集成电路HPM损伤的计算机模拟

论文摘要

随着超大规模集成技术的发展,集成度呈指数级增长,一个普通的芯片上就集成上亿个元器件。随之也带来的有些不利因素:集成电路的抗电磁脉冲能力仅是晶体管的千分之一和电子管的万分之一。当受到HPM辐射时很容易受损,往往一个能量不算很大的电磁脉冲都会让集成电路产生误码甚至烧毁,造成整个系统瘫痪。课题主要目的是建立集成电路模型,研究在高功率微波环境下集成电路的损伤阈值。首先,本文介绍了高功率微波的效应,并分析半导体器件的主要失效机理和损伤模式。然后,由实验和一些相关文献分析出,CMOS集成电路的永久性失效主要包括金属引线的烧毁和栅氧化层的击穿两种情况。通过研究CMOS集成电路的组成和集成电路内部分布参数,采用PSPICE软件来建立CMOS集成电路模型,计算栅极电压以及各条金属线支路的电流。使用电磁场有限元法(工具软件ANSYS)来计算金属引线上的场强分布、温度分布和栅极上氧化层的场强分布,然后来确定其工作状况,这样得到集成电路的损伤阈值。最后,以此模型为基础,在高功率微波环境下对集成电路做损伤实验。本文从不同的集成电路尺寸、不同的脉宽和极化方向这三个方面来分析集成电路的损伤阈值,得出一些规律性结论。因此,研究高功率微波脉冲辐射源对电子器件的损伤作用,对于提高高功率微波脉冲辐射源的辐射效能和集成电路的抗干扰能力都具有十分重要的意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外HPM研究现状
• 1.3 课题的研究背景和意义
• 1.4 论文的研究目的及我所做的工作
• 第2章 HPM对半导体器件作用效应及主要失效机理
• 2.1 HPM效应
• 2.2 半导体器件烧毁的物理机理
• 2.3 HPM能量的耦合途径
• 2.4 电子、电气系统对HPM的防护原则
• 2.5 HPM对半导体器件的损伤实验
• 2.5.1 对CMOS、TTL芯片损伤实验
• 2.5.2 脉冲宽度与损伤阈值的实验
• 2.5.3 水平极化和垂直极化的测试
• 2.5.4 缝孔效应测试
• 2.6 本章小结
• 第3章 电磁场问题的求解依据和有限元法
• 3.1 电磁场问题求解依据
• 3.1.1 麦克斯韦方程组
• 3.1.2 波动方程
• 3.1.3 边界条件
• 3.1.4 辐射条件
• 3.2 有限元法
• 3.2.1 有限元法简介
• 3.2.2 有限元法的基本步骤
• 3.2.3 有限元公式的另一种表示
• 3.3 本章小结
• 第4章 CMOS集成电路模型的设计
• 4.1 互连线的模型
• 4.1.1 分布电阻
• 4.1.2 分布电容
• 4.1.3 分布电感
• 4.2 MOS器件模型
• 4.3 按比例缩小
• 4.3.1 晶体管按比例缩小
• 4.3.2 互连线按比例缩小
• 4.4 CMOS集成电路模型
• 4.5 本章小结
• 第5章 HPM对CMOS集成电路损伤的模拟计算
• 5.1 电磁脉冲产生感应电动势的计算
• 5.2 金属引线的烧毁
• 5.2.1 理论分析
• 5.2.2 互连线烧毁的仿真模型
• 5.2.3 仿真结果
• 5.3 MOS器件击穿
• 5.3.1 介质击穿模型
• 5.3.2 栅氧层击穿的仿真模型
• 5.3.3 仿真结果
• 5.4 集成电路HPM损伤的结果分析和讨论
• 5.4.1 工艺尺寸与损伤阈值的关系
• 5.4.2 脉冲宽度和损伤阈值的关系
• 5.4.3 垂直极化和水平极化
• 5.4.4 CMOS集成电路的HPM保护电路的设计
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 详细摘要