Микроэлектроника, 2020, T. 49, № 2, стр. 156-160

ВВЕДЕНИЕ

Работа электронных систем в реальных условиях эксплуатации сопровождается воздействием электромагнитных излучений различной природы. Применение сложно-функциональных изделий, выполненных по субмикронным технологиям, требует учета влияния электрических сигналов на выводах изделий, связанных с наводками от электромагнитных излучений [1]. В данной работе рассматриваются эффекты, возникающие при воздействии одиночных импульсов напряжения на выводы таких сложно-функциональных и распространенных изделий как микроконтроллеры [2, 3]. Особенностью таких изделий является использование двунаправленных схем на выводах, режим работы которых (вход или выход) настраивается программно. Для практики применения и испытаний важно знать насколько сильно изменение режима работы порта ввода-вывода влияет на импульсную электрическую прочность изделия.

В качестве объекты испытаний был выбран AVR МК ATtiny13A фирмы Atmel, выполненный по 0.25-микронной технологии. Наличие сильной зависимости импульсной электрической прочности от режима работы портов ввода-вывода может потребовать усложнения процедуры проведения испытаний изделий. Отсутствие такой зависимости сократит сроки и стоимость испытаний.

1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЙ СТЕНД

Испытания были проведены с использованием аппаратно-программного комплекса на основе крейта с модульными измерительными приборами фирмы National Instruments и программной среды LabVIEW [4]. В качестве источника одиночных импульсов напряжения использовался генератор ЭМИ-0502, предназначенный для формирования на выводах полупроводниковых приборов и интегральных схем импульсов тока и напряжения, моделирующих воздействие ЭМИ естественного или искусственного происхождения. Параметры генератора одиночных импульсов напряжения ЭМИ-0502 приведены в табл. 1. Процедура испытаний описана в [1].

Автоматизированный стенд обеспечивал полную автоматизацию испытаний на ИЭП, что позволило существенно сократить срок испытаний, а также уменьшить количество ошибок, за счет исключения человеческого фактора при проведении функционально-параметрического контроля [5].

Параметрический контроль включал в себя измерение параметров токов потребления в статическом и динамическом режиме, входных токов при подаче логических уровней “0” и “1”, а также мониторинг выходных напряжений высокого и низкого уровня. С помощью устройства механической коммутации, управляемого с компьютера по интерфейсу USB, обеспечивалось поочередное подключение испытываемого изделия к схеме воздействия и схеме функционального и параметрического контроля. Схема включения воздействия приведена на рис. 1. Величина резистора R_т подбиралась исходя из условия, чтобы максимальное падение напряжения на нем (при воздействии одиночных импульсов напряжения) не превышало 5% от амплитуды одиночных импульсов напряжения.

Рис. 1.

Схема включения микросхемы при испытаниях на импульсной электрической прочности.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На образцы микроконтроллеров подавался двухэкспоненциальный импульс U(t) отрицательной и положительной полярности амплитудой U_m с длительностью импульса на полувысоте 1 мкс в соответствие с выражением (1)

Короткий передний фронт импульса (не более 5 нс) обеспечивает возможность срабатывания паразитных тиристоров вследствие эффекта dU/dt. Длительность импульса в 1 мкс на полувысоте и амплитуда ОИН дает необходимую энергию для проявления электрических и тепловых эффектов. Эксперимент проводился при комнатной температуре и напряжении питания образцов +5В.

Порты ввода-вывода AVR МК Atiny13A могут быть настроены как на вход, так и на выход. При настройке микроконтроллера на вход задаются следующие режимы работы: высоко импедансный вход (HI-Z), либо как вход с подтяжкой через резистор 100 кОм до напряжения питания (Pull-UP). Если порт ввода-вывода настроен как выход, то на выбранном выводе изначально выставляется логический “0” либо логическая “1”.

На рис. 2 изображены осциллограммы тока и напряжения при подаче одиночных импульсов напряжения амплитудой 200В на вывод PB3 МК.

Рис. 2.

Осциллограмма импульса напряжения 1 мкс 200 В (канал 1) и токовая импульс-реакция (канал 2), которая показывает лавинный пробой.

Выделяемая в переходе энергия способствует переходу его во вторичную, тепловую стадию. Ярко выраженными признаками вторичного теплового пробоя являются характерные осцилляции тока в цепи интегральных схем [6].

При дальнейшем повышении амплитуды одиночных импульсов напряжения наступали необратимые повреждения. Образцы повреждались при амплитуде импульса в 1 кВ. Характерные осциллограммы показаны на рис. 3. В результате параметрического контроля после воздействия одиночных импульсов напряжения обнаруживалось падения напряжения логических уровней и рост входных токов.

Рис. 3.

Осциллограмма импульса с амплитудой 1 кВ 1 мкс (канал 1) и импульс-реакция тока на исследуемом выводе (канал 2).

Было замечено, что на каждом третьем образце при амплитуде импульса +500 В проявлялся паразитный тиристорный эффект. При подаче импульсов с амплитудой больше 1 кВ были обнаружены визуальные эффекты повреждения – возникала искра и корпус ИС разрушался (рис. 4).

Рис. 4.

Разрушение корпуса микросхемы после подачи импульса напряжения больше 1 кВ генератором ЭМИ-0502.

В результате проведения испытания установлено, что существуют отличия в показателях импульсной электрической прочности сконфигурированных входов и выходов микроконтроллеров (рис. 5).

Рис. 5.

Критические амплитуды одиночных импульсов напряжения, после которого наступает параметрический отказ.

При этом также установлено, что для входов характерен функциональный отказ и отказ по входным токам, в то время как для выходов – отказ по току потребления и входному току при подаче логического уровня “1”.

Установлено отличие, в уровнях повреждения для различных вариантов конфигурации портов ввода-вывода, не превышающее ± 25%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полупроводниковых приборов и ИС чувствительны к воздействию одиночных импульсов напряжения, которые индуцируются различными источниками природного или искусственного происхождения. Основным механизмом, который приводит к деградации устройства, является тепловой вторичный пробой.

Тип отказа интегральных схем может быть определен анализом полученных осциллограмм до параметрического и функционального управления. В частности, можно определить характер пробоя и его переход от одной формы к другой. Чаще всего имеет место комбинация нескольких физических механизмов повреждения ИС. В этом случае необходимо провести дополнительный анализ функциональных и электрических параметров интегральных схем.

Результаты эксперимента показывают, что существует влияние режима работы портов ввода-вывода сложно-функциональных устройств на показатели импульсной электрической прочности изделия и в случае с изделием AVR МК Atiny13A отличие в показателях импульсной электрической прочности импульсной электрической прочности для конфигураций порта ввода/вывода как вход и выход не превышает ±25%.

Дальнейшие работы будут связаны с проведением испытаний на импульсную электрическую прочность с другими сложно-функциональными изделиями, у которых больший диапазон режимов конфигурации портов ввода-вывода, в том числе имеется возможность конфигурации выводов как аналоговые.