ВЕРОЯТНОСТЬ ОТКАЗА ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ИМПУЛЬСНОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ

January 15, 2013 by admin Комментировать »

Солодов А. В.

Федеральное государственное унитарное предприятие «Московский радиотехнический институт Российской Академии наук» Варшавское шоссе, 132, г. Москва, 117519, Россия тел. 315-62-42, e-mail: avs56@nm.ru

Аннотация – Предложено теоретическое развитие модели накопления повреждений для объяснения наблюдаемых эффектов повреждения интегральных микросхем (ИМС) полиимпульсным радиоизлучением. Получены аналитические выражения вероятности и энергии повреждения прибора от частоты повторения радиоимпульсов.

I.                                       Введение

Результаты экспериментов [1, 2] показывают, что отказы полупроводниковых приборов в режиме одиночного радиоимпульса происходят при энергии и мощности импульса больших, чем мощность и энергия одного импульса в полиимпульсном режиме. Эффект наблюдается, и в области малых частот повторения радиоимпульсов, когда не происходит накопление тепла от импульса к импульсу. Для объяснения этого явления в работе [2] предложена модель накопления повреждений. Она состоит в том, что под действием одного импульса из пачки происходит локальное изменение структуры, например, образование дефекта. Выход прибора из строя будет происходить при достижении некоторого критического числа дефектов. Для отказа прибора, при воздействии одного импульса, требуется создание одного большого дефекта, при этом для создания большого дефекта требуется максимальная энергия.

Данная работа посвящена теоретическому развитию модели накопления повреждений и сравнением расчетов с экспериментальными данными повреждения ИМС под действием серии радиоимпульсов.

II.                                 Основная часть

Количественной мерой степени деградации прибора может быть, например, дифференциальная проводимость р. Изменение параметра р происходит только во время действия импульсов перегрузки и пропорционально скорости процесса повреждения г (Еа). Воспользуемся активационной теорией Аррениуса, в которой скорость:

Здесь г- постоянная, зависящая от типа дефектов, Еа- энергия активации процесса повреждения, к – постоянная Больцмана, Е- энергия импульса перегрузки. Температура Т (Е) может быть определена из решения уравнения теплопроводности и представлена в виде:

Функция F (τ,υ) определяется геометрией области тепловыделения υ и зависит от параметров радиоимпульса (длительности τ, его несущей частоты), от размеров и формы р-п перехода.

Под действием серии из N импульсов с энергией Е такой, что кТ (Е)<Еа, происходит нарастание числа дефектов. Изменение параметра р можно представить в виде в виде суммы его приращений по импульсам электрических перегрузок:

Для простоты дальнейших выражений Ьудем считать, что для любого i-ro импульса в пачке Еа,= Еа, г= г и параметр р примет вид:

Согласно модели, считаем, что при энергии Е одиночного импульса такой, что кТ (Е)=Еа, случайная величина р достигает величину р^.

\

и происходит повреждение ИМС.

Наше предположение состоит в том, что статистические флуктуации параметра р связаны со случайной величиной активационной энергии Еа и именно ее флуктуации определяют статистику. Аппроксимируем распределение случайной величины Еа нормальным распределением. Вероятность отказа прибора W: при кТ (Е)(1+1п (N))> кТс

I

при кТ (Е)(1+1п (N))< кТс

)

где Nr‘”=1 + ef, ef=erf [к (Tc-Ts)/aV2] Тс – температура при которой происходит повреждение ИМС, Т^ – максимальная температура, допустимая по техническим условиях эксплуатации прибора (ТУ),    –              дисперсия

энергии активации, N=t F – количество импульсов, воздействующих на ИМС за время облучения t.

Учитывая, что образование дефекта происходит при Т, Тс»То, то энергию радиоимпульса, приводящего к повреждению микросхем с вероятностью 50 %, можно представить в виде:

где Ес (t)«Tc-t/F (τ,υ). При оценки отказа микросхемы для величины Ес (τ) можно воспользоваться тепловой моделью Ванша-Велла и выражением для нее из работы [3]:

В работе [1] получено эмпирическое выражение для мощности повреждения смесительных диодов 1N23C логарифмической зависимостью от частоты повторения импульсов, похожей на (6).

Для оценки влияния излучения на микросхему, будем считать, что внешние выводы ИМС являются вибраторной антенной, а нагрузкой Ζη является нелинейный элемент (диод).

Заменим выводы микросхемы эквивалентным радиочастотным генератором с внутренним сопротивлением Ζν и э. д. с. 8=Е1д, где Е – электрическое поле, 1д -действующая длина выводов. Амплитуда электрического поля связана с интенсивностью излучения: Ι=Ε^/(240π). Для расчета Ζν можно воспользоваться теорией вибраторных антенн.

При амплитуде переменного сигнала на диоде, превышающем напряжение лавинного пробоя, нагрузку Ζη можно представить, как последовательное сопротивление базы Rs, нелинейное сопротивление Rj, шунтируемые емкостью Cj р-п перехода и Ск – суммарной емкостью корпуса микросхемы. Тогда по аналогии с формулой (7), зависимость интенсивности радиоизлучения приводящего к повреждению микросхем с вероятностью 50 % от частоты повторения радиоимпульсов F, можно представить в виде:

I

где–     коэф

фициент согласования вибратора и диода, Рс (т)=Ес (τ)/τ – мощность радиоимпульса.

III.                                  Заключение

Незначительные вариации параметров в формуле (5), позволяют достаточно хорошо аппроксимировать экспериментальные данные зависимости вероятности повреждения ИМС от интенсивности радиоизлучения и количества импульсов радиоизлучения N необходимых для выхода микросхем из строя (представленные в работе [2]).

Рассмотренная модель несколько завышает результат роста вероятности повреждения (и уменьшение энергии повреждения) с увеличением числа импульсов, по сравнению с наблюдаемым. Модель на качественном уровне описывает зависимость мощности повреждения от частоты повторения импульсов. Однако для количественного совпадения с экспериментами необходимо существенная доработка модели.

V.                           Список литературы

[1]  James J. Whalen. The RF Pulse susceptibility of UHF Transistors. IEEE Trans, on EMC, Vol.17 , No1, pp.220-225,

1975

[2]  Васильев К. Б., Ключник A. В., Солодов А. В. Статистика отказов цифровых ИМС, вызванных импульсным радиоизлучением. //Тез. док. на 9-й Крым. Конфер.1999.

[3]  В. В. Антипин, Б. А. Годовицын, Д. В. Гоомов,

А.       С. Кожевников, А. А. Раваев. Влияние мощных импульсных микроволновых помех на полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы. // Зарубежная ра- диоэлектроника.-1995. № 1 .-С. 37-52.

[4]  В. R. Strickland, N. F. Auden. Numerical analysis technique for diode-loded dipole antennas. //IEEE Trans. EC.- 1993.- Vol. 35, N4.- P. 480.

PROBABILITY OF INTEGRATED CIRCUITS FAILURES ON INFLUENCE OF PULSED RADIO-WAVE RADIATION

Solodov A. V.

Moscow Radiotechnical Institute RAS 132, Warshavskoe Highway, Moscow, 117519, Russia Ph.: (495) 315-6242, e-mail: avs56@nm.ru

Abstract – A theoretical development of the damages accumulation model is presented. The probability and energy of IC damage is determined as a function of number of electromagnetic pulses N.

I.                                         Introduction

The sensitivity ofthe modern electronic component to an intense radio frequency (RF) electromagnetic pulses is defined by the radiation intensity I, pulses duration τ and repetition frequency F. The experiments [1, 2] show that semiconductor device damages in mono-pulse mode occur at pulse energy greater than in multi-pulse mode. The effect exists, even when the heat does not accumulate from pulse to pulse.

To explain this phenomenon the damage accumulation model was offered in [2]. This model expects that an RF pulses form defects. The accumulation of these defects causes integrated circuits (IC) failure.

This work is devoted to theoretical development of the damages accumulation model and comparison with experimental IC damage data.

II.                                        Main Part

We suppose that a RF pulse forms a defect. Parameter p (for instance, diode conductivity) will be degraded during the RF pulse and its degradation rate is proportional to r (Ea)=exp (- Ea/kT (E)), where Ea is activation energy, T is temperature, E – pulse energy. The temperature T (E) can be determined from the heat equation. The function F (τ,υ) depends on pulse duration, p-n junction size and form.

The parameter p is changed by RF pulse train от N pulses with energy E (kT (E)<Ea), and the result is given by the eq. (4).

It is considered that at energy ofthe single pulse E such as kT (E)=Ea the random parameter p reaches value pc: (5), and occurs IC damage. We assume that fluctuation of p is due to fluctuation of activation energy Ea and its fluctuation defines the statistics. The distribution of random variable Ea is approximated by the normal distribution. Then we calculate the failure probability \N. The result is given by the eq. (6), where Tc – a IC failure temperature, Ts – a maximum temperature amongst allowed standard specifications to usages, Δ – a standard deviation to activation energy, N=t F – is a number of pulses in pulse train for time ofthe radiation t.

We consider that defects are formed at temperatures T, Tc>>To, so pulse energy required to cause a 50 % IC failure rate is given by (7).

The empirical expression for the absorbed power required to cause a 50 percent failure rate given by investigators [1] and it looks like (3).

We use the antenna model [4] in order to evaluate a RF pulse effect on IC. In which external conducting IC findings considered as dipole antenna, and their load Zh, for instance, is input IC diode. We replace the dipole antenna by the RF generator 8=Е1д with internal impedance Zv, where E is the electric field amplitude, 1д is working length ofthe antenna.

The amplitude ofthe electric field is depended on RF intensity: l=E2/(240*).

The simple model for the diode is merely a base resistance Rs, junction resistance Rj and capacity Cj and Ск – an IC package capacity. In analogy with formula (7), the repetition rate F dependence of RF intensity bring IC failure with probability 50 % can be expressed by: (8), where ks(ZH, Zv) – a factor of vibrator- diode co-ordination, Pc – a pulse power.

III.                                       Conclusion

The satisfactory agreement between the experimental data

[3]  and the failure probability was obtained at small change parameter in formula (5). This model qualitative describes the pulse repetition frequency dependence of failure probability and energy. It is necessary to change a model for quantitative coincidence with an experiment.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты