах и
блоках аппаратуры.
Внешний ЭМИГС
е-
γ
е-
Н
Е
1. Эмиссия электронов с внешней поверхности объекта генерирует
поверхностные токи (Н) и заряды (Е).
2. Для больших объемов и флюенсов фотонного излучения эмиссия
электронов ограничена объемным зарядом.
3. Поверхностные токи и заряды затекают внутрь объекта через
кабельные входные отверстия.
Внутренний ЭМИГС
Корпус
е-еj
Н
Е
еЛС
е
1. Эмиссия электронов с внутренней поверхности объекта генерирует поток заряда
и электромагнитные поля (ЭМП).
2. Для больших объемов и флюенсов фотонного излучения эмиссия электронов
ограничена объемным зарядом. Поток заряда и ЭМП сильно зависят от наличия
воздуха внутри объекта.
3. Электромагнитные поля генерируют наводки в линиях связи, что приводит к
переходным процессам в подключенных устройствах и блоках аппаратуры.
4. Поток заряда и ЭМП генерируют наводки в проводящих материалах,
вызывая переходные обратимые эффекты и катастрофические отказы типа пробоя.
ЭМИГС в линиях связи (кабелях)
I
защита
е-
щель
внешняя
цепь
диэлектрик
проводник
1. Эмиссия электронов с поверхностей проводника генерирует смещение
заряда по сечению кабеля
2. Смещение заряда генерирует токи/напряжения замещения
во внешней цепи
3. Наводки во внешней цепи вызывают переходные обратимые
эффекты и катастрофические отказы типа пробоя.
ЭМИ ГС - приборные эффекты
корпус
е-
е-
е-
е--
J
е-
Печатные платы
е-
е--
е-
Е
е-
Н
е-
Проводящие
дорожки
1. Эмиссия электронов с внутренней поверхности прибора генерирует
поток заряда и электромагнитные поля (ЭМП).
2. Поток заряда и электромагнитные поля генерируют наводки в
проводящих материалах, что может приводить к переходным
процессам и катастрофическим отказам элементах аппаратуры.
Примеры генерации эффектов ЭМИ ГС в элементах РЭА
20
E(E), 1/kэВ
15
10
1
5
2
0
0
20
40
60
80
100 120 140 160
Энергия фотона E, кэВ
Энергетический спектр фотонного излучения установки Плазменный фокус:
1 – Еэфф =40 кэВ, 2 – Еэфф=52 кэВ
Наведенные токи в проводящих дорожках печатных плат
линейная плотность тока, А/см/рад/с
1,e-12
без защиты
теория
1,e-13
Плата с
защитным
покрытием
1,e-14
(+)
1,e-15
(-)
Плата и
корпус
прибора
с защитным
покрытием
стекло
полиамид
1,e-16
100
1000
10000
Ud, кВ
Зависимость плотности тока в проводящих дорожках печатной платы от среднего напряжени
приложенного к диоду сильноточного ускорителя электронов, для различных вариантов защи
корпуса прибора и печатной платы.
Темные значки – положительный отклик, открытые значки – отрицательный отклик.
1 (Âàêóóì , Ta)
20
10
0
-10
0
2
4
6
8
10
12
14
1 (Âî çäóõ, Ta)
20
10
Uâû õ, ì Â
0
-10
0
2
4
6
8
10
12
14
10
0
-10
2 (Âàêóóì , Al)
-20
-30
0
2
4
6
8
10
12
14
10
0
-10
3 (Âàêóóì , Ta)
-20
-30
0
2
4
6
8
10
12
14
10
0
-10
3 (Âî çäóõ, Ta)
-20
-30
0
2
4
6
8
10
Âðåì ÿ, ì êñåê
12
14
Радиационный отклик ОУ в различных вариантах
облучения на установке Плазменный фокус:
1 - облучение фотоэлектронами,
эмиттируемыми из Al или Ta фольги;
2 – облучение в прямом пучке фотонов;
3 - промежуточный вариант облучения
(фотоэлектроны и рассеянные фотоны)
Расчетно-экспериментальные исследования эффектов ЭМИ ГС
на установке ЛИУ-10
Внутренний ЭМИ в помехозащищенном комплексе
Датчик
магнитного
поля
L
Передняя
стенка
цилиндра
R
Задняя
стенка
цилиндра
Пучок
Дозиметр
Датчик
электрического
поля
Расчет ВЭМИ в замкнутом цилиндрическом объеме



1 ( H )
rotE  
,
divD  4
c t

 4 
 1 (E )

rotH 
( j  E ) 
,
divB  0
c
c t
(1)
В цилиндрической геометрии с учетом аксиальной симметрии задачи имеем
H
1 Er 4
 jr  Er     ,

c t
c
z
H  H 
1 E z 4
 j z  E z   

,
c t
c
r
r
1 H  Er E z


c dt
z
r
(2)
Граничные условия задаются, исходя из предположения об идеальной проводимости стенок цилиндра, т.е.
Ez  0  r  R
Er  0  z  0, z  L ,
(3)
R – радиус, L – длина ПЗК
 (r , z, t )  ee ( E )ne (r , z, t ) ,
(4)
где е – подвижность электронов, n e (r, z, t) – концентрация электронов .
Зависимость n e (r, z, t) определяется в результате численного интегрирования уравнений кинетики для электронов и
ионов
dne
 G  ne   c e ne E   e ne n ,
dt
dn
 G   e ne n   p n n   c e ne E ,
dt
dn
 ne   p n n ,
dt
(5)
5
10
15
20
0,00
t'=t-r/c, нс
Ez (t'), отн.ед.
1011 р/с
1010 р/с
-0,50
109 р/с
-1,00
Типичные зависимости Еz ( t ) при различных уровнях P в равномерно
облучаемом цилиндрическом объеме ( L = 1 м, R = 0,5 м , fo( t )  sin2 t )
50
Ez, kB/м
25
0
50
100
150
Z, см
-25
Зависимость Еz (z) в объеме ПЗК установки ЛИУ – 10
r
Эффекты ЭМИ
ГС при высоких интенсивностях ИИ
Je
E (r,t)
ИС
z
σ(t)
а
r
φγ
Je,к
E (r,t)
ИС
z
σ(t)
б
Геометрия расчёта ВЭМИ, генерируемого в защитном цилиндрическом экране при действии импульсного
электронного (а) и гамма (б) излучения
ВЭМИ в защитном экране (диаметр 2 см, длина 3 см)
20.00
0.00
0.0E+00
-20.00
5.0E-09
1.0E-08
1.5E-08
2.0E-08
2.5E-08
E, kV/m
-40.00
-60.00
-80.00
-100.00
-120.00
-140.00
-160.00
-180.00
t,s
Амплитудно-временные характеристики радиальной (▲) и аксиальной ( ■ )
компонент электрического поля ВЭМИ при действии ЭП с
Рмах =1013 рад(Si)/с в точке с координатами z = zmax , r = R/2.
Напряжения пробоя для типовых ИЭТ
Тип изделия
Uпроб, В
КМОП 564ЛН2
50…70
СВЧ диод 2А534А
40…130
СВЧ диод 3А409А
100…200
Стабилизатор
напряжения
LP2951CN
50…100
Транзистор 2Т201А
< 100
Поскольку Uпроб  АТимп-1/2, можно сделать вывод, что импульс ВЭМИ на
установке ЛИУ-10 (Тимп = 10 нс, Е = 2 кВ/см) способен вызвать пробой ИЭТ
Основной вывод - эффекты ЭМИ ГС сопоставимы и даже могут превосходить
ионизационные эффекты
Методы моделирования ЭМИ ГС
Прямые: создание полей ИИ, по амплитудно-временным и
пространственно-энергетическим характеристикам соответствующим
реальным условиям.
Косвенные: имитация эффектов ЭМИ ГС с помощью
эквивалентных импульсов тока и напряжения
Моделирование внешнего ЭМИГС с помощью сильноточных
ускорителей электронов
Зависимость выхода тормозного излучения и коэффициента пропускания электронов
Ке для ускорителя ЛИУ-10 от толщины мишени (тантал), Ее=10 МэВ
d, см
Доза, Р/электрон,
R=50см
Ке,%
0,025
0,810-13
100
0,05
1,610-13
100
0,1
1,910-13
71
0,15
1,910-13
30
0,2
1,910-13
7
Моделирование совместного действия ИИ и СГЭМИ
с помощью сильноточного ускорителя электронов
ТИ
ТИ
Ie
РЭА
а
ТИ
ТИ
Ie
Ie
РЭА
а) Мишень полного поглощения
б) Мишень оптимальной толщины
б