CC BY
50
УДК 537.86
ВЛИЯНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ НА СООТНОШЕНИЕ МЕЖДУ ВОЛНАМИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ
ГРИГОРЬЕВ Е.В., МАЛИШЕВСКИЙ С.В., СТАРОСТЕНКО В.В., ТАРАНЕ.П.
Приводятся экспериментальные данные о влиянии ориентации интегральных микросхем относительно падающей электромагнитной волны на значения К^ и ослабления А. Получены зависимости поглощенной мощности для различных ориентаций интегральных микросхем. Установлено, что при воздействии импульсных электромагнитных полей на интегральные микросхемы в качестве меры воздействующего фактора необходимо использовать напряженность поля или мощность падающей электромагнитной волны.
Введение
При воздействии электромагнитных полей (ЭМП) на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) основным является вопрос о влиянии ЭМП на работоспособность РЭА. Имеется достаточно большое количество публикаций по воздействию ЭМП на РЭА [1,2]. Результаты воздействия сводятся к сбоям в работе РЭА или к выходу ее из строя. Сбои или выход из строя при воздействии ЭМП, в первую очередь, обусловлены процессами в элементной базе. Поэтому представляют интерес исследования воздействия ЭМП на элементную базу РЭА.
Вопросу воздействия ЭМП на элементную базу также посвящено большое количество работ [3,4]. В частности, в монографии [3] обобщены результаты исследований по воздействию ЭМП на полупроводниковые приборы (ППП) и интегральные микросхемы (ИМС). Воздействия ЭМП на ППП и ИМС сводились, в основном, к подаче импульса на шину питания или к подаче видеоимпульса на вход ППП или ИМС [3,4]. При такой имитации воздействия ЭМП на ППП или ИМС из схемы “ЭМП — взаимная ориентация ЭМП и элемента РЭА (поляризационный фактор) — приложенное напряжение (наведенные токи) — разрядная цепь—деградаци-онные процессы” рассматриваются только три последних составляющих процесса. В этой связи представляет интерес проведение исследований по непосредственному воздействию ЭМП на элементную базу РЭА с учетом поляризационного фактора.
Выбор объекта исследований и меры воздействующего электромагнитного поля
Из всей совокупности элементов, используемых в РЭА, наименее стойкими к воздействию ЭМП являются микросхемы. Поэтому целесообразно ограничиться рассмотрением воздействия ЭМП только на ИМС. Воздействие мощных ЭМП на РЭА может осуществляться преднамеренно или непреднамеренно, как правило, импульсными передающими устройствами или разрядными процессами в высоковольтных установках. В дальнейшем будем считать, что воздействие на ИМС осуществляется импульсными электромагнитными полями (ИЭМП).
При внешнем воздействии на объект необходимо выделять основную характеристику (меру) воздействующего фактора и характеристику (меру) воздействия. При воздействии ИЭМП на ИМС падающая волна делится на отраженную, поглощенную и прошедшую, а в качестве меры воздействия могут быть взяты мощность или напряженность поля падающей волны или мощность поглощенной волны. Найти соотношения между волнами в свободном пространстве для такой сложной структуры, какой является ИМС, чрезвычайно сложно. С другой стороны, это достаточно просто сделать в волноводном тракте. В этом случае необходимо, чтобы наибольший геометрический размер ИМС был значительно меньше геометрических размеров поперечного сечения волновода. Исходя из этого, в качестве объекта исследования использовались ИМС 155, 174, 555 и 561 серий, биполярной и КМОП технологий, с чипами от 1х1 до 2,5х2,5 мм, количеством элементов на чипе 103104, с 14 или 16 выводами, в пластмассовом корпусе. По функциональному назначению микросхемы представляли собой логические элементы, триггеры, счетчики и т.д.
Воздействие ЭМП на ИМС осуществлялось в волноводном тракте с поперечным сечением 34х72 мм на длине волны Х«10 см. Установка включала в себя генератор мощных ИЭМП, волноводный тракт с измерительной секцией, в которую помещались ИМС, согласованную нагрузку (калориметрическая секция ваттметра).
Основные результаты по воздействию ИЭМП на ИМС представлены в [5]. Однако там [5] не обоснован выбор напряженности поля падающей волны в качестве основного параметра воздействующего фактора. В данной работе приводятся результаты исследований зависимостей коэффициента стоячей волны (Ксв) и переходного ослабления (А) от частоты для указанного класса микросхем при их различных ориентациях. Сопоставление данных результатов с результатами по воздействию мощных ИЭМП позволяет обосновать выбор меры воздействующего ЭМП.
В общей постановке для определения амплитудных и фазовых соотношений между падающей, отраженной, поглощенной и прошедшей волнами необходимо решить дифракционную задачу. При ого-
РИ, 2002, № 2
19
воренных предположениях (Х>>1, где X — наибольший геометрический размер ИМС) дифракционная задача решалась экспериментально в длинноволновом приближении, а с учетом волноводной специфики — в приближении основной волны.
Измерения Ксв и А производились на панорамном измерителе Р2-56. Коэффициент стоячей волны Ксв и ослабление А связаны с волнами следующими соотношениями:
К
св
|E 1 + |-^пад| ^ E -^отр
|E 1 - E
| пад | -^отр
A = 10 • lg
( Р
прош .
пад у
(1) шуЦци
б
(2)
где E пад, E оТр — комплексные значения напряженности электрического поля падающей и отраженной волн; Рпрош, Рпад — мощности прошедшей и падающей волн.
Используя (1), (2) и баланс мощностей
Рпад _ Рпрош + Ротр + Рпогл , (3)
получаем соотношения для отраженной, поглощенной и прошедшей мощностей, выраженные через Ксв и А:
Р = Р (Кс. - О2
оТР “ паД'(Ксв + if •
Р = Р • 100,1'A
прош пад
(4)
(5)
(
Р = Р
х погл х пад
1 -10
0,1-A
V
(Кс, -1 (Ксв + if
2 Л
(6)
Здесь Рпад, Рпрош, Ротр, Рпогл - значения модулей падающей, прошедшей, отраженной и поглощенной мощностей.
Влияние ориентации интегральной микросхемы на соотношение между волнами
В общем случае падающая волна Н10 и ИМС могут быть ориентированы произвольно относительно друг друга. Для того чтобы иметь представление о соотношении волн в общем случае, были выделены 6 характерных ориентаций ИМС в волноводе (рис.1), для которых представлены характерные зависимости КсВ(/) и А (f в диапазоне частот Р2-56 для одной из микросхем указанного класса (рис.2).
Следует отметить, что при воздействии мощных И ЭМП для контроля работоспособности на одном из каналов микросхемы собирался генератор прямоугольных импульсов, внешние элементы которого размещались вне волновода и соединялись с И МС экранированным жгутом проводников. Питание ИМС также осуществлялось по проводникам, входящим в жгут.
I
г
Рис.1
е
В этой связи были сняты зависимости Ксв и А для ИМС с различными размерами чипов, разным количеством выводов, с жгутом проводов и без него. На рис. 2 (а, б) представлены типичные зависимости Ксв(/) и А(/) для различных ориентаций ИМС в волноводе (ИМС К561ИЕ9 ). Наибольшие значения Ксв и А имеют место для микросхем в ориентациях “в” и “д”, где у них наибольшие геометрические размеры вдоль вектора напряженности электрического поля волны Ню.
2,3 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9 4
f, ГГц
б
Рис. 2
20
РИ, 2002, № 2
При увеличении размеров чипа от 1x1 до 2,5x2,5 мм значения Ксв и А увеличиваются не более чем на 23%. При увеличении количества выводов с 14 до 16 Ксв и А увеличиваются не более чем на 5%. Значения Ксв и А для ИМС без подводящих и с подводящими проводами отличаются не более чем на 15%.
На рис.3 приведены зависимости отношения мощности поглощенной к мощности падающей волны ( РпоГл / Рпад ) в диапазоне частот Р2-56 для различных ориентаций ИМС К561 ИЕ9. На основании соотношений (4) и (5) можно построить соответствующие зависимости для Ротр / Рпад и
Рпрош / Р пад.
2,3 2,5 2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9
f, ГГц
Рис. 3
Исследования показывают, что наименее стойкими микросхемы оказываются в ориентациях “г” и “е”, затем выходят из строя ИМС в ориентациях “в” и “д ”, а наиболее стойкими ИМС оказываются в ориентациях “а” и “б” [5]. Учитывая значения поглощенной мощности в различных ориентациях ИМС (см. рис.3), видим, что поглощенная мощность явно не связана со стойкостью ИМС при воздействии мощных ИЭМП. Следовательно, в качестве меры воздействующего фактора необходимо брать напряженность поля или мощность падающей волны.
Следует также отметить, что в наибольшей степени на значения Кв и А влияют корпус и выводы ИМС. Значения Кв и А для ИМС в различных ориентациях и подобные значения для корпуса ИМС с выводами (без чипа) отличаются не более чем на 23%.
Заключение
Таким образом, в результате экспериментальных исследований для указанного класса микросхем получены соотношения между мощностями падающей, отраженной, поглощенной и прошедшей волн при различных ориентациях ИМС в волноводе.
Сравнение мощностей падающей и поглощенной волн с результатами по стойкости ИМС [5] позволяет определиться в выборе меры воздействующего фактора. Кроме того, из данной работы следует, что при проведении трактовых исследований стойкости ИМС в процессе воздействия мощных ИЭМП необходимо параллельно измерять Кв и А для исследуемых ИМС. Параллельные экспериментальные исследования нужны для нахождения мощности (напряженности поля) падающей волны по значениям поглощенной мощности.
Литература: 1. Benford J., Swegle J. High-Power Microwaves. Artech House, Norwood, MA. 1991. 412р. 2. Гадецкий Н.П., Кравцов K.A., Магда И.И. и др. Исследование воздействия электромагнитных излучений ультракороткой длительности импульса на радиоэлектронную аппаратуру СВЧ диапазона / / Материалы 6-й Международной Крымской конференции “СВЧ-тех-ника и телекоммуникационные технологии”, г. Севастополь, 1996. С. 441-446. 3. Antinone J. Electrical Overstress Protection for Electronic Devices. New York. 1986. 387р. 4. Антипин B.B., Годовицын B.A., Громов Д.В., Кожевников А.С., Раваев А.А. Влияние мощных импульсных микроволновых помех на полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы / / Зарубежная радиоэлектроника. 1995. №1. С. 37—53. 5. Старостенко В.В., Таран Е.П., Григорьев Е.В., Борисов А.А. Воздействие электромагнитных полей на интегральные микросхемы // Измерительная техника. 1998. № 4. С.65-67.
Поступила в редколлегию 16.01.2002 Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Чурюмов Г.И.
Григорьев Евгений Владимирович, старший преподаватель кафедры радиофизики Таврического национального университета (ТНУ). Научные интересы: экспериментальные исследования деградационных процессов в микроструктурных элементах интегральных микросхем при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 95007, Симферополь, ул.Ялтинская, 4.
Малишевский Станислав Владимирович, аспирант кафедры радиофизики ТНУ. Научные интересы: моделирование дифракционных явлений в неоднородных металлодиэлектрических структурах при воздействии электромагнитных полей. Адрес: Украина, 95007, Симферополь, ул.Ялтинская, 4.
Старостенко Владимир Викторович, канд. 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.
Таран Евгений Павлович, канд. физ.-мат. наук, старший преподаватель 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. Email: [email protected]
РИ, 2002, № 2
21
