Эффекты воздействия электромагнитных импульсов (ЭМИ) на аппаратуру, ПП и ИС Скоробогатов П.К., д.т.н., профессор

Неординарное мышление в любой области – в бизнесе, в управлении людьми, в техническом творчестве, - везде основывается на принципе айкидо - надо увидеть тот критический момент, а еще лучше суметь создать его, когда совсем малые ваши действия смогут принести вам большой результат.

Физика радиационной электризации в космосе Магнитосфера Земли Структура магнитосферы Земли: 1 – область свободного межпланетного пространства; 2 – переходная область; 3 – магнитосфера Земли

Физика радиационной электризации в космосе Магнитосфера Земли В первом приближении можно считать, что КА находится в поле плазмы из электронов (е - ) и протонов (Н + ), движущихся в произвольных направлениях. Поток электронов на геостационарной орбите выше определенной энергии

Физика радиационной электризации в космосе Внешняя электризация С электрофизической точки зрения современный космический аппарат (КА) представляет собой проводящий замкнутый гермоконтейнер, внутри и снаружи которого расположена разветвленная кабельная сеть. Для обеспечения теплового режима большая часть внешней поверхности КА покрыта теплоизоляцией, представляющей собой многослойные маты перемежающихся между собой слоев диэлектриков и металлической фольги. Наличие разнородных материалов и неравномерного облучения КА приводит к формированию на различных участках КА разности потенциалов.

Физика радиационной электризации в космосе Внешняя электризация На внешней поверхности КА происходят электростатические разряды (ЭСР), отличительной чертой которых является искровой характер при длительности разряда от сотен наносекунд до нескольких микросекунд. Величина критического поля при котором начинают возникать ЭСР в околоземной космической плазме составляет 2х10 5 В/см. Разность потенциалов может достигать 20 кВ. Пиковое значение тока разряда 100 А при скорости нарастания тока до А/с, что приводит к излучению в пространство электромагнитной энергии, т.е. сопровождается генерацией электромагнитной помехи для бортовой аппаратуры КА.

Физика радиационной электризации в космосе Внешняя электризация Расположение элементов внешней поверхности КА Типичным для шин питания солнечных батарей является применение в качестве токопроводов частично или совсем неэкранированных кабелей, которые на своем пути проходят между корпусом КА и теплозащитным покрытием. Существуют два основных типа разрядов: - разряд типа диэлектрик – корпус КА; - разряд типа диэлектрик – жила кабеля.

Физика радиационной электризации в космосе Внешняя электризация Расчеты импульса помехи на нагрузке при следующих параметрах кабельной сети: - длина кабельной линии 5 м; - напряжение пробоя 20 кВ; - время разряда 1 мкс; Пробой типа диэлектрик – корпус КА Пробой типа диэлектрик – жила кабеля

Физика радиационной электризации в космосе Внешняя электризация Характерная усредненная форма помехового импульса, зарегистрированного в кабельной сети КА, не оснащенного системой защиты от влияния радиационной электризации Параметры помехового импульса находятся в пределах значений параметров одиночных импульсов напряжения (ОИН), используемых при определении импульсной электрической прочности (ИЭП) элементной базы, испытываемой по фактору К22!

Физика радиационной электризации в космосе Внутренняя электризация Если внешняя электризация обусловлена воздействием электронов с энергиями от 0 до 50 кэВ, то внутренняя электризация связана с более энергетичными электронами, с энергиями от 100 кэВ до 10 МэВ. Области круговых орбит, различающиеся по степени опасности внутренней электризации

Физика радиационной электризации в космосе Внутренняя электризация Источниками электростатического разряда являются электроны, поглощенные в диэлектриках и незаземленных проводниках. Основные механизмы внутренней электризации Источником электризации являются высокоэнергетичные электроны (от 100 кэВ до 10 МэВ), которые проникают внутрь КА.

Внутренний импеданс источника разряда составлял R г = 22 кОм. Максимальная выделяемая мощность при R н = 22 кОм составила 5,5 кВт. Частота импульсов разрядов доходила до 1/мин. Физика радиационной электризации в космосе Внутренняя электризация Эксперименты проводились в поле высокоэнергетичного потока электронов с энергиями от 100 кэВ до 1 МэВ.

Физика радиационной электризации в космосе Внутренняя электризация Примеры импульсов напряжения, формируемых со 100 см 2 печатной платы Таким образом: -Электростатические разряды КА могут представлять серьезную угрозу для ЭКБ; - При обеспечении электростатической защиты от разрядов внешней электризации, остается угроза от внутренней электризации. Особенности разрядов внутренней электризации: - Широкий диапазон амплитуд импульсов (от долей вольта до киловольт); - Высокий внутренний импеданс источника (до десятков кОм); - Многократный характер воздействия.

Физика радиационной электризации в космосе Внутренняя электризация В качестве тестовой схемы для оценки влияния внутренней электризации на борту КА был выбран КМОП D-триггер 74НС74, размещенный на печатной плате.

Физика радиационной электризации в космосе Внутренняя электризация Схема проведения эксперимента

Физика радиационной электризации в космосе Внутренняя электризация Верхний график: Изменения состояния триггера от времени Нижний график: Ток электронов и температура

Физика радиационной электризации в космосе Внутренняя электризация Результаты испытаний Типичный сигнал ЭСР, зарегистрированный на заземленной панели

Требования по защите от электризации 1. Элементная база должна сохранять работоспособность при воздействии на нее электростатических разрядов. 2. Снижение уровня ЭСР достигается выравниванием потенциалов элементов конструкции за счет металлизации корпусов аппаратуры, элементов конструкции КА, и выбора материалов внешних поверхностей конструкции КА. 3. Корпус КА и конструктивные элементы проектируемого модуля должны образовывать замкнутую со всех сторон поверхность, обеспечивающую совместно защиту от потоков заряженных частиц эквивалентную сплаву алюминия толщиной не менее 0,75 мм. 4. Корпуса проектируемой аппаратуры должны быть металлизированы с корпусом КА. С целью снижения массы КА и повышения качества металлизации необходимо использовать металлизацию через элемент крепления. Переходное сопротивление соединителя с корпусом КА должно быть не более 3 мОм.

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН Классификация эффектов, возникающих в ПП и ИС при воздействии ОИН

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН По времени и характеру развития эффекты разделяются на первичные и вторичные. - Первичные эффекты развиваются за счет энергии самого ОИН непосредственно во время его действия. К первичным следует отнести сбой и потерю информации в элементах, тепловой разогрев, пробой подзатворного диэлектрика, лавинный и туннельный пробой, перегорание металлизации под действием наведенных токов. Первичные эффекты могут и не вызывать сами по себе отказа (например, туннельный пробой), но могут способствовать их развитию и переходу во вторичную форму. - Для развития вторичных эффектов необходимо накопление энергии во внутреннем объеме области полупроводника, для чего необходимо некоторое время (например, нагрев области полупроводника до точки плавления при вторичном пробое). Энергия для развития вторичного эффекта может обеспечиваться самим ОИН и (или) заимствоваться из внутренних источников (источник питания, накопительные конденсаторы). Характер развития вторичных эффектов может носить регенеративный и нерегенеративный характер.

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН По характеру влияния на параметры элементов первичные и вторичные эффекты делят на обратимые (переходные) и необратимые (остаточные). - Переходные эффекты вызывают временную потерю работоспособности ПП и ИС под действием наведенных токов и напряжений, проявляющуюся в форме сбоя (ложного срабатывания), изменения внутреннего состояния элемента, выхода режима за допустимые пределы и т.п. В этом случае после воздействия ОИН происходит восстановление работоспособности элемента через время tпр - время потери работоспособности. - Остаточные эффекты (эффекты повреждения) могут носить параметрический характер (выход одного или группы параметров за допустимые пределы) или форму катастрофического отказа.

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН Катастрофические отказы в приборах связаны с перечисленными ниже параметрами электрических сигналов, воздействующих на внутренние элементы ПП и ИС, и их уровнями. 1) Превышение энергией, выделенной в некотором внутреннем элементе за определенное время, предельного уровня (уровня повреждения): где Ui(t), Ij(t) - ток и напряжение на рассматриваемом элементе; tи - время действия сигнала; Wп(tи)- уровень повреждения внутреннего элемента, зависящий от длительности воздействующего импульса. Данный критерий используется для определения уровней стойкости ПП и ИС, связанных с эффектами теплового вторичного пробоя полупроводниковых областей. Иногда уровень стойкости к данным эффектам определяют по мощности, рассеиваемой в элементе в течение заданного времени, т.е. Оба этих критерия равноправны и являются энергетическими.

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН Пробой перехода сток-канал с последующим образованием спайки в области контакта

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН Исследуемая схема: p-n переход Параметры ОИН: Um = 10 В tф = 5 нс tи = 100 нс

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН Форма одиночного импульса напряжения Разогрев в различных областях диода при воздействии ОИН

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН Динамика изменения температуры по профилю диода при воздействии ОИН

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН 2) Превышение током, протекающим через выделенный внутренний элемент, предельного уровня (уровня повреждения): где Iп - предельно-допустимый уровень тока. Таким критерием описывается эффект токового вторичного пробоя в ПП, перегорание металлизации в ПП и ИС. Перегорание нихромовой и поликремниевой металлизаций

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН 3) Превышение напряжением, приложенным к некоторому внутреннему элементу, предельного значения: где Uп - предельно-допустимый уровень напряжения. Такой критерий используется для определения уровня стойкости по механизмам пробоя диэлектрика и, в ряде случаев, обратно- смещенных p-n переходов. Повреждение подзатворного диэлектрика

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН 4) Превышение напряжением, приложенным к внутреннему элементу, некоторого порогового значения при одновременной возможности обеспечения через элемент порогового значения тока: где Uпор, Iпор - пороговые значения напряжения и тока на элементе, необходимые для развития данного эффекта. Таким критерием описывается срабатывание ("защелкивание") паразитных четырехслойных структур (тиристорный эффект) под действием импульсов перенапряжения, где Uпор = Uвкл (напряжение включения) структуры, а Iпор = Iуд (ток удержания).

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН Последствия срабатывания паразитной четырехслойной структуры

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН 5) Превышение скорости изменения напряжения на некотором внутреннем элементе предельного значения: где (dU/dt)пр - предельная скорость изменения напряжения на элементе. Такой механизм характерен для включения некоторых типов паразитных четырехслойных структур в КМОП ИС. Для развития процесса тирсторного эффекта необходимо, чтобы напряжение и ток на структуре были больше некоторых удерживающих значений Uуд, Iуд. Аналогичными параметрами описывается стойкость ПП и ИС к ОИН, связанная с деградацией электрических параметров, но, в отличие от катастрофических отказов, зависимости носят не пороговый, а непрерывный характер.

Основные эффекты повреждения ПП и ИС и их связь с параметрами ОИН Диапазоны уровней стойкости типовых ИС к ОИН

При ЭСР возможно также возникновение небольшого повреждения, которое тем не менее приводит к отказу устройства при эксплуатации в начальный период. Скрытые дефекты могут проявиться не сразу после воздействия разряда, а спустя месяцы или годы. Их можно разбить на три категории: - нанесенный ущерб настолько мал, что прибор полностью соответствует паспортным характеристикам. Вероятность безотказной работы в течение всего срока службы высока; - поврежденный элемент прибора по параметрам слегка выходит за установленные пределы и вполне способен выполнять свои функции в системе. Однако имеется достаточная вероятность преждевременного отказа; - прибор работоспособен, но не отвечает всем предъявляемым к нему требованиям. Надежность прибора существенно ослаблена. По физическому принципу скрытые дефекты делятся тоже на три группы. Параметрическая деградация ИС, в частности деградация оксида. Дефекты металлизации. Дефекты, связанные с расплавлением объемных участков кремния, не влияющие на выходные параметры изделия. Скрытые эффекты повреждения ПП и ИС

Возможная параметрическая деградация ИС при воздействии ОИН Один из возможных механизмов параметрической деградации ИС за счет влияния перенапряжений

Снижение надежности ИС при воздействии ОИН Визуальная деградация балочного вывода ИС Скрытые эффекты повреждения ИС, вызванные воздействием ОИН, зачастую трудно поддаются идентификации. Прибор продолжает нормально функционировать, электрические параметры остаются в норме, но падает его надежность.

Результаты экспериментов по многократному воздействию подпороговых электростатических разрядов Зависимость количества импульсов ЭСР, приводящих к повреждению БИС КР1005ВИ1, от напряжения ЭСР Зависимость количества импульсов ЭСР, приводящих к повреждению ИС К561ЛН2, от напряжения ЭСР для импульсов различной полярности

Результаты экспериментов по многократному воздействию подпороговых ОИН Зависимость числа импульсов длительностью 10 мкс, необходимых для повреждения ИС 1533ЛА3 по входу, от амплитуды напряжения: 1 - параметрический отказ; 2 - функциональный отказ Эксперименты по исследованию ИЭП входных цепей ИС 1533ЛА3 показали, что наиболее критичным параметром является входной ток высокого уровня. Эксперименты были выполнены при комнатной температуре и номинальном напряжении питания (+5 В). Вначале наблюдается параметрический отказ по входному току, а затем, при подаче дополнительных импульсов, - функциональный отказ (отсутствие переключения).

Результаты экспериментов по многократному воздействию подпороговых ОИН Зависимость входного тока высокого уровня ИС 1533ЛА3 от числа импульсов амплитудой 24 В и длительностью 10 мкс С целью определения вклада каждого импульса в деградацию входного тока высокого уровня ИС, была снята зависимость входного тока от числа воздействующих импульсов длительностью 10 мкс с подпороговой амплитудой 24 В. Результаты экспериментов показывают отсутствие видимой деградации входного тока до тех пор, пока число воздействующих подпороговых импульсов не достигнет 9

Результаты экспериментов по многократному воздействию подпороговых ОИН Зависимость числа импульсов длительностью 10 мкс, необходимых для повреждения КМОП ИС 537РУ6 по входу, от амплитуды импульса напряжения Результаты экспериментов показали наличие аддитивного эффекта при воздействии периодических импульсов напряжения с амплитудой ниже порога повреждения по функциональным отказам. На рис. изображена зависимость необходимого количества ОИН длительностью 10 мкс каждый, подаваемых на входную цепь КМОП ИС 537РУ6, для повреждения микросхемы.

Идеальной аппаратной защитой от ЭСР является идеальный ключ, который разомкнут (имеет нулевое сопротивление, емкость и индуктивность) для диапазона напряжений нормальной работы, и который мгновенно замыкается (т.е. имеет нулевую емкость, индуктивность и сопротивление) при появлении выброса напряжения. На практике любой прибор защиты не является идеальным ключом. В нормальном режиме работы защищаемого прибора он является источником дополнительного тока утечки, паразитной емкости и индуктивности. Реальный прибор защиты при возникновении выброса имеет определенное время включения и ненулевое сопротивление во включенном состоянии. Это делает проектирование защиты компромиссным, особенно для скоростных ЭСР. Методы защиты электронных устройств и систем

Методы защиты цепей электронных систем Основные параметры ограничителей 1. Наибольшее длительно допустимое рабочее напряжение ограничителя 2 Временно допустимое повышение напряжения на ограничителе 3. Номинальное напряжение ограничителя 4. Энергоемкость ограничителя значение энергии, поглощаемой ограничителем в переходном процессе. 5. Ток пропускной способности ограничителя 6. Электрическая емкость ограничителя 7. Ток утечки 8. Время реакции на перенапряжение

Средства защиты электронных систем от воздействия ЭМИ Газоразрядные ограничители Напряжение пробоя достигает 70…5000 В. Допустимый ток перегрузки 0,5…60 кА. Емкость 1…20 пФ. Ток утечки менее 10 нА. Время реакции на перенапряжение зависит от скорости нарастания напряжения и составляет 0,25 мкс…2 с. Основные недостатки – ограниченный ресурс и большое время реакции.

Ферритовые ограничители Средства защиты электронных систем от воздействия ЭМИ Защитные свойства ферритовых ограничителей основаны на поглощении энергии электромагнитной волны при изменении величины или направления магнитной компоненты поля. Часть энергии поля превращается при этом в тепло. Достоинства: неограниченный срок службы. Недостаток: ограниченный частотный диапазон – до 2,5 ГГц.

Средства защиты электронных систем от воздействия ЭМИ Диодные ограничители на основе p-n перехода Диодные ограничители фиксируют заданный уровень напряжения на защищаемом устройстве. При превышении рабочего напряжения происходит обратимый лавинный пробой и переход в состояние с низким сопротивлением. Диапазон фиксируемых напряжений 3…400 В. Импульсный ток до сотен ампер, импульсная мощность – до 1 кВт. Емкость менее 50 пФ. Время реакции – несколько наносекунд. Достоинства: малые габариты, неограниченный ресурс. Недостатки: ограниченные возможности по пиковому току.

Средства защиты электронных систем от воздействия ЭМИ Ограничители на основе p-i-n диодов Представляют собой p-n переходы с вставкой из собственного кремния. Импульсная мощность находится в среднем диапазоне – порядка 100 Вт. Достоинства: малые вносимые потери и широкий рабочий диапазон (до 2…20 ГГц) Используются в маломощных высокочастотных цепях.

Средства защиты электронных систем от воздействия ЭМИ Варисторы на основе окислов металлов Представляют собой полупроводниковые компоненты на основе оксида цинка. Принцип их действия основан на нелинейности вольтамперной характеристики. Напряжение включения варисторов лежит в диапазоне от 10 до 1500 В. Ток перегрузки лежит в пределах до 1000 А. Время реакции варисторов лежит в пределах 0,5…25 нс. Главный недостаток – высокая деградация параметров по мере воздействия перегрузок.

Средства защиты электронных систем от воздействия ЭМИ Ограничители на основе GaAs СВЧ Шоттки-диодов Относится к новым, перспективным приборам защиты. Используется во входных цепях СВЧ устройств на основе арсенида галля.

Средства защиты электронных систем от воздействия ЭМИ Схема стенда для измерений временных характеристик ограничителей Спектр импульсного сигнала

Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ OLP 3140A – ограничитель на основе p-i-n диода

Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ OLP 3226A – ограничитель на основе p-i-n диода

Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ EV18N0402L – варистор на основе окислов металлов

Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ CG75L – газоразрядный ограничитель

Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ GG – диодный ограничитель

Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ GG – диодный ограничитель

Реакция ограничителей на сигнал СШП ЭМИ TGL Ограничитель на основе GaAs СВЧ Шоттки- диода

Основные параметры отечественных ограничителей Число типов и диапазон параметров отечественных ограничителей довольно ограничены.

Особенности использования ограничителей для СШП сигналов

Использование искрового разрядника в качестве первой ступени защиты для коаксиального (а) и симметричного (б) кабелей

Особенности использования ограничителей для СШП сигналов Схема защиты несимметричной (а) и симметричной (б) линий связи с использованием ограничительных диодов В линиях высокой частоты для уменьшения емкостных потерь, вносимых ограничительными диодами, последовательно с ними включают малоемкостные диоды с учетом требований по к синфазному и парафазному сигналам

Особенности использования ограничителей для СШП сигналов Схемы комбинированной защиты симметричных линий связи В этом случае искровые разрядники выполняют роль первичной защиты, а ограничительные диоды - вторичной. При этом основная доля энергии импульса перенапряжения поглощается разрядником. Однако включение разрядника происходит, как правило, после включения ограничительного диода, т.е. диод поглощает энергию быстрых переходных процессов.

Защитный проводящий текстиль Высокая поверхностная проводимость Легкий контакт Высокая эффективность экранирования Чувствительна к механическим повреждениям Синтетическая нитка Посеребренная поверхность Бесконечная металлическая нить. С низкой проводимостью. Покрыт серебряной нитью или посеребрен Использование защитных экранов

Защитная застежка Обеспечивает неповреждающий надежный контакт

Установка для испытаний Измерительное оборудование

Тестовый электромагнитный импульс Форма импульса ЭМИ Частотный спектр

Виды повреждений электронного оборудования

Сумка для защиты электронного оборудования

Результаты испытаний AT90S8515

Сравнение порогов сброса

Микропроцессорные платы – Результаты измерений

Использование защитных экранов Вид внутри защитного блока моделирующей установки "АРСА" Не нужно изготавливать экран для каждого конкретного объекта испытаний.

Основным источником воздействия ЭМИ и ЭСР на ПП и ИС являются сигналы наводки на выводы приборов. И при отсутствии ЭМИ ЯВ ПП и ИС подвергаются различным электрическим воздействиям. В КА к ним добавляются новые. Основными методами защиты ПП и ИС РЭА являются ограничители и экраны. Проведенный обзор ограничителей показал, что не все из них пригодны для защиты РЭА от электрических перегрузок, особенно с широкополосным сигналом. Лучшие показатели по быстродействию показывают ограничители на основе диодных структур. Однако их мощностные характеристики могут оказаться недостаточными. Наиболее оптимально использовать их совместно с газоразрядными или варисторами. При использовании ограничителей для широкополосных синалов необходимо учитывать особенности их подключения и возможную индуктивную реакцию. При использовании экранов необходимо строго соблюдать технологию их применения. Заключение