вает. что непосредственное воздействие ь.1ект})омагнитных полей с уровнями напряжеипостп электрического поля порядка 100 кВ/м и магнитного поля 600 А/м не приводит к структурным повреждениям материалов изделий электронной техники и электротехники и тем самым не вызывает остаточных изменений (деградации) их параметров (исключеипс составляют некоторые типы сердечников из магнитных материалов).

Основу повреждений элементной базы РЭС составляют перенапряжения, возникающие в испях РЭС в процессе грозовых воздействий.

Следствием позлейств1и1 импульсных грозовых перенапряженщ ! на ЭРИ являются: ложные срабатывания; деградация параметров и их выход за допустимые пределы; структурные повреждения р-п переходов и активных элементов: тепловой пробой; плавление и выгорание металлизации и контактных дорожек; перекрытия по поверхности изделия; пробой твердых и жидких диэлектриков, воздушнтлх и вакуумных промежутков.

Наиболее чувствительны.ми к грозовым воздействиям являются полупровод-ииковые приборы (ППП) и интегральные микросхемы (И.МС) (табл. 3.1). Основные отказы этих излелий связаны с электрическими (влияющими иа величину распределения токов в структуре прибора) и тепловыми (определяющими повышение температуры отдельных участков этой структуры) процессами.

Таблица 3 1 Наиболее характерные виды повреждений изделий элементной

базы РЭС при воздействии грозовых перенапряжений

примечание. В таблице приняты следующие обозначения: 1 - ложные срабатывания; И-дегрлдаиия параметров и их выход за допустимые пределы; III - структурные повреждения р- -переходов и активных элементов; IV - тепловойпробой; V - плавление и выгорание металлизашш и контактных дорожек; VI - пере:лрытия по поверхности изделия; VII -пробой твердых и жидк1[х диэлектриков, воздуип1ых и вакуумных про.межутков.

Возникновение электрического (лавинного или тунелыюго) пробоя приводит к резкому возрастанию обратного тока /7- -перехода, который может превысить Допустимые значения. После воздействия импульса перенапряжения, если электрический пробой ие перешел в тепловой, значение обратного тока возвращается к исходному (допрпбойному).

Тепловой пробой в ППП является основной причиной необратимых изменений в их р-п-псреходах. Он связан с иротекагщем больших токов через р- -переходы и локальным выделением мощности на отдельных, небольших по гкю-щадн участках Hpir это.м более чувствительным к пробою является переход эмиттер - база, включенный в обратном направлении. Тепловой пробой наиболее характерен для биполярных транзисторов, тиристоров, точечных и плоскостных диодов.

Значительное место в повреждениях ППП планарной конструкции занимают расплавления токоведущих дорожек, напыленных на поверхность окисных пленок (кремниевые усилительные СВЧ транзисторы и быстродействующие ИМС),

Прн воздействии достаточно мощных и коротких по длительности импульсов перенапряжения довольно часто наблюдается эффект электродинамического отрыва выводов ППП в месте их крепления. Помимо этого при протекании больших импульсных токов с длительностью Ти5б-1 KMC наблюдаются перегорания и расплавления металлизированных токоведущих частей и резистивных элементов ИМС.

Довольно часто грозовые воздействия на РЭС сопровождаются пробоем и:oляциoнныx материалов и изолирующих промежутков или их перекрытия.ми по поверхности.

Обычно пробивные градиенты напряженности электрических полей для воз-дуипшх промежутков составляют 25 ... 30 кВ/см, а по поверхности диэлектриков 5 кВ/см и выше. Изменение свойств диэлектриков в результате внутренних пробоев носит необратимый характер и приводит, как правило, к полному отказу изделия (конденсаторов, кабелей и др.).

Пробой вакуумных и газонаполненных промежутков ламп, тиратронов и разрядников имеет обратимый характер и определяет временную потерю работоспособности РЭС.

В основном характер повреждений (обратимый или необратимый) элементной базы РЭС зависит от уровней воздействуюн1ей на ЭРИ энергии (табл. 3.2).

3.2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Основные параметры стойкости полупроводниковых приборов

Наиболее распространенными повреждениями ППП в процессе их эксплуатации являются раз.шчные виды пробоев и структурных повреждений р-п переходов (пробои от обратного напряжения, тепловые пробои), а также поверхностные перекрытия активных элементов (кристаллов), приводящие к их частичному или полно.му разрушению.

В отличие от максимально допустимых (предельно допустимых) параметров, в пределах которых гарантируется стабильная и падежная работа ППП. максимальные (пределыгые) параметры определяют такие их режимы, при которых работа прибора недопустима, так как он при этом может выйти из строя, или произойдут необратимые измеиения его свойств

в x

с <

г>- v5

>s s

x q.

о d >. с. о о

l: t - 5 s

= Cl-

=: ci.

f- =

a. о

CJ

- r-33 -

О о с CI. t- r

= о Z

3 >-.

- с = и - 3 3 =i о о г 3 -

.г г;

с. с

о 2 - -

о 2 9.

ё i =

с с: а

с-с 1-

и- f- =: I

На практике стойкость ППП к воздействию импу.1ьсны.х перенапряжений обычно характеризуют пороговой энергией повреждения IFnop, прп выделении которой в приборе за время действия импульса электрической перегрузки :10тя бы один из параметров прибора выходит за нормы, установленные нормативно-технической документацией (НТД). Для импульсных напряженнй с длительностью импульса Ти<-0,1 мкс эта энергия постоянна и ее называют критической энергией повреждения Wyp. Критическая энергия импульса, вызывающая отказ ППП, не зависит от параметров воздействующего и.мпульса перенапряжения, а определяется фнзпко-конструктнвными параметрами р-п-псреходов и удельными сопротивлениями их высокоо.мных областей (табл. 3.3). Если длительность

Таблица 3.3. Значения критической энергии повреждения ППП

импульса перенапряжения превышает 0,1 мкс, то энергия Wnop выхода прибора из строя выше, чем энергия \7 р.

Помимо этого стойкость ППП также характеризуется импульсной электрической прочностью, иод которой понимается способность ППП выполнять свои функции и сохранять при этом параметры в пределах норм, установленных в НТД, в процессе или после воздействия импульсного напряжения заданной формы и длительности (табл. 3.4). При этом определяются наибольшая амплитуда

Таблица 3.4. Импульсная электрическая прочность некоторых

полупроводниковых диодов

Т л диода

Параметры перенапряжения при волне 1,2/5П мкс

Обратное капряжеине. В

Обратный ток, А

Д7Г Д7Ж Д302 ... 305 Д304*

700 800 840 ... 870 400

14.5 9,5 2,4 .. 7.7

* При волне перенапряжения 10/500 мкс.

волны обратного напряжения н соответствующее ему значение обратного тока, предшествующие перекрытию или разрушению р-л-переходов ППП.

в справочной литературе по полупроводниковым приборам приведены следующие параметры ППП. которые также могут характеризовать их стойкость.

Мощность рассеяния определяется физическими свойствами полупровод1пт-кового материала, технологическими, геометрическими, конструктивными и тепловыми характеристиками прибора.

Различают максимально допустимую мощность рассеяния в стационарном (уста1ювивц1емся) и 1гмпульсном режимах. В последнем случае она зависит от фор.мы, длительиости, частоты следования и скважности импульсов. Выбор этих параметров в основном .зависит от назначения прибора и его предполагаемых режимов работы.

Пробивные (максимальные) и максимально допустимые напряжения. Максимальное напряжение, которое может выдержать диод или транзистор, ограничивается явлением электрического пли теплового пробоя, вид которого определяется типом исходного .материала, видом проводи.мости, мощностью прибора, виещ-нимп условиями и другими причинами.

Вероятность возн1Ц\новсния теплового пробоя существенно зависит от теплового сопротивления прибора, внегииих условий, схемы врчлюченпя, условий во входггой иеии, рабочего тока и напряжения на приборе. Тепловой пробой может быть устранен обеспечением оптимальной тепловой стабильности режи.мов работы прибора.

Характер электрического пробоя определяется свойствами электронно-дырочного перехода. Пробивное напряжение определяется удельны.м сопротивлением нсходрюго материала; оно обычно ниже теоретического из-за наличия дефектов в исходном материале и явления поверхностного пробоя.

Транзисторы характеризуются пробивными напряжениями переходов: ко.т-лектор - база эмиттер - база (./35 и коллектор - э.миттер U. Для

обеспечения стабильной работы транзисторов их эксплуатационные напряжения выбирают меньше пробпв1ГЫх.

Максимальный ток через поллпроводнпковый прибор определяется допустимой мощностью рассеяния на приборе, уменьигепием коэффициента усиления транзистора прп увелпчешт тока коллектора /к. значением критического тока, при котором происходит тепловой пробой.

Предельно допустимые и предельные параметры полупроводниковых приборов, наиболее часто применяемых

в элементной базе РЭС

Опыт эксплуатации и испытании ППП на стойкость показывает: наиболее распространенными для ППП повреждениями являются поверхностный пробой, объемный пробой н смыкание (прокол) базы; менее стойкими оказываются высокочастотггые, импульсные и маломощные полупроводниковые приборы;

критическая энергия повреждения для маломощных транзисторов равна 2 ... 30 мкДж. для мощных транзисторов I ... 300 мкДж;

явление смыкан1гя (и[)окола) базы чаще всего возникает у транзисторов, по-лрщемых методом пплавлеиия; \ транзисторов с неолнород!1ой базой это явление практически отсутствует;

тепловой пробой ППП зачастую возникает прп запирании транзисторов, работающих в ключевом режиме при больших напряжениях и токах, не превышающих предельных значений;

Таблица 3.5. Предельно допустимые параметры полупроводниковых диодов

* импульсный обратный ток при Тц=50 мкс равен 3 .\. при т = 20 мкс равен 5 А. однократный импульс прямого тока равен 500 Л при t,j<IOO мкс:

* допускается однократная перегрузка в 35 В не более 0,5 с; *з - при тп=0.1 мкс; * при т =1 мкс; * т =4 мкс; * обратное иапряженпе; обратный ток; *8 кратковременное воздействие не более 10 мин.