РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2017, том 4, выпуск 1, c. 71–77
ТВЕРДОТЕЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА, РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ КОМПОНЕНТЫ,
МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКА, ПРИБОРЫ НА КВАНТОВЫХ ЭФФЕКТАХ
УДК 629.78
Аддитивные эффекты в СБИС космического применения
привоздействии серииимпульсов напряжения
изакон Аррениуса
П.К.Скоробогатов1, К.А.Епифанцев, Н.С.Дятлов
1д. т. н., профессор
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
e-mail: nsdyat@spels.ru
Аннотация. В космической отрасли актуальна проблема увеличения срока службы космических аппаратов (КА). Одним из
факторов, приводящих к повреждению и уменьшению срока службы КА, является эффект внутренней электризации. Импульсы
напряжения, вызванные эффектом внутренней электризации, воздействуют на компоненты радиоэлектронной аппаратуры
КА и могут привести к повреждению чувствительных электронных компонентов. Воздействие серии импульсов энергией меньше
порога отказа приводит к эффекту накопления повреждений (аддитивного) внутри компонентов, вследствие чего отказ
наблюдается при воздействии импульса энергией меньше пороговой. В статье проанализированы существующие результаты
экспериментов по выявлению аддитивного эффекта и представлены результаты воздействия серии импульсов напряжения подпороговых
энергий на сверхбольшие интегральные схемы (СБИС), выполненные по современным субмикронным технологиям.
Полученные экспериментальные результаты подтверждают наличие аддитивного эффекта в СБИС при воздействии серии импульсов
напряжения подпороговых энергий и позволяют получить зависимость, описывающую характер эффекта накопления
повреждений в СБИС. Полученная зависимость хорошо согласуется с уравнением Аррениуса, что свидетельствует о тепловом
механизме повреждений в СБИС при воздействии импульсов напряжения подпороговых энергий. На основе данной зависимости
предлагается метод испытаний электронной компонентной базы на стойкость к воздействию серии импульсов напряжения.
Ключевые слова: аддитивные эффекты, внутренние аддитивные эффекты, внутренняя электризация, одиночные импульсы
напряжения
Additive Effects in VLSI Сircuits for Space Application
under the Influence of Voltage Pulse Train
and the Arrhenius Law
P. K.Skorobogatov1, K.A.Epifantsev, N. S.Diatlov
1doctor of engineering science, professor
National Research Nuclear University “MEPhI”
e-mail: nsdyat@spels.ru
Abstract. In the space industry, the increase in the active service life of spacecraft (SC) is considered a current problem. One of the
causes that leads to damage and decrease in the service life of SC is the effect of internal electrification. Voltage pulses caused by the
effect of internal electrification affect the components of the radio electronic equipment of SC and can result in damage of electronic
components. The influence of a pulse train with an energy lower than the threshold of failure leads to the effect of damage
accumulation inside the components (additive effect). As a result, a failure occurs during the influence of the pulse with an energy
lower than that of the threshold. The paper analyses the existing experimental results on revealing the additive effect. The effect
of the influence of a voltage pulse train of subthreshold energies that affect very-large-scale integration circuits (VLSIC) created
using modern submicron technologies are given. The obtained experimental results prove the presence of the additive effect in VLSIC
under the influence of the voltage pulse train of subthreshold energies and make it possible to derive a dependence describing the
character of the accumulation effect of damage in VLSIC. The derived dependence correlates well with the Arrhenius equation. It is
the evidence that the failure in VLCIC under the influence of a voltage pulse of subthreshold energies is thermal in nature. Based
on this dependence, a method to test the resistance of electronic component base (ECB) to the influence of the voltage pulse train
is suggested.
Keywords: additive effects, internal additive effects, internal electrification, single voltage pulses
Стр.1
72
П.К.СКОРОБОГАТОВ, К.А.ЕПИФАНЦЕВ, Н.С.ДЯТЛОВ
Введение
В космической отрасли актуальна проблема
увеличения срока службы космических аппаратов
(КА). В данной статье рассмотрена проблема
влияния внутренней электризации на радиоэлектронную
аппаратуру (РЭА) КА. В частности,
проанализирован механизм образования и воздействия
возникающих при этом электростатических
разрядов (ЭСР), обнаружена возможность проявления
аддитивного эффекта при воздействии серии
импульсов напряжения. Представлены экспериментальные
данные по стойкости к воздействию серии
импульсов напряжения современных ИС, выполненных
по субмикронным технологиям.
Проблема внутренней и внешней
электризации в КА
Электризация космических аппаратов связана
с воздействием потока заряженных частиц околоземной
плазмы, солнечного ветра, галактического
излучения и света. В результате неравномерного облучения
КА и использования различных материалов
в конструкции происходит неравномерное накопление
заряда различными частями аппарата. Со временем
между ними образуется определенная разность
потенциалов и начинают действовать электростатические
силы. При превышении напряженности
электрического поля критического значения
(например, для околоземной космической плазмы
Eкр ∼ 107 В/м) происходит ЭСР между частями КА,
который, в зависимости от местоположения и параметров
самого импульса разряда, может приводить
к сбоям и даже к повреждениям чувствительной аппаратуры
КА [1].
На рис. 1представленаусловнаясхема КА
и ЭСР, возникающих между различными его частями.
Электризация
КА была обнаружена еще при
запуске первых геостационарных спутников связи
в начале 1970-х гг. Периодически возникали сбои
и неполадки в работе радиоэлектронной аппаратуры
КА. Проведенные исследования [2] показали, что
причинами сбоев являлись именно ЭСР и помехи,
Рис. 1. Общая схема возникновения электризации в КА.
1 — ЭСР во внешней оболочке КА (внешняя электризация
КА); 2 — ЭСР между выводом компонента и незаземленным
проводником (внутренняя электризация КА)
создаваемые ими. Таким образом, данная проблема
приобрела актуальность.
По месту возникновения различают внутреннюю
и внешнюю электризацию.
Внешняя электризация возникает в поверхностных
слоях КА. Например, в теплозащитной
оболочке, которая содержит диэлектрики и проводники,
перемежающиеся между собой. Разряд
во внешних оболочках характеризуется высокой
разностью потенциалов (до 20 кВ), током разряда
до 100 А и длительностью импульса до нескольких
микросекунд. Такие ЭСР происходят вдали от чувствительных
компонентов, однако большая крутизна
импульса (∼ 1010 А/c) порождает электромагнитную
волну, которая, в свою очередь, воздействует
на чувствительные компоненты КА, приводя
к сбоям в работе и даже повреждениям РЭА.
Внастоящее времяпроблемаЭСР внешнейэлектризациирешается
науровнеконструкции
КА [1].
Внутренняя электризация связана с процессами
в самой РЭА. Заряженные частицы энергий
до 100 кэВ поглощаются стандартным корпусом
КА и не проникают внутрь. Однако частицы
больших энергий, проходя через обшивку КА, поглощаются
диэлектриками и незаземленными проводниками,
находящимся в составе чувствительной
РЭА (рис. 2).
Несмотря на меньший поток заряженных частиц
такихэнергий именьшее напряжение импульса
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.2
АДДИТИВНЫЕ ЭФФЕКТЫ В СБИС КОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Особенности испытаний ЭКБ
на ИЭП
Особенностью ЭСР, связанных с внутренней
Рис. 2. Внутренняя электризация КА. Примеры ЭСР.
1 —компонент РЭА; 2 — область заряда в диэлектрике;
3 — ЭСР между диэлектриком и проводником; 4 —
незаземленный заряженный проводник; 5 — ЭСР между
проводниками
разряда, проблема заключается в непосредственном
воздействии ЭСР на чувствительные компоненты.
Проблема внутренней электризации в настоящий
момент не решена полностью и вносит определенный
вклад в повреждения РЭА КА от ЭСР [1].
ЭСР, возникающие вследствие внутренней
электризации, приводят к возникновению импульсов
напряжения (ИН) на выводах компонентов
РЭА КА. Параметры импульсов приведены
в табл. 1. Осциллограмма импульса напряжения
вкачествепримера приведенанарис. 3 [3].
электризацией, является их относительно невысокая
амплитуда по сравнению с напряжениями, характерными
для испытаний на импульсную электрическую
прочность (ИЭП — фактор К22 [8]).
Однако возможность их многократного повторения
может представлять опасность для РЭА, выполненной
с использованием современных микроэлектронных
изделий с субмикронными проектными
нормами.
Схема включения генератора при испытаниях
на ИЭПпредставленанарис. 4.
73
Рис. 4. Типичная схема включения для испытаний
на ИЭП
Типичная форма импульса напряжения при
Рис. 3. Пример осциллограммы импульса напряжения
на выводе компонента РЭА
Та б лица 1. Параметры импульсов напряжения,
вызванных ЭСР
Амплитуда, В
Длительность, мкс
Внутренний импеданс эквивалентного
источника ОИН, кОм
от ∼0,1 до ∼100
от ∼0,01 до ∼10
∼10
воздействии на ИС выражается зависимостью.
UEOS = UO
exp −t1
t
−exp −t2
t
,(1)
где t1 ∼ 2нс и t2 = 50 нс, 0,5 мкс, 5 мкс (выбирается
из ряда).
Ключевые особенности воздействия ИН при
определении параметров ИЭП:
1. Двухэкспоненциальная форма импульса,
которая наиболее оптимально описывает сигнал наводки
от ЭМИ и ЭСР.
2. ИН имеет высокую скорость нарастания.
t1 ∼ 2нс.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.3
74
П.К.СКОРОБОГАТОВ, К.А.ЕПИФАНЦЕВ, Н.С.ДЯТЛОВ
3. Амплитуда ИН регулируется в широких диапазонах
от долей вольта до нескольких киловольт.
4. Различная длительность ИН определяет протекание
различных энергозависимых процессов.
Таким образом, техника, параметры импульсов
напряжения и отработанные методы могут использоваться
для исследования влияния ЭСР в КА с подпороговой
амплитудой на микроэлектронную базу.
Аддитивные эффекты
при воздействии серии ИН
подпороговых энергий
на элементы ЭКБ КА
В литературе [4] рассмотрена проблема аддитивных
эффектов при воздействии ЭСР, энергий
ниже порога отказа. Данная проблема может возникать
и в электронной компонентной базе (ЭКБ),
находящейся в составе КА.
Действительно, частота возникновения внутренних
и внешних ЭСР в КА достигает до 1 мин−1,
следовательно, частота наведенных ИН ЭСР на выводы
чувствительных элементов ЭКБ достигает такого
же порядка. Таким образом, за время 15-летней
эксплуатации КА отдельный компонент РЭА может
испытать воздействие до десятков тысяч ИН различной
амплитуды и длительности. Особенно опасен
аддитивный эффект внутренней электризации
во время сильных возмущений магнитосферы Земли,
которые за срок эксплуатации КА происходят не
один раз. Во время таких возмущений энергия ИН
ЭСР, воздействующих на отдельно взятый компонент
РЭА, может приближаться к пороговой. С учетом
описанного в статье [4] аддитивного эффекта
несколько серьезных возмущений магнитосферы
Земли могут привести к выходу из строя одного
из компонентов РЭА КА, что с большой вероятностью
приведет к выходу из строя или ограничению
функциональности всего КА.
В литературе [4] также приводились данные
экспериментов, подтверждающих наличие аддитивного
эффекта при воздействии серии импульсов
ЭСР на биполярные БИС КР1005ВИ1
и МОП ИСК561ЛН2. Результаты подтверждают
эффект накопления повреждений при воздействии
Рис. 5. Зависимость количества воздействий на ИС,
необходимых для ее повреждения, от амплитуды ИН
Приведенные данные экспериментально подтверждают
наличие аддитивных эффектов при воздействии
ИН вКМОПИТТЛИС, однако внастоящее
время при проектировании КА данной проблеме
не уделяется достаточного внимания. Причины
этого следующие:
1. Данная проблема недостаточно изучена.
По этой причине фактор воздействия серии ИН
ЭСР не включен в ОСТ В 11 0998-99.
2. Эксперименты по определению стойкости
ИС к воздействию серии ИН ЭСР имеют разрушающий
характер: исследуемые ИС после эксперимента
непригодны для использования. С учетом того,
что для построения зависимости требуется достаточно
большое количество образцов, стоимость
проведения эксперимента становится высокой.
3. Проблема наличия внутренней электризации
недооценена по сравнению с другими факторами,
воздействующими на КА. Однако в последнее
время актуальность проблемы увеличивается
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
ЭСР с амплитудами напряжений меньше пороговых,
вследствие чего при многократном воздействии
наблюдается отказ ИС.
Аналогичные эксперименты были проведены
на более современной элементной базе [5]. Они
также подтвердили наличие аддитивных эффектов
при воздействии серии ИН по другим КМОП
и ТТЛ ИС и БИС. Для наглядности на рис. 5 приведены
данные эксперимента по воздействию серии
ИН на КМОП ИС CD4007 [5].
Стр.4
АДДИТИВНЫЕ ЭФФЕКТЫ В СБИС КОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
на фоне тенденции к снижению толщины защитной
оболочки КА или вообще отказа от нее.
Таким образом, можно сформулировать следующие
промежуточные выводы:
1. Требуется проведение полноценного исследования
аддитивных эффектов, возникающих
в КМОП ИС, выполненных по современным субмикронным
технологиям при воздействии серии
ИН подпороговых энергий.
2. Задача исследования должна включать в себя
как обнаружение аддитивного эффекта в современных
СБИС, так и определение характера зависимости
уровня стойкости ИС от напряжения
иэнергии ИН.
3. С помощью полученных данных следует
сформулировать и предложить методику испытаний
при определении стойкости ИС к воздействию
серии ИН.
Данное исследование было проведено в 2015 г.
в ИЭПЭ НИЯУ МИФИ [6]. В следующем разделе
представлено краткое описание и результаты проведенного
исследования.
Исследование стойкости КМОП
СБИС, выполненных по
субмикронным технологиям,
к воздействию серии ИН
подпороговых энергий
Цель исследования: обнаружение аддитивных
эффектов, возникающих в КМОП СБИС, выполненных
по субмикронным технологиям, выявление
и изучение характера зависимости ИС от напряжения
и энергии ИН.
Объекты исследования:
1. Микроконтроллер ATtiny13A фирмы Atmel
(технология 0,35 мкм).
2. Микроконтроллер PIC24F16KA101-I/MQ фирмы
Microchip (технология 0,25 мкм).
3. СОЗУ23K256-I/SN фирмы Microchip.
Методика исследования (алгоритм) включает
в себя воздействие серии ОИН амплитудой UEOS
на образец. Для каждого образца при заданной
амплитуде UEOS определяется число N(UEOS),
75
где N — количество воздействий ИН до отказа образца.
Амплитуда ИН ступенчато уменьшается от
уровня порога отказа UO (N = 1) до некоторого
уровня Um (N> 1000). Подробнее методика и алгоритм
исследования описаны в статье [6].
Используемые технические средства:
1. Генератор ИН в комплекте с выносным формирователем
с выходными параметрами, представленными
в табл. 2.
2. Измерительная оснастка фирмы National
Instruments.
Подробное описание работы исследовательского
стенда описано в [7].
Та б лица 2. Выходные параметры генератора ИН,
используемого при исследовании
Амплитуда, В
Длительность, мкс
Внутренний импеданс эквивалентного
источника ИН, Ом
от 1 до 4000
0,1; 1; 10
50
По результатам исследования была получена
зависимость числа необходимых для повреждения
ИС импульсов N(UEOS) в зависимости от амплитуды
напряжения для испытываемых типов изделия.
Для всех типов изделий наилучшее соответствие
полученным данным обеспечивает функция (2):
N(UEOS)=exp
b
1
U2
−
EOS
U2 ,(2)
1
O
где b — параметр аппроксимации, зависящий от типа
изделия.
На рис. 6и7представлены зависимости
N(UEOS) для МК ATtiny13A и PIC24F16KA101I/MQ
и построены аппроксимирующие функции
I/SN аналогична зависимостям, представленным на
рис. 6 и 7, и подтверждает подпороговый характер
воздействия ИН с энергий ниже порога отказа,
однако большой разброс точек N(UEOS) не позволяет
однозначно построить аппроксимирующую
функцию.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
для этих зависимостей. В табл. 3 приведены значения
аппроксимирующего параметра b.
Зависимость N(UEOS) для СОЗУ 23K256
Стр.5
76
П.К.СКОРОБОГАТОВ, К.А.ЕПИФАНЦЕВ, Н.С.ДЯТЛОВ
Рис. 6. Зависимость N(UEOS) для МК ATtiny13A
Рис. 7. Зависимость N(UEOS)
для МК PIC24F16KA101-I/MQ
Рис. 8. Зависимость N x = b
для МК ATtiny13A
1
U2
EOS − 1
U2
O
Рис. 9. Зависимость N x = b
Та б лица 3. Параметры аппроксимации b,определенные
для испытываемых типов изделий
Тип изделия
МК ATtiny13A
МК PIC24F16KA101-I/MQ
Параметр b,В2
9,15 · 106
4,40 · 107
При выборе логарифмической зависимости
числа импульсов и квадратичной шкалы напряжений
для двух типов изделий были получены
линейные аппроксимирующие зависимости
N
x = b 1
U2
EOS − 1
U2
O
масштабе по оси x, представленные на рис. 8 и 9.
в полулогарифмическом
1
U2
EOS − 1
для МК PIC24F16KA101-I/MQ
Данные зависимости однозначно подтверждают
правильность выбранной аппроксимирующей
функции (2).
Из этого следует, что для получения зависимости
N(UEOS) при испытаниях ИС на стойкость
к воздействию серии ИН нет необходимости разрушать
большое количество микросхем. Достаточно
определить поровую амплитуду отказа UO (проведя
испытания на фактор воздействия K22) и получить
значение N(UEOS) в одной точке. Таким
образом, данные испытания могут быть проведены
с небольшим количеством образцов за небольшой
промежуток времени. Получив зависимость (2) для
конкретного компонента в составе КА и имея
приближенные данные о максимальном количестве
ЭСР внутренней электризации Nmax,которые
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
U2
O
Стр.6
АДДИТИВНЫЕ ЭФФЕКТЫ В СБИС КОСМИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ
могут воздействовать на данный компонент в течение
срока эксплуатации КА, можно получить величину
Um такую, что N(Um)= Nmax,где Um —
предельная амплитуда серии ИН ЭСР, воздействующей
на вывод компонента.
Полученная зависимость (2) хорошо согласуется
с формулой Аррениуса (3)
ν−1 =exp
Ea
kT
,(3)
где ν−1 — величина, обратная скорости энергозависимых
процессов в полупроводнике, соответствует
количеству воздействий N,а kT — соответствует
стрессам, вызванным импульсами напряжения.
(U2
те микросхемы.) Разность квадратов обратных напряжений
в полученной зависимости (2) связана
с соотношением стрессов в точках UO и UEOS.Фактически
зависимость (2) выглядит так:
N(UEOS)
N(UO) =exp
b
1
U2
−
EOS
U2
1
O
,
где N(UO)= 1.
Хорошая согласованность с уравнением Аррениуса
указывает на тепловой механизм повреждений
ИС при воздействии серии ИН энергий ниже
порога отказа.
Заключение
В данной статье рассмотрено возможное влияние
электризации КА на РЭА. Подтверждено наличие
аддитивных эффектов в современных ИС при
воздействии серии ИН энергий меньше пороговых.
Полученные данные подтверждают опасность внутренней
электризации КА, даже если возникающие
ИН ЭСР не приводят к немедленному отказу компонентов.
Проанализировав
зависимости, представленные
на рис. 6 и 7, можно заметить, что для разных
исследуемых типов изделий ширина наблюдаемого
во время эксперимента (N(UEOS) < 1000) аддитивного
эффекта существенно отличается. Таким образом,
значение параметра Um может быть существенно
ниже уровня порога отказа UO.
Поэтому при проектировании РЭА необходимо
учитывать ЭСР, возникающие вследствие внутрен77
ней
электризации, и их влияние на работоспособность
элементной базы, особенно при длительных
сроках эксплуатации. С этой целью целесообразно
проведение испытаний на чувствительность компонентов,
входящих в состав РЭА КА, к воздействию
серии ИН.
Полученные в работе результаты позволяют
существенно сократить трудоемкость и сроки проведения
таких испытаний.
Исследование выполнено при финансовой поддержке
РФФИ в рамках научного проекта «ОФИ-М
№14-29-09210».
EOS определяет мощность, выделяемую в элемен- Список литературы
1. Mulville D.L. NASA Technical Handbook-4002, 1999.
2. Акишин А.И., Новиков Л.С.Электризация космических
аппаратов // Космонавтика и астрономия. Подписная
научно-популярная серия, 1985, №3. С. 3–6,
55–59.
3. Frederickson A.R. Upsets Related to Spacecraft Charging
// IEEE Transaction son nuclear science, 1996,
vol. 43, no. 2.
4. Горлов М., Строгонов А., Адамян А. Воздействие
электростатических разрядов на полупроводниковые
изделия // ChipNews, 2001, № 1. С. 34–38.
5. Скоробогатов П.К., Герасимчук О.А., Епифанцев
К.А. Аддитивные эффекты повреждения цифровых
микросхем при воздействии на их выводы
импульсов напряжения // В сб. «Радиационная
стойкость электронных систем “Стойкость-2011”».
М.: МИФИ, 2011. Вып. 14. С. 91–92.
6. Скоробогатов П.К. Исследования подпороговых эффектов
повреждения изделий микроэлектроники космических
аппаратов при воздействии серий импульсов
напряжения, вызванных эффектами электризации.
Научно-технический отчет о гранте 14-2909210.
М.: МИФИ, 2015.
7. Дятлов Н.С. Автоматизация проведения исследований
ИС на подпорговый эффект // XIX Международная
телекоммуникационная конференция молодых
ученых и студентов «Молодежь и наука».
М.: МИФИ, 2015. Ч. 1. С. 138–139.
8. РД В 319.03.30-98. Изделия электронной техники,
квантовой электроники и электротехнические военного
назначения. Испытания на импульсную электрическую
прочность. М.: МО РФ, 1998. 18 с.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 4 вып. 1 2017
Стр.7