Основною причиною порушення якості функціонування інформаційно-обчислювальних систем в умовах електромагнітних дій, і особливо виходу цих систем з буд, зрештою є пошкодження елементної бази радіо- і електротехнічного устаткування. При цьому, вироби електронної техніки, напівпровідникові прилади і радіоелементи піддаються діям електромагнітних полей джерел вражаючих чинників, а також імпульсних струмів і напруги, що виникають в зовнішніх і внутрішніх ланцюгах радіо- і електротехнічного устаткування цих систем.

Аналіз причин відмов і виходу з ладу елементної бази радіоелектронних систем показує, що безпосередня дія на неї електромагнітних полів з рівнями напруженості електричного поля до 100 кв/м і магнітних полів до 600 А/м, за винятком Свч-діодів як правило, не приводить до структурних пошкоджень матеріалів виробів електронної техніки і, тим самим, не викликає залишкових змін (деградації) їх параметрів. Проте, дія на прості типові схеми радіо- і електротехнічного устаткування радіоелектронних систем електричних полів з напруженістю порядка 20 кв/м і магнітних - 100 А/м вже супроводиться короткочасними (оборотними) порушеннями їх працездатності.

Звідси можна зробити висновок про те, що основу електромагнітних пошкоджень елементної бази радіоелектронних систем складають перенапруження, що виникають в типових ланцюгах цих засобів і перш за все в їх небезпечних трактах.

Встановлено, що наслідком дій імпульсних перенапружень на електрорадіопристрої є:

· помилкові спрацьовування, деградація параметрів і їх вихід за допустимих межі;

· структурні пошкодження p-n переходів і активних елементів;

· тепловий пробій; плавлення і вигорання металізації і контактних доріжок;

· перекриття по поверхні виробу;

· пробій твердих і рідких діелектриків, повітряних і вакуумних проміжків.

У таблиці 2.2 наведені характерні пошкодження елементної бази радіоелектронних систем. У таблиці прийняті наступні позначення: I - помилкові спрацьовування; II - деградація параметрів і їх вихід за допустимі межі; III - структурні пошкодження p-n - переходів і активних елементів; IV - тепловий пробій; V - плавлення і вигорання металізації і контактних доріжок; VI - перекриття по поверхні виробу; VII - пробій твердих і рідких діелектриків і вакуумних проміжків.

Таблиця 2.2 - Характерні види електромагнітних пошкоджень виробів елементної бази радіоелектронної системи

Аналіз причин виходу з буд радіо- і електротехнічного устаткування радіоелектронних систем при дії електромагнітного випромінювання показує, що основною з них є низька електрична міцність елементної бази цих засобів. Особливо це відноситься до напівпровідникових приладів, інтегральних мікросхем і логічних елементів. Цим пояснюється високий відсоток (в середньому від 25 до 30%) виходу з ладу об'єктів, що включають ЕОМ або системи автоматики на основі інтегральних мікросхем або логічних елементів при експлуатації цих об'єктів в умовах електромагнітних дій.

Напівпровідникові прилади. Найбільш чутливими до електромагнітних дій є напівпровідникові прилади і створені на їх основі логічні і інтегральні мікросхеми.

Поширеними пошкодженнями напівпровідникових приладів в процесі їх експлуатації є різні види пробоїв і структурних пошкоджень p-n переходів (електричні пробої від зворотної напруги і теплові пробої), а також поверхневі перекриття активних елементів (кристалів), що приводять до їх часткового або повного руйнування. Слід зазначити, що з цієї точки зору меж безпеки деяких типових типів напівпровідникових приладів визначених гарантіями виробників, діапазон напруги пробою для кремнієвих високочастотних приладів, широко використовуваних в зв'язному устаткуванні, як правило лежить в діапазоні 15-65 В. Арсенід-галієвиє польові транзистори зазвичай мають напругу пробою 10 В. Вагома частина будь-якого комп'ютера, мікросхеми динамічної пам'яті з довільним доступом, DRAM, мають напругу пробою до 7 В щодо землі. Напруга пробою CMOS логіки знаходиться в діапазоні від 7 до 15 В і мікропроцесори з їх номінальним напруга 3,3 - 5 В знаходяться поблизу цього діапазону. Хоча багато сучасних приладів обладнано додатковими ланцюгами захисту для стоку електростатичних зарядів, постійний або такий, що повторюється додаток високої напруги викликатиме їх пошкодження.

Наведені в довідковій літературі гранично допустимі (максимально допустимі) параметри експлуатації напівпровідникових приладів, як параметрів, в процесах яких гарантується стабільна і надійна робота напівпровідникових приладів, не можуть характеризувати їх стійкість. У зв'язку з цим потрібне введення поняття максимальних (граничних) параметрів напівпровідникових приладів, які б визначали такі їх режими, при яких робота приладу недопустіма, оскільки він при цьому може вийти з ладу, або стануться незворотні зміни його властивостей. При цьому даний параметр або їх група повинні з одного боку якнайповніше характеризувати стійкість приладу до дії імпульсних перенапружень, а з іншого боку володіти певною універсальністю.

Таким вимогам відповідають два параметри: порогова енергія пошкодження і імпульсна електрична міцність.

Порогова енергія пошкодження - енергія при виділенні якої в приладі за час дії імпульсу перенапруження хоч би один з параметрів приладу виходить за норми.

Для імпульсної напруги з тривалістю імпульсу и 0,1 мкс ця енергія постійна і її називають критичною енергією пошкодження .

Критична енергія імпульсу, що викликає відмову напівпровідникових приладів не залежить від тимчасових параметрів діючого імпульсу перенапруження, а визначається фізіко-конструктівнимі параметрами p-n переходів і питомими опорами їх високоомних областей.

Універсальність порогової енергії пошкодження напівпровідникових приладів, як параметра, що характеризує рівень їх електромагнітної стійкості, полягає в тому, що ці інтегральні характеристики містять як амплітудні, так і тимчасові параметри впливаючої напруги, і жорстко не приведені до певного виду джерела їх виникнення (грозові розряди, розряди статичної електрики і т.п.).

Характер наслідків дії на напівпровідникові прилади носить накопичувальний характер і залежить не від потужності впливаючого сигналу, а від повної енергії дії.. Ступінь дії на кристалічні змішувачі і детектори приймачів радіолокацій залежить від повної енергії імпульсів перешкод тривалістю менше 10 нс. Енергія перешкоди 0.1....1 мкдж викликає вигорання напівпровідникових приладів, використовуваних в діапазоні частот від 1 до 10 Ггц. Для напівпровідникових приладів, вживаних на вищих частотах, рівні вигорання варіюється в межах 0,01...0,1 мкдж. Дія одиночних імпульсів тривалістю більше 10 нс залежить від їх потужності. Вихід з буд приладів, використовуваних на частотах нижче 10 Ггц відбувається зазвичай при рівнях максимальної (імпульсною) потужності вище 5 Вт. Прилади, розраховані на роботу при вищих частотах виходять з буд при рівнях імпульсної потужності понад 0,5 Вт. Погіршення властивості виникає під дією послідовності імпульсів, відбувається при істотно нижчих рівнях потужності, чим в разі одиночного імпульсу.

Типовий рівень такої потужності для послідовності імпульсів складає 1% від потужності одиночного імпульсу.

Були визначені порогові значення енергії радіоімпульсу тривалістю = 1 мкс, які викликають розвиток необратімих дегроадаційних процесів в провідних мікроструктурах, розташованих в кристалі мікросхеми.

Аналіз причин відмови мікросхем при такій дії показав, що 90% відмов біполярних пристроїв пов'язано з прожогом провідних мікроелектронних структур (струмопровідні доріжки, контактні майданчики). Аналіз характеру відмови показав, що при подачі на вхід, вихід або ланцюг живлення мікросхем радіоімпульсів, найбільшою мірою відбувається локальне вигорання тонких металевих плівок, причиною якого є «уменьшение поперечного перетину металлізациі»[15].

У таблиці 2.3 дани значення критичної і порогової енергії пошкодження напівпровідникових приладів.

Таблиця 2.3 - Значення критичної і порогової енергії пошкодження напівпровідникових приладів

Другим додатковим параметром, що характеризує рівень електромагнітної стійкості напівпровідникових приладів, є імпульсна електрична міцність, під якою розуміється здатність приладу виконувати свої функції і зберігати при цьому параметри в межах норм, встановлених технічною документацією на цей прилад в процесі або після дії імпульсної напруги заданої форми і тривалості. Для напівпровідникових приладів даний параметр визначається як найбільше значення зворотної напруги і відповідного йому зворотного струму, передування перекриттю p-n переходу. Як правило, даний параметр визначає та кількісна межа експлуатаційних характеристик напівпровідникових приладів, після якого спостерігається деградація приладу.

Таким чином, можна сформулювати основні тенденції виходу з ладу напівпровідникової елементної бази:

· енергія пошкодження напівпровідникових приладів лежить в межах від 10-4 до 10-7 Дж;

· менш стійкими виявляються високочастотні імпульсні і малопотужні напівпровідникові прилади;

· тепловий пробій напівпровідникових приладів як правило виникає при замиканні транзисторів, що працюють в ключовому режимі при великій напрузі і струмах, що не перевищують граничних значень для цих приладів;

· явище зімкнення (проколу) бази найчастіше виникає в транзисторів, що отримуються методом вплавлення, в транзисторів з неоднородной базою це явища практично відсутній;

· основною причиною відхилення параметрів логічних мікросхем від норм є порушення функцій їх діодів і транзисторів;

· вищу електричну міцність мають інтегральні мікросхеми, в яких застосовують спарені транзистори;

· погіршення властивостей напівпровідникових приладів, що виникає під дією послідовності імпульсів, відбувається при істотно нижчих рівнях потужності, чим в разі одиночного імпульсу.

Резистори. Зазвичай резистори відносяться до найбільш стійких елементів радіоелектронних систем. Для малих по тривалості перехідних процесів основний механізм пошкодження резисторів - виникнення пробою усередині приладу або перекриття по його поверхні, що неминуче приводить до зменшення пробивної напруги, збільшення струмів витоку через резистор, надлишковому нагріву його активного елементу і, як наслідок, руйнуванню самій його структури. Все це спричиняє за собою якщо не повне перегорання резистора, то, в усякому разі, неминучу деградацію його основних параметрів.

Основними характеристиками стійкості резисторів є імпульсна електрична міцність резистора, що включає граничну імпульсну напругу, яка може витримати резистор без порушення своїх властивостей і порогову енергію пошкодження. У таблиці 2.4 приведені значення цих параметрів для основних видів резисторів.

Таблиця 2.4 - Гранично допустимі параметри електромагнітної стійкості резисторів

Таким чином, можна сформулювати основні тенденції виходу з ладу резисторів:

· енергія пошкодження резисторів лежить в межах від 102 до 10-2 Дж;

· збільшення номінала потужності резистора неминуче спричиняє за собою збільшення його імпульсної розсіюваної потужності;

· збільшення номіналу опору резистора приводить, як правило, до зменшення імпульсної розсіюваної потужності і збільшення граничної імпульсної напруги;

· стійкішими зі всіх видів резисторів є дротяні резистори, за ними йдуть вуглецеві композиційні, а за тим - плівкові резистори;

· для високоомних резисторів характерними є випадки, коли при дії імпульсних перенапружень резистори мають імпульсні характеристики нижче, ніж по постійному струму;

· менші рівні пошкодження спостерігаються в тих резисторів, на які заздалегідь вже було подано напругу, недостаточноє для їх пошкодження, в порівнянні з резисторами що не піддаються такій дії.

Конденсатори. Як і для резисторів, основною причиною пошкодження конденсаторів є виникнення пробою усередині приладу і різкі перекриття по його зовнішній поверхні. При імпульсній дії основна причина виходу їх буд конденсаторів - іонізаційні процеси, що виникають усередині діелектриків або в країв обкладань, переважно в місцях газових включень.

Для керамічних матеріалів іонізація в закритих порах викликає сильне місцеве розігрівання, в результаті якого з'являється механічна напруга, кераміки, що супроводяться розтріскуванням, і пробоями по тріщинах.

В табліці 2.5 приведені гранично допустимі параметри для деяких основних видів конденсаторів, що характеризують ступінь їх електромагнітної стійкості.

Таблиця 2.5 - Предельно допустимі параметри електромагнітної стійкості конденсаторів

Таким чином, можна сформулювати основні тенденції виходу з ладу конденсаторів:

· енергія пошкодження конденсаторів лежить межах від 1 до 10-4 Дж;

· танталовi конденсатори і конденсатори з малою номінальною напругою по постійному струму схильні до пошкоджень при рівнях енергії, порівнянних з енергією пошкодження напівпроводникових приборів;

· при дії порівняно коротких по тривалості (декілька мікросекунд) імпульсів перенапруження на конденсатори з полярним діелектриком їх імпульсна напруга пробою в 4...6 разів перевищує номінальну напругу пробою по постійному струму;

· найбільш стійкими і стабільними в експлуатації зарекомендували себе електролітичні, керамічні і аксидно-полупроводниковиє герметизовані конденсатори.

Критерієм стійкості радіоелектронних систем до вражаючої електромагнітної дії по небезпечних трактах є порівняння порогової енергії пошкодження елементної бази цих засобів (Wкр), що знаходиться у вхідних (вихідних) ланцюгах радіоелектронних систем, над енергією помехових напружень (струмів), що впливає на ці елементи (Wп).

Якщо система працюватиме якісно, при можливі збої і оборотні порушення, в тому ж випадку, коли - большая вірогідність виходу з ладу системи.

Таким чином, три - п'ятикратний запас величини порогової енергії пошкодження найбільш чутливого з елементів вхідних (вихідних) ланцюгів радіоелектронних систем над енергією впливаючої перешкоди дозволяє забезпечити необхідний рівень електромагнітної стійкості цих засобів до вражаючої електромагнітної дії.

У таблиці 2.6 приведені усереднені параметри чутливості залежно від видів пошкоджень виробів елементної бази радіоелектронних систем при електромагнітних діях.

Таблиця 2.6 - Параметри чутливості і види пошкоджень виробів елементної бази радіоелектронних систем при електромагнітних діях

2.3 Електромагнітні імпульси впливаючого поля природного і штучного походження