集成电路器件微波损伤效应实验研究

1、第15卷第6期强激光与粒子束Vol.15,No.62003年6月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMSJ un.,2003文章编号:100124322(20030620591204集成电路器件微波损伤效应实验研究方进勇,申菊爱,杨志强,乔登江(西北核技术研究所,陕西西安710024摘要:主要介绍了微波脉冲参数变化对集成电路器件微波易损性的影响。实验表明:集成电路器件损伤功率阈值随着微波频率的增加而增大,随着脉冲重复频率的增加而减小。随脉冲宽度的变化较为复杂,总体是随着脉冲宽度的增加损伤功率阈值逐渐降低,但存在一拐点区域(约100ns ,在此区域后,脉冲宽度

2、增加但器件损伤功率阈值变化不甚明显。器件损伤功率阈值基本呈正态分布,且方差较小,因此,器件的损伤概率近似于01分布。关键词:集成电路;微波损伤效应;高功率微波中图分类号:TN015文献标识码:A电子器件微波易损性研究是高功率微波(HPM 效应研究的重要组成部分,是电子器件抗HPM 加固的重要依据。电子器件是组成电子系统的基础单元,因此,电子器件的HPM 效应参数也对电子系统抗HPM 加固具有重要的参考价值。电子器件的微波易损性研究已进行多年,并有许多结果陆续报导15,本文介绍我们近年来获取的一些较为系统的集成电路器件(74L S 系列,74F 系列,74HC 系列,CMOS 系列微波损伤效应实

3、验结果,并对部分实验规律进行了初步分析,得到了一些规律性的认识。Fig.1Schematic of IC HPM effect experiment setup图1集成电路HPM 效应实验框图1实验方法简介实验采用注入法,如图1所示。HPM 脉冲经定向耦合器、可变衰减器、微波电缆直接注入到集成电路的某一管脚。对于确定的器件、确定的注入管脚,可以使用网络分析仪预先标定效应实验座微波脉冲注入端对于各个频率的功率反射系数,则器件的吸收功率P D P in (1-,其中P in 为注入微波功率。采用器件在损伤时实际吸收的微波脉冲功率作为器件的损伤功率阈值(P D T ,则P D T 与实验的注入条件无

4、关。2微波频率对集成电路器件损伤阈值的影响表1不同微波频率下集成电路损伤功率阈值T able 1Dam age pow er threshold of IC at different microw ave frequencytype of IC P DT /kW2.9GHz 8.9GHz type of IC P DT /kW2.9GHz 8.9GHz type of IC P DT /kW2.9GHz 8.9GHz type of IC P DT /kW74F24474F373收稿日期:2002209223;修订日期:2003203210基金项目:国家863计划项目资助课题作者简介:方进勇(

5、19712,男,博士生,助理研究员,现从事高功率微波效应研究工作;西安市69信箱13分箱。表1给出了在微波脉冲重复频率f pps=10Hz,微波脉冲宽度=1s,器件加电电压U=5V实验条件下,微波频率分别为2.9GHz和8.9GHz时40余种器件的损伤功率阈值,表1中每一个效应数据均为一组芯片(10只完全损伤时器件吸收的平均微波脉冲功率。从实验结果可以看到,随着微波频率的增加,绝大多数器件的损伤功率阈值总体将趋于增大,但阈值增加幅值变化不大,从概率的角度看,微波频率由2.9GHz增大到8.9GHz时,器件损伤功率阈值增大约3dB。3加电电压对器件损伤功率阈值的影响表2所列数据是多种器件在不同加

6、电电压的效应实验结果。实验条件为:微波频率f=8.9GHz,微波脉冲重复频率为单次脉冲,微波脉冲宽度=1s。表中对应的不同加电电压的效应数据均为一组芯片(5只在不同损伤概率下的平均吸收功率。表2不同加电电压下集成电路吸收功率T able2Absorbed pow er of IC at different w ork voltagetype of IC P D/kW,0V0%100%P D/kW,5V0%100%P D/kW,10V0%100%P D/kW,15V0%100%实验表明,对于74L S系列,74HC系列,74F系列,器件加电压与否的损伤功率阈值基本不变。对于CMOS系列,当加电电

7、压低于10V时,损伤功率阈值与不加电压基本相当;当加电电压大于10V时,大部分器件损伤功率阈值没有变化,只有较少部分器件损伤功率阈值下降。因此,可以近似认为,加电电压对器件损伤功率阈值没有明显影响。4微波脉冲重复频率对器件损伤功率阈值的影响表3所列数据是多种器件在不同重复频率微波脉冲作用下的实验结果。实验条件为:微波频率f= 219GHz,微波脉冲重复频率为单次脉冲,微波脉冲宽度=600ns,器件加电电压为5V。表中对应于每一类器件的效应数据均为一组芯片(5只在不同损伤概率下的平均吸收功率。表3不同重复频率(20%,40%,60%,80%,100%微波脉冲作用下器件损伤概率随器件吸收功率变化T

8、 able3Dam age prob ability vs absorbed pow er of IC at different pulse repetitive frequency(%f type of IC20%40%P D/kW60%80%100%f type of IC20%40%P D/kW60%80%100%50Hz74HC100.170.32500Hz74HC100.090.17 74F04 1.02 1.6574F04 1.02 1.65 74LS100.290.540.9374LS100.080.150.29 295强激光与粒子束第15卷实验表明,在其它条件不变的情况下,单次

9、脉冲损伤功率阈值比重频为500Hz 时的损伤功率阈值最大相差3dB 左右,因此,对于脉冲重复频率的影响,可以忽略。5器件损伤功率阈值分布规律实验获取了多种器件不同批次的损伤功率阈值,IC1为韩国GS 公司生产的74L S009507,IC2为美国NSC 公司生产的74L S00P9942SF ,IC3为日本HITJ 公司生产的74L S041A26,IC4为日本TOS J 公司生产的CD4069HSIA0101WC ,实验条件为:微波频率f =9.433GHz ,脉冲宽度=600ns ,脉冲重复频率为单次脉冲,IC1和IC2的微波脉冲注入管脚为4脚;IC3和IC4的微波脉冲注入管脚为3脚;表4

10、给出了4类器件各20只在以上实验条件下获得的损伤功率阈值。表44种集成电路器件损伤功率阈值T able 4Dam age pow er threshold of four types ICIC1P DT /kWIC1P DT /kWIC2IC3IC41 20图2为以上4种器件损伤功率阈值拟合分布曲线(器件损伤概率密度随功率阈值变化曲线,可以发现,器件损伤功率阈值基本呈正态分布,且方差较小,因此,器件损伤概率近似0-1分布。Fig.2Damage power threshold distributing plot of four types of IC图2四种器件损伤功率阈值分布曲线6器件损伤功

11、率阈值随脉冲宽度变化规律关于集成电路器件及设备损伤功率阈值随微波脉冲宽度的变化规律,已有多篇文献报导2,3,基本认为是395第6期方进勇等:集成电路器件微波损伤效应实验研究Fig.3Plot of the damage power threshold (P D as the function of pulse width (图3器件损伤功率阈值随脉冲宽度变化规律示意图损伤功率阈值随脉宽变化应分3个区域表述,分别对应于器件PN 结绝热加热、有传导加热及热平衡3种情况,损伤功率随脉冲宽度变化规律如图3所示。图中C 1,C 2,C 3,1,2均为常数,通过实验数据分析,对于74L S 系列,74F

12、系列,74HC 系列,CMOS 系列中规模集成电路器件,可以确定1约为100ns ,2约为1s ,C 3为0.20.6kW 。7结束语本文较系统地介绍了部分集成电路器件的微波损伤效应实验结果,并对部分实验规律进行了总结,由于实验中微波脉冲大多是经过多级衰减才注入到电子器件中,因此实验数据必定存在一定的系统误差。下一步的工作是进一步提高系统测量精度,获取更为系统的效应实验数据,同时结合器件自身参数,分析电子器件微波易损性的内在物理规律。参考文献:1Antinone R ,Ng W C.HPM Testing of Electrical ComponentsR.UCID 221687.1989.2

13、方进勇,刘国治,李平,等.高功率微波脉宽效应实验研究J .强激光与粒子束,1999,11(5:639642.(Fang J Y ,Liu G Z ,Li P ,etal.Experimental study of the high power microwave pulse 2width effect.High Power L aser and Particle Beams ,1999,11(5:6396423李平,刘国治,黄文华.半导体器件HPM 损伤脉宽效应机理分析J .强激光与粒子束,2001,13(3:353356.(Li P ,Liu G Z ,HuangW H ,et al.The

14、 mechanism of HPM pulse 2duration damage effects on semiconductor component.High Power L aser and Particle Beams ,2001,13(3:3533564余稳,蔡新华,周传明,等.硅二极管对高功率微波的非线性响应计算J .强激光与粒子束,2000,12(3:324326.(Yu W ,Cha X H ,Zhou C M ,et al.Calculation of nonlinear response of the silicon diode to the high 2power micr

15、owave.High Power L aser and Particle Beams ,2000,12(3:3243265余稳,蔡新华,黄文华,等.电磁脉冲对半导体器件的电流模式破坏J .强激光与粒子束,1999,11(3:355358.(Yu W ,Cha X H ,Huang W H ,et al.The current 2mode destroy of semiconductor devices by electromagnetic pulse.High Power L aser and Particle Beams ,1999,11(3:355358Experimental study

16、 on microw ave vulnerability effect of integrated circuitFAN G Jin 2yong ,SHEN J u 2ai ,Y AN G Zhi 2qiang ,Q IAO Deng 2jiang(Northwest Institute of N uclear Technology ,P.O.Box 69213,Xi an 710024,China Abstract :The microwave vulnerability effect of IC was presented in this paper.The damage power th

17、reshold of IC will decreasewith the decrease of microwave frequency or the increase of pulse repetitive frequency ,and if the microwave pulse width become larger ,the damage power threshold will decrease too.However ,there is an inflexion ran ge and the damage power threshold varies little when the pulse width is larger than the inflexion range.The