Микросхема с микроэлектромеханической защитой от электрических и/или тепловых перегрузок
Владельцы патента RU 2466496:
Открытое акционерное общество "Российская корпорация ракетно-космического приборостроения и информационных систем" (ОАО "Российские космические системы") (RU)
Изобретение относится к микроэлектронике, а также к нано- и микросистемной технике и может быть использовано в интегральных микросхемах с защитой от электрических и/или тепловых перегрузок. Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности защищаемой полупроводниковой интегральной схемы, относительная простота реализации, высокая эффективность защиты от внешних воздействующих факторов импульсного и непрерывного действия, снижение массогабаритных характеристик. Микросхема с микроэлектромеханической защитой от электрических и/или тепловых перегрузок включает по крайней мере одну полупроводниковую интегральную схему, по крайней мере, один подвижной термомеханический микроактюатор, при этом количество полупроводниковых интегральных схем равно количеству подвижных термомеханических микроактюаторов, структуру, чувствительную к внешним воздействующим факторам, например: температура, радиация, тяжелозаряженные частицы, электромагнитный импульс и др., включающую в свой состав полупроводниковые интегральные элементы: биполярные транзисторы, МОП-структуры, выполненные в едином технологическом цикле с полупроводниковой интегральной схемой, расположенные между карманами и/или областями с электронной и дырочной проводимостью. 7 з.п ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к микроэлектронике, в частности к нано- и микросистемной технике, и может быть использовано в интегральных микросхемах с защитой от электрических и/или тепловых перегрузок.
Из уровня техники известно устройство защиты фирмы «MAXWELL TECHNOLOGIES» (США), реализованное в виде микросхемы HSH-3000 (см. каталог фирмы MAXWELL). Известное устройство содержит детектор излучений и частиц, усилитель, таймер, логическое устройство и выходные каскады.
Недостатками известного устройства является низкая чувствительность к тяжелым заряженным частицам и, как следствие, низкая эффективность защиты микросхемы.
Из уровня техники известно устройство L.U-SW CL-0004 фирмы «Dormer» (Германия), содержащее датчик тока, подключенный к входам усилителя сигналов, выход которого соединен с входом компаратора напряжения. Опорным сигналом для компаратора служит напряжение, сформированное делителем, выход компаратора через схему совпадения подключен к R-входу RS-триггера, выход RS-триггера соединен с управляющим входом электронного переключателя, вход которого соединен с датчиком тока, а выход является выходом устройства.
Недостатком известного устройства является восприимчивость не только к составляющей тока, потребляемого защищаемой микросхемой, обусловленного ее номинальным током, и к составляющей тока, обусловленной тиристорным эффектом, возникающим при попадании тяжелой заряженной частицы, но также и чувствительностью к составляющей потребляемого тока, обусловленной суммарной накопленной дозой радиационного воздействия, которая имеет монотонный характер нарастания, что приводит к ухудшению чувствительности защищающего устройства и повышению разрушающего воздействия на защищаемую микросхему. Указанное явление приводит также к существенному увеличению задержки срабатывания защиты, к увеличению времени пребывания микросхемы в аварийной ситуации и, следовательно, к снижению надежности. Кроме того, известное устройство имеет недостаточное быстродействие срабатывания защиты при размыкании электронного переключателя, обусловленное временем разряда конденсатора, подключенного к выводам питания защищаемой микросхемы. Следствием является низкая эффективность защиты микросхемы и недостаточная надежность, обусловленная сложностью конструкции.
Из уровня техники известно устройство защиты интегральных микросхем (см. патент Российской Федерации на изобретение № 2305894, опубл. 10.09.2007). Данное устройство содержит датчик тока, включенный между входной клеммой и электронным переключателем, выход которого является выходом устройства. Датчик тока включен между первым и вторым входами усилителя сигналов датчика тока, первый и второй выходы которого соединены с входами компаратора напряжения, подключенного к R-входу RS-триггера, который имеет приоритет по воздействию на R-вход. S-вход триггера соединен с генератором импульсной последовательности с большой скважностью. Первый выход триггера подключен к управляющему входу электронного переключателя, а второй - к базе мощного n-p-n транзистора, коллектор которого соединен с выходом устройства, а эмиттер - с общей шиной.
Недостатком данного устройства является его сложность, большое количество элементов и, как следствие, низкая надежность устройства.
Из уровня техники известно устройство защиты цифровых микросхем (см. патент Российской Федерации № 2405247, опубл. 27.11.2010), состоящее из измерительного резистора, установленного в шину питания цифровых микросхем, компаратора, подключенного входом к измерительному резистору, а выходом к входу управления источником питания цифровых микросхем, форсирующего транзистора, запирающего диода, времязадающей RC цепи, состоящей из резистора и конденсатора, и МДП транзистора, при этом выход компаратора подключен к базе форсирующего транзистора, коллектор которого через запирающий диод подключен к времязадающей RC цепи и к затвору МДП транзистора, сток которого подключен к входу управления источником питания цифровых микросхем.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции и, как следствие, недостаточная надежность при длительной эксплуатации.
Техническим результатом заявленного изобретения является:
- повышение отказоустойчивости полупроводниковой интегральной схемы;
- повышение надежности защищаемой полупроводниковой интегральной схемы;
- относительная простота реализации;
- высокая эффективность защиты от внешних воздействующих факторов импульсного и непрерывного действия;
- снижение массогабаритных характеристик.
Технический результат заявленного изобретения достигается совокупностью существенных признаков, а именно: микросхема с микроэлектромеханической защитой от электрических и/или тепловых перегрузок включает:
- по крайней мере одну полупроводниковую интегральную схему со структурой, включающей в свой состав полупроводниковые интегральные элементы, как то: биполярные транзисторы, МОП - структуры, которые расположены между карманами и/или областями с электронной и дырочной проводимостью, каждый из данных элементов чувствителен к воздействию температуры, радиации, тяжелозаряженных частиц, электромагнитного импульса и других внешних воздействующих факторов, а вместе эти элементы образуют данную структуру, которая также чувствительна к внешним воздействующим факторам,
- по крайней мере один подвижной термомеханический микроактюатор, при этом количество полупроводниковых интегральных схем равно количеству подвижных термомеханических микроактюаторов,
а подвижной термомеханический микроактюатор электрически соединен со структурой полупроводниковой интегральной схемы, чувствительной к внешним воздействующим факторам.
Полупроводниковые интегральные элементы: биполярные транзисторы, МОП - структуры выполнены в едином технологическом цикле с полупроводниковой интегральной схемой.
Подвижной термомеханический микроактюатор может быть установлен на корпус микросхемы с образованием электрического контакта, при этом контактирование производится с образованием нормально замкнутого контакта на контакте питания полупроводниковой интегральной схемы или на контакте питания, выполненном на корпусе или на поверхности полупроводниковой интегральной схемы в непосредственной близости от контактной площадки питания полупроводниковой интегральной схемы, при этом контактактирование производится на кольцо питания или шину питания с образованием нормально замкнутого контакта полупроводниковой интегральной схемы.
Подвижные термомеханические микроактюаторы выполнены в виде сформированной в мезаструктуре упруго-шарнирной консольной балки, состоящей из параллельных трапециевидных вставок, расположенных перпендикулярно основной оси консольной балки и соединенных полиимидными прослойками V-образной или трапециевидной формы в поперечном сечении, и нагревателя с металлизацией. Структура, чувствительная к внешним воздействующим факторам, электрически связана с нагревателями подвижных термомеханических микроактюаторов. Подвижные термомеханические микроактюаторы выполнены, по крайней мере, из двух слоев с различными коэффициентами термического расширения, при этом коэффициент термического расширения слоев подвижных термомеханических микроактюаторов, обращенных к подложке, больше коэффициента термического расширения внешних слоев подвижных термомеханических микроактюаторов, при этом один из слоев подвижных термомеханических микроактюаторов обладает обратимой памятью формы, а подвижные термомеханические микроактюаторы выполнены в виде одно- или двухконсольной балки. Нагреватель подвижного термомеханического микроактюатора может быть выполнен в мезаструктуре в твердом теле параллельных трапециевидных вставок со сформированными в них омическими контактами или располагаться на поверхности параллельных трапециевидных вставок.
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее:
На фиг.1 (а, б, в) - варианты реализации микросхемы с микроэлектромеханической защитой от электрических и/или тепловых перегрузок, где:
1 - подвижной термомеханический микроактюатор;
2 - нормально замкнутый контакт питания интегральной полупроводниковой схемы;
2а - нормально замкнутый контакт питания, выполненный на корпусе;
3 - интегральная полупроводниковая схема;
4 - корпус микросхемы;
5 - контакт питания, выполненный на корпусе;
6 - кольцо или шина питания интегральной полупроводниковой схемы.
На фиг.2 - алгоритм работы микросхемы с микроэлектромеханической защитой от электрических и/или тепловых перегрузок, где:
7 - импульсные или непрерывные внешние факторы, воздействующие на микросхему с микроэлектромеханической защитой;
8 - увеличение тока потребления и/или температуры микросхемы с микроэлектромеханической защитой;
9 - внешний источник тепла;
10 - разогрев подвижного термомеханического микроактюатора;
11 - размыкание контакта подвижного термомеханического микроактюатора и отключение питания микросхемы или ее части;
12 - уменьшение тока потребления и/или температуры микросхемы с мироэлектромеханической защитой;
13 - охлаждение и замыкание контакта подвижного термомеханического микроактюатора;
14 - включение питания микросхемы с микроэлектромеханической защитой или ее части.
На фиг.3 (а, б) - влияние внешних возмущающих факторов на деформационные характеристики подвижного термомеханического микроактюатора. Фиг.3а отражает температурное влияние на перемещение подвижного термомеханического микроактюатора, а фиг.3б - перемещение подвижного термомеханического микроактюатора под действием электрического напряжения заданной мощности.
Принцип работы заявленного изобретения заключается в следующем.
Принцип защиты интегральных полупроводниковых схем от электрических и/или тепловых перегрузок основан на введении в цепь питания интегральных полупроводниковых схем подвижного термомеханического микроактюатора, который активируется (приводится в движение) разогревом током питания интегральной полупроводниковой схемы.
В нормальных условиях подвижной термомеханический микроактюатор замкнут - питание поступает на полупроводниковую интегральную схему, при этом разогрев подвижного термомеханического микроактюатора незначителен.
При возникновении токовой перегрузки интегральной полупроводниковой схемы или при постоянном или импульсном воздействии внешних факторов происходит резкое увеличение тока через нагреватель подвижного термомеханического микроактюатора (например, вследствие возникновения тиристорного эффекта), разогрев подвижного термомеханического микроактюатора и размыкание контактов подвижного термомеханического микроактюатора. Размыкание контактов приводит к отключению питания интегральной полупроводниковой схемы, выключению тиристора (в случае возникновения тиристорного эффекта) и, как следствие, исключению развития теплового пробоя в интегральной полупроводниковой схеме.
Подвижной термомеханический микроактюатор может быть установлен на:
- корпус микросхемы с образованием электрического контакта, при этом контактирование производится непосредственно на контакт питания интегральной полупроводниковой схемы (см. фиг.1а);
- поверхность интегральной полупроводниковой схемы в непосредственной близости от контактной площадки питания полупроводниковой интегральной схемы, при этом контактактирование производится на кольцо питания или шину питания интегральной полупроводниковой схемы (см. фиг.1б);
- корпус микросхемы в непосредственной близости от полупроводниковой интегральной схемы с образованием электрических контактов с площадями корпуса (вариант «система в корпусе», см. фиг.1в).
Электрические и/или тепловые перегрузки могут возникнуть вследствие внешних воздействующих факторов: непрерывных (постоянных) и/или импульсных, таких как, например: температура, радиация, тяжелозаряженные частицы, электромагнитный импульс и др.
Защищаемыми микросхемами могут быть, например: микропроцессоры, микроконтроллеры, микросхемы оперативной памяти, микросхемы постоянной памяти, микросхемы АЦП и ЦАП и т.д.
Пример реализации.
Заявленное техническое решение применено при создании микросхем СБИС перепрограммируемой энергонезависимой памяти и СБИС микропроцессоров, функционирующих в диапазоне температур от -60°C до +125°C. Для указанных микросхем проведена оценка интенсивности отказов при наличии микроэлектромеханической защиты и без микроэлектромеханической защиты.
По материалам стандарта MIL-HDBK-217E (США) температурный коэффициент πT, связывающий вероятность возникновения отказа с температурой кристалла СБИС, для изделий из кремния определяется по формуле
где Tj - температура кристалла СБИС,
const - табулированная постоянная.
Для некоторых тепловых режимов работы СБИС значения πT и уровень снижения количества отказов (К1 и К2) от влияния повышенных температур, численно равный отношению температурных коэффициентов для различных режимов и отражающий эффективность применения микроэлектромеханической защиты согласно заявленному техническому решению, приведены в таблице:
| Таблица | |||||
| 125°C | 150°C | 175°C | К1 
|
К2 
|
|
| πT СБИС памяти (const=0.6) | 36 | 100 | 250 | 2.778 | 6.944 |
| πT СБИС микропроцессоров (const=0.35) | 3.1 | 5.5 | 9.6 | 1.774 | 3.097 |
Для заявленного изобретения были изготовлены подвижные термомеханические микроактюаторы. Подвижные термомеханические актюаторы имеют в своей структуре 30 канавок, заполненных полиимидным слоем, габаритные размеры актюатора 300×60×5 мкм. Экспериментальные характеристики полученных подвижных термомеханических актюаторов представлены на фиг.3.
Фиг.3а отражает температурное влияние на перемещение подвижного термомеханического микроактюатора, а фиг.3б - перемещение подвижного термомеханического микроактюатора под действием электрического напряжения заданной мощности. Также эксперимент показал, что данный тип микроактюаторов способен выдержать до 20 миллионов рабочих циклов с незначительным (до 20%) и предсказуемым изменением деформационных характеристик.
Полученные данные (см. фиг.3а) позволяют оценить изначальное положение установки подвижного термомеханического микроактюатора - 41 мкм от положения при отсутствии внешнего нагрева и электрического напряжения (при нормальных условиях) в сторону увеличения нагрузки на прижим хвостовика подвижного термомеханического микроактюатора к контакту. Данное положение позволяет цепи оставаться замкнутой вплоть до 125°C, так как при данной температуре усилие прижима хвостовика подвижного термомеханического микроактюатора к контактной площадке становится нулевым. Данные о мощности на фиг.3б показывают, что для принудительного размыкания такой цепи подачей электрического сигнала необходимо приложить к нагревателю подвижного термомеханического микроактюатора напряжение минимальной мощностью в 23 мВт.
Реализация заявленного технического решения позволяет при использовании типовой технологии КМОП СБИС повысить устойчивость микросхем к одиночным событиям в 3 раза и повысить надежность заявленной микросхемы.
1. Микросхема с микроэлектромеханической защитой от электрических и/или тепловых перегрузок, включающая:
по крайней мере, одну полупроводниковую интегральную схему со структурой, включающей в свой состав полупроводниковые интегральные элементы, как то: биполярные транзисторы, МОП-структуры, которые расположены между карманами и/или областями с электронной и дырочной проводимостью, каждый из данных элементов чувствителен к воздействию температуры, радиации, тяжелозаряженных частиц, электромагнитного импульса и других внешних воздействующих факторов, а вместе эти элементы образуют данную структуру, которая также чувствительна к внешним воздействующим факторам,
по крайней мере, один подвижной термомеханический микроактюатор, при этом количество полупроводниковых интегральных схем равно количеству подвижных термомеханических микроактюаторов,
а подвижной термомеханический микроактюатор электрически соединен со структурой полупроводниковой интегральной схемы, чувствительной к внешним воздействующим факторам.
2. Микросхема по п.1, в которой подвижной термомеханический микроактюатор установлен на корпус полупроводниковой интегральной схемы с образованием электрического контакта, при этом контактирование производится с образованием нормально замкнутого контакта на контакте питания полупроводниковой интегральной схемы или на контакте питания, выполненном на корпусе.
3. Микросхема по п.1, в которой подвижной термомеханический микроактюатор установлен на поверхность полупроводниковой интегральной схемы в непосредственной близости от контактной площадки питания полупроводниковой интегральной схемы, при этом контактактирование производится на кольцо питания или шину питания с образованием нормально замкнутого контакта полупроводниковой интегральной схемы.
4. Микросхема по п.2 или 3, в которой подвижные термомеханические микроактюаторы выполнены в виде сформированной в мезаструктуре упругошарнирной консольной балки, состоящей из параллельных трапециевидных вставок, расположенных перпендикулярно основной оси консольной балки и соединенных полиимидными прослойками V-образной или трапециевидной формы в поперечном сечении, и нагревателя с металлизацией.
5. Микросхема по п.4, в которой структура, чувствительная к внешним воздействующим факторам, полупроводниковой интегральной схемы электрически соединена с нагревателями подвижных термомеханических микроактюаторов.
6. Микросхема по п.5, в которой подвижные термомеханические микроактюаторы выполнены, по крайней мере, из двух слоев с различными коэффициентами термического расширения, при этом коэффициент термического расширения слоев подвижных термомеханических микроактюаторов, обращенных к подложке, больше коэффициента термического расширения внешних слоев подвижных термомеханических микроактюаторов, при этом один из слоев подвижных термомеханических микроактюаторов обладает обратимой памятью формы, а подвижные термомеханические микроактюаторы выполнены в виде одно- или двухконсольной балки.
7. Микросхема по п.6, в которой нагреватель подвижного термомеханического микроактюатора выполнен в мезаструктуре в твердом теле параллельных трапециевидных вставок со сформированными в них омическими контактами.
8. Микросхема по п.6, в которой нагреватель подвижного термомеханического микроактюатора расположен на поверхности параллельных трапециевидных вставок.
