电子器件在电磁脉冲下的损伤效应研究

高蕾，迟雷，黄杰

（国家半导体器件质量监督检验中心，河北 石家庄 050200）

0 引言

随着全球自动化、智能化水平的不断提高，电子器件的集成度逐渐增加，尺寸持续减小，并向着大功率、高频、高速、高灵敏度的方向发展。形形色色的电子器件构成了复杂的电磁网，器件就是网的节点，发出或接收的电磁波即是网线，网线里的信号能量不一，频率各异，来来回回反反复复地穿梭，影响着网中的每一个器件。其中，电磁脉冲是电磁信号中对器件威胁最大的一种，其电场强度高、上升时间短、携带能量大，能够瞬间使器件乃至整个系统失效和瘫痪。电磁脉冲强大的破坏力引起了世界各国的广泛重视，成为现代信息战的关键一环，因此也成为了军方研究的热点，越来越多的国家和机构开始投入大量资金和精力开展相关研究。

虽然目前国内外在电磁脉冲损伤方面已有不少研究，但大多只是说明了各种电磁脉冲单独的作用，很少有文献对这些不同种类的电磁脉冲信号的损伤效应进行全面地对比分析。本文研究和整理了不同种类的电磁脉冲信号对电子器件造成的损伤影响，包括浪涌脉冲、静电放电、方波和连续波等，并对其进行了较为详细的对比分析，为电子器件的电磁脉冲试验及防护设计提供理论支撑，为进一步研究电磁脉冲对电子设备或系统的损伤奠定基础。

1 电磁脉冲损伤分析

1.1 浪涌脉冲

浪涌是一种发生在几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲，通常由剧烈变动或电力需求的增加而引起，如开关闸，打开大功率电器等引发电涌和峰值电压。另外，雷击产生的雷电脉冲也是浪涌的一种形式。

实验中通常采用标准雷击浪涌脉冲源进行脉冲注入。浪涌脉冲注入电子器件有三种途径，可分别经由输入、输出和电源三类管脚进入器件内部，研究发现，器件中的输出-地端对，相比于电源-地和输入-地，对微秒级浪涌脉冲更加敏感。从失效模式来说，双极型器件的失效90%由结区击穿引起，10%由敷金属引线引起；而MOS器件的失效63%源于敷金属引线，27%由于氧化物击穿。TTL型器件各个端对在脉冲注入作用下损伤时都呈现电压瞬降、电流上升的短路损伤，这种损伤主要是由器件中的二极管或晶体管在脉冲电压下被损伤而造成的，是一个热量导致损伤从而失效的过程；CMOS器件的电源-地和输入-地端对呈现短路损伤而输出-地端对呈现电压瞬升、电流下降的开路损伤模式，同样是一个能量主导器件局部发热，产生热点烧毁的过程。因此，从失效机理上看，微秒级浪涌持续时间下的脉冲损伤主要是能量的积累而不是瞬时效应[1-2]。

1.2 静电放电（ESD）

静电放电是一个产生高电位、强场强、瞬时大电流的过程，属于强电磁脉冲，是生产生活中一种主要的电磁危害源，具有峰值高、波形陡、延续时间短、频带宽等特点。

根据ESD产生的原因可将其划分为人体放电模型（HBM）、机器放电模型（MM）、器件充电模型（CDM）和电场感应模型（FIM）四种模型。不同模型对器件的损伤阈值会有些许不同，但对器件损伤阈值的影响在2倍以内且同类参数处于同一数量级上。

根据器件损伤程度，可将ESD引起的失效分为两种：破坏性失效和潜在性失效。破坏性失效，是一种完全失去功能的永久性失效，主要分为两种情况：1、ESD产生的大电流造成瞬间高温升，热量无法散失，致使PN结或金属引线烧毁；2、ESD引发的高电压加在栅氧化层上，将栅氧化层击穿。潜在性失效，一种造成功能降级和累积损伤的失效。当器件积累的电荷很少时，ESD产生的电压和电流不会很大，只会对器件造成轻微伤害，使其性能参数劣化，寿命缩短，更容易引起失效[3]。

ESD脉冲的主要特征参数有峰值、上升沿时间、下降时间和半峰值脉宽等。脉冲参数与器件损伤参数的关系模型：

其中，UF为损伤时的放电电压，kV；tD为脉冲半峰值脉宽，ns；U0为偏置量，kV；A，B为损伤常数。

1.3 方波脉冲

实验通常采用升降法对器件进行方波脉冲注入，该方法经济、有效，且便于进行数据的处理和分析。与浪涌脉冲相同，输出-地端对也是方波脉冲的敏感端对。

方波的主要特征参数有脉宽和幅度。当方波脉冲宽度较短时，认为器件的损伤模式为结区击穿，PN结区被绝热加热，当能量达到一定程度后，器件损伤。方波幅度越大，其包含的能量越高，对器件的损伤越大；在同样幅值的情况下，注入脉宽大的器件通常更容易出现损伤，但在脉宽达到一定量值后，增加脉宽反而会使损伤减小。脉冲参数与器件损伤参数的关系模型：

其中，UF为损伤电压，kV；τ为脉宽，ns；A，B为损伤常数；

其中，P为击穿功率，kW；τ为脉宽，ns；1K，K2为损伤常数。

1.4 高斯脉冲

高斯脉冲也是一种常见的电磁脉冲形式，其表达式为：

在0～t0之间，温度随脉冲电压而上升，在超过t0后的一段时间内，脉冲电压降低，但由于热积累大于热扩散，器件温度会继续升高至峰值。因此，脉冲电压峰值和温度峰值之间存在着时延现象。

器件热损伤概率P与器件温度超过工作上限温度TH的时间有关，即

高斯脉冲峰值电压的变化对时延时间没有影响，但峰值温度呈近似线性改变；而随着脉冲脉宽增大，峰值温度升高，且热损伤阈值电压降低，器件热损伤概率增大。

2 电磁脉冲损伤机理

2.1 电迁移

在器件向亚微米、深亚微米发展后，金属化的宽度不断减小，强电磁脉冲进入器件后，产生大电流密度，大电流造成的强电势差会在金属互连线上产生很大的机械应力梯度，引起金属离子移动，在走线内形成孔隙或裂纹，最终造成金属化连线开路或短路，使器件的漏电流增加[4]。

2.2 二次击穿

二次击穿是电子器件最常见的电磁脉冲损伤现象。同样地，强电磁脉冲进入器件后，产生大的电流密度，引起局部温度升高，这又进一步使得电流密度增加，温升继续提高。当器件的局部温度超过半导体材料的熔融温度时，会引起结失效。如果温度足够高能够熔化邻近接触孔的金属时，熔化的金属就会在电场的作用下在结间迁移，导致结间的电阻短路。

2.3 热载流子效应

热载流子注入效应是MOS器件常见的故障机理。热载流子指的是具有高能量的载流子，如载流子在强电场的作用下，沿电场方向加速而获得高动能后，即成为热载流子。图1为NMOS器件衬底热载流子效应的原理示意图。

图1 NMOS器件中热载流子注入示意图

2.4 栅氧化层击穿

当电压超过了栅氧化层的击穿电压时，会导致器件栅氧化层破裂。大电流通过击穿点，导致局部加热，且常常在栅破裂位置产生金属硅合金，形成贯穿栅极的短路电阻。短路可以使栅极到漏极短路，也可以使栅极到源极短路或栅极到衬底短路，这取决于氧化层结构和缺陷。

3 结语

不同脉冲波形造成的损伤均随脉冲电压峰值和脉冲宽度的增加而增大；静电放电和方波脉冲的损伤电压随脉宽增加而呈指数衰减，但衰减量不同；连续三角波、正弦波和方波使器件产生的温升主要发生在负半周期，正半周期温度有所降低，但整体变化趋势与高斯脉冲串一致，均随脉冲数的增加而不断升高，但幅度变化逐渐减小，最终达到稳定，且器件损伤概率与超过工作极限温度的时间成正比；各类电磁脉冲造成的器件损伤均属于能量型损伤，损伤机理大致有电迁移、二次击穿、热载流子效应、栅氧化层击穿和过热烧毁等。