JP5290294B2 - 活動的な相互作用への電子コンポーネントの感受性の特性評価を行う方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子コンポーネントにおける活動的な相互作用への感受性の特性評価を行い、コンポーネントの好ましい動作条件を決定できるようにする方法に関する。

電子コンポーネントの動作は、それらが作動される環境、例えば人工もしくは自然放射線環境または電磁環境によって阻害されることがある。有害な外部要因は、コンポーネントを構成する材料との相互作用による寄生電流の生成をトリガする。これらは、コンポーネントおよびそれを使用する用途の一時的または恒久的な機能不良を引き起こすことがある。

自然放射線環境において、一般に特異な影響と呼ばれるこれらの影響は粒子によって生成される。例えば、宇宙空間の重イオンおよび陽子は、衛星および打ち上げロケット内の電子装置に影響を与える。航空機が作動する低高度では、中性子が特に多く存在し、それは同様に特異な影響を引き起こす。地上において、自然環境における粒子、筐体内の放射性粒子、または放射耐性、信号完全性、熱不安定性、もしくは方式のいずれによるかを問わず、そのような有害な要因がさらに見いだされることがあり、電子コンポーネントに影響を与えることがある。本文の以下の部分で、粒子の影響がより具体的に対処されることになるが、本発明は、多種多様な環境によって引き起こされる同じタイプの影響に依然として適用可能である。

有害な外部要因によって引き起こされる故障の原因である物理現象はかなり多様である。しかし、故障のいくつかの主要なカテゴリに区別することが可能である。本発明は、特に、放射性環境または電磁環境によって引き起こされ、寄生電流の生成とその寄生電流の増幅または維持とが組み合わされた作用によって生成される影響のうちのいくつかに適用することができる。

例えば、コンポーネントの一部における、ラッチアップまたはシングル・イベント・ラッチアップ（ＳＥＬ）と呼ばれる寄生サイリスタの全体的または局所的なトリガ（したがって、マイクロ・ラッチ・アップと呼ばれる）、スナップバックまたはＳＥＳと呼ばれる寄生バイポーラ・トランジスタのトリガ、シングル・イベント・バーンアウト（ＳＥＢ）と呼ばれる寄生バイポーラ構造のトリガと寄生電流の増幅または維持とが組み合わされた作用を含む故障。これらの影響はコンポーネントにとって有害な場合もあるし、有害でない場合もある。

より具体的には、粒子または放射線の材料との相互作用は電子電荷または正孔の生成をもたらすことがある。ある条件下では、これらの電荷は１つまたは複数の寄生構造のトリガとなる可能性がある。それらの構造はコンポーネントに本質的に存在しているが、コンポーネントが正常に動作している場合それらは決して活性化されないので、それらは寄生と呼ばれる。

これらのトリガを生成する条件は、主として、発生した電荷の量、場所、および発生した電荷のタイプ（空間的および時間的）に関連する。

しかし、通常、電荷の発生に由来するこれらの寄生構造のトリガはコンポーネントを故障させるには十分でない。第２の現象が、第１の現象によって発生した寄生電流を維持または増幅することがある。この第２の現象のトリガは、主として、コンポーネントの本質的な特徴（ドーピング・レベル、コンポーネントの物理的機構など）および動作条件、特にバイアス、周波数、温度などに関連づけられる。

例えば、ＳＥＢ現象はパワー・コンポーネント中でトリガされる可能性がある。パワー・コンポーネントには、例えば、ＭＯＳパワー電界効果トランジスタＭＯＳＦＥＴ、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタＩＧＢＴ、パワー・ダイオードなどが含まれる。例えば、図１は、当初は阻止され、寄生バイポーラ構造を有するそのようなバイアスされた（正のドレイン・フォース電圧）ｎ型シリコン技術のＭＯＳＦＥＴパワー・トランジスタの場合について、トランジスタを構成するシリコンと自然放射線環境からの粒子との作用（直接または間接）がコンポーネント中にいくつかの電子−正孔対を生成させることを示す。電界および拡散の影響下で、これらの電荷は移動し、それにより構造内に寄生電流が生成される。ある条件下で、特に、電荷が生成され、ある量の電荷が生成された場合、寄生電流は、初めは阻止されているソース／ケーソン接合を介して直接通過することができる。ソース／ケーソン接合を貫通することができ、その一方でケーソン／ドレイン接合が逆バイアスされている限り、ソース／ケーソン／ドレイン寄生バイポーラ・トランジスタがトリガされる。ソースはトランスミッタであり、ケーソンはベースであり、ドレインはコレクタである。増幅および維持の現象がない状態では、粒子／シリコン相互作用によって生成された電荷が排出されている間、この寄生構造は依然として貫通することができる。次に、それは再び阻止され、コンポーネントは正常動作に戻る。しかし、いくつかのパラメータ、特に、ドレインに印加されるバイアス電圧、温度、およびコンポーネントの内部技術に応じて、局所的な衝突電離がケーソン／ドレイン接合（高度に逆バイアスされた）で最初に生じ、ソース／ケーソン／ドレイン寄生バイポーラ構造における寄生電流の増幅および維持が可能になるように条件が満たされることがある。一般に、保護がない状態では、寄生電流の増幅によりコンポーネントの破壊が引き起こされる。

この例は、ＳＥＢ現象が両方の現象の組み合わされた作用、すなわち寄生構造のトリガおよび寄生電流の増幅／維持によって確かにトリガされることを示している。

初期の寄生電流の増幅および／または維持現象の物理的性質は、放射線の影響のタイプおよびコンポーネントのタイプに応じて変化する。ＳＥＢ現象の場合には、それは衝突電離による電流の増幅／維持である。ＳＥＬ現象の場合、ＣＭＯＳ技術では、電流増幅／維持は寄生構造のトリガと組み合わされた寄生バイポーラ構造のトリガにより生じ、その結果は一時的、恒久的、または破壊的となる可能性がある。

現時点では、コンポーネントがそのような寄生のトリガの影響を受けることのない、バイアス電圧、または使用に関する他の任意の特性、周波数、温度、圧力、磁界値、または他の要因を測定する方法はない。

本発明の目的は、電子コンポーネントが寄生電流の生成、増幅および／または維持を含む故障に本質的に敏感かどうかを示し、コンポーネントを使用するための条件が変化する場合にこれらの同じ影響へのコンポーネントの感受性を特定および測定するために、レーザ、好ましくはパルス型のものに基づいたシステムの使用を提案することによってこの問題を克服することである。この観点で、本発明は使用の適切な条件を確定することができる。使用についてのこれらの適切な条件が採り入れられる場合、活動的な相互作用、特に自然放射線環境によるものの場合に発生するそのような故障の可能性を最小にする。

これらの特性が適切に選ばれる場合、レーザは、粒子のように、局所的および一時的に電子コンポーネント中の半導体をイオン化し、したがって、寄生電流を引き起こすことができる。このためには、レーザは、コンポーネントを構成する材料に電荷を発生させる（線形吸収または非線形吸収によって）ことを可能にする波長を有していなければならない。例えば、シリコンにおける線形吸収では、レーザの波長は１．１μｍ未満（レーザ源からのレーザ光子のエネルギーが半導体の禁止帯幅の値よりも大きい）でなければならない。レーザは、好ましくは、単一パルスとして、または試験されているコンポーネントからの信号と同期して使用される。光学システムを使用してコンポーネントの活性区域にレーザ・ビームを集束する。最終的に、レーザ・ビームの光路に、レーザのエネルギーを変更するためのシステムがある。このシステムは、レーザのエネルギーをコンピュータから制御することを可能にするインターフェースを有する。

モータのシステムは、レーザ・ビームを３軸に沿って電子コンポーネントに対して移動させることを可能にする。

試験される電子コンポーネントに対するケーシングは、レーザ・ビームが感受性のある区域を励起できるようにするために、好ましくは、２つの面のうちの一方が開口される。好ましくは、この開口はコンポーネントの裏面にある。

試験されるコンポーネントは、使用条件、特に動作周波数、バイアス、および温度を再現する環境に置かれ、該当する場合、コンポーネントは指定された機能を行う。試験システムは故障を検出し、必要ならばコンポーネントの機能の全体的な損失を避けるために故障を除去することができる。

したがって、本発明は、電子コンポーネントにおける活動的な相互作用への感受性の特性評価を行う方法に関し、
電子コンポーネントがオンにされ、
レーザ放射を使用して電子コンポーネントは励起され、それによりオンにされ、
動作故障が、励起の値に応じて電子コンポーネント内で検出される方法であって、
コンポーネントの使用条件、すなわちバイアス、および／または入力信号、および／またはコマンド信号、および／または周波数、および／または温度、および／または出力電荷が変化し、
変化した使用条件によりそのようなトリガ現象を示す場合があるかどうかが測定されることを特徴とする方法である。

本発明は、以下の説明を読み、それに添付された図を検討するとき、よりよく理解されるであろう。図は例示的な目的のためだけに提供されており、本発明を限定するものではない。

既に解説した、パワー・コンポーネント内でトリガされたＳＥＢ現象を示す図である。 本発明による方法を実施するために使用することができるデバイスを示す図である。 ＳＥＬ現象を特定および除去するためのシステムを説明する図である。 ＳＥＢ現象を特定および除去するためのシステムを説明する図である。 ドレイン／ソース・バイアス電圧に基づいた、ＳＥＢへのＭＯＳパワー・トランジスタの感受性のマッピングを示す図である。 ドレイン／ソース・バイアス電圧に基づいた、所与のレーザ・エネルギーに対する最大電流振幅の変化を示す図である。

図２は、本発明による方法を実施するために使用することができるデバイスを示す。本発明の目的は、図１に示されるタイプのような電子コンポーネント１における活動的な相互作用の影響を測定することである。したがって、電子コンポーネント１は、既知の方法で、逆に示されて、半導体結晶２を有し、この半導体結晶２では、以下のものが、様々な場所で、すなわちケーソンで、不純物によって確立された区域で、またはエピタキシャル区域でさえ生じる。一般に金属である３のような接続は、電子コンポーネント１に接続されたインターフェース４となる。時には、結晶２の上面および／または下面に配置された支持体および／または保護物５がある場合がある。

本発明では、活動的な相互作用の影響を受けることになる電子コンポーネント１の動作故障を測定するために、コンポーネント１は印刷、単層、または多層回路基板などの試験電子基板６上に取り付けられることになる。基板６は、基板表面に取り付けられたコンポーネント用の、基板６を貫通する接続ピン９、または１０のような半田ボールを用いた７および８などの他のコンポーネントに使用することができる。これらの他のコンポーネントを使用して、コンポーネント１の動作条件を変更することができる。例えば、コンポーネント７は、コンポーネント１を所望の温度にするためのサーモスタット抵抗発熱体とすることができる。例えば、コンポーネント８は所望の周波数でコンポーネント１を制御するためのクロックとすることができる。他のコンポーネントを使用してコンポーネント１を保護することもできる。

基板６は、活動的な粒子へのコンポーネント１の感受性を測定するために試験装置１２に接続されるべきコネクタ１１を有する。このデバイス１２を用いて、コンポーネント１はレーザ源１３によって励起される。このレーザ源１３は、電子コンポーネント１を攻撃する放射１４を放出する。この攻撃をサポートするために、コンポーネント１は、自身の基部５の付近でこの攻撃を受けることが好ましい。この攻撃をサポートするために、支持体および／または保護物５は、好ましくは、窓１５の状態に開口され（特に化学的または機械的処理によって）、窓１５を通してレーザ１３の放射１４は入り込むことができる。一例では、レーザ源は、半導体材料においていくつかの光子の同時吸収を引き起こす。

試験の時、電子コンポーネント１は、自身のインターフェース１１によって、電力を供給して、制御を行うことができるデバイス１２に接続される。デバイス１２は、概略的に、制御、アドレス、およびデータ・バス１７によってプログラム・メモリ１８に接続されたマイクロプロセッサ１６、データ・メモリ１９、インターフェース１１、レーザ源１３、およびレーザ・エネルギー減衰システム２０を含む。デバイス１２は、概略的に示されるように、コンポーネントが相互作用およびレーザ励起１３を受けている間、セット入力２２での期待する電気と、カスタム出力２３でのインターフェース１１によって収集されたコンポーネント１の電気信号とを受け取るコンパレータ２１も含む。

コンパレータ２１は、電子コンポーネント１から受け取った信号用のカスタム・サブプログラム２４によって取り替えられ得る。測定操作は静的とすることができる。その場合、ポテンシャル値および有効電流だけがインターフェース１１のプロット上で試験される。測定操作は動的とすることができる。マイクロプロセッサ１６は、レーザ・エネルギーの増加または減少などのログ記録されなければならないいくつかの動作をカウントするクロックをさらに含む。応答が、期待値に合っているかまたは偏差を示すかどうかを判断するために測定される。

この目的のために、プログラム・メモリ１８は、レーザ光源１３、コンポーネント１に対すレーザ光源のＸＹＺ移動、およびレーザ・パワー用の制御プログラム２５を含む。メモリ１８は、好ましくは、最終的に、コンポーネント１の動作モードを変更するためのプログラム２６を含む。そのような変更には、クロック８、入力信号および／または制御信号、出力電荷、バス１７およびインターフェース１１でも利用可能なコンポーネント１のバイアス電圧、ならびに例えば放熱器７によってもたらされる温度が含まれる。他の動作条件が計画される場合、基板６はコンポーネント、特に所要の磁気コンポーネントを含むことができる。これらの他のコンポーネントもマイクロプロセッサ１６によって制御される。

図３の例では、試験システムは、コンポーネント１の電流消費Ｉconsをモニタする。過剰消費が検出され、それによってＩconsが閾値Ｉthreshold よりも大きくなると、電流はコンポーネントの破壊を避けるために低減され、実際にＳＥＬ現象であることを確認するため一定の時間２７の間維持される。次に、電力は切断され、そしてコンポーネント１はオンにされる。このようにして、ＳＥＬ現象は検出され、次にコンポーネント１を破壊しないように除去された。

一例では、基板６は図４のダイヤグラムに示されるコンポーネントを備えている。保護の同じ目的のために、コンポーネント１用に電源２９に沿って配置された抵抗器２８は供給電流を制限することができる。ＳＥＢ現象がトリガされると、コンポーネント１からのトランジスタは一時的に電流が流れるのを可能にする。電流は電源２９によって供給することができない（抵抗器２８のために）ので、コンポーネント１と平行な静電容量３０が放電される。この放電は期間２７を生成する。静電容量３０が完全に放電されると、故障を継続するのに必要とされる電流はもはや供給されない。次に、コンポーネント１は正常に戻る。故障は除去されている。したがって、このシステムは、例えばオシロスコープを用いて、静電容量放電を測定することによって故障を検出し、さらに故障が破壊的にならないようにすることができる。

レーザからのショットは、試験されているコンポーネントからの信号と同期している場合も同期していない場合もあり、ショットごとに、１つまたは複数の故障が生じているかどうか確かめるために、検査が試験システムで行われる。

注目するＸ／Ｙ位置に関して、コンポーネントがレーザ・パルスに対して最大感受性を示す位置を特定するためにレーザ・ビームの焦点が調整される。故障を引き起こすのに必要とされるレーザ・エネルギーが最小のとき、この最大感受性が生じる。この操作は注目する位置および所与の使用条件に対して実行されるが、この操作はレーザがマップされるすべての位置で系統的に繰り返すこともできる。さらに、深さＺでの最適焦点が決定され、または３次元感受性マッピングが行われる。

レーザからの位置およびショットは、自然放射線環境からの粒子の影響をできるだけ再現するために無作為に選ぶこともでき、あるいは、コンポーネントが故障する空間的および時間的位置を捜し出すために注意深く調整することもできる。

次に、異なる位置に関して、およびこの最小エネルギーよりも大きいレーザ・エネルギーに関して、コンポーネントの使用条件のパラメータのうちの１つが、故障をトリガするパラメータの閾値を検出するように調整される。この使用条件では、このようにして活動的な相互作用に関してコンポーネントの好ましい動作範囲が決定される。

したがって、コンポーネントの感受性の空間マッピングはコンポーネントの使用条件およびレーザ・エネルギーに基づいて行うことができる。

この点に関して、図５は、パワー・コンポーネントにおけるＳＥＢ現象のトリガへのドレイン／ソース・バイアス電圧の影響の例を示す。それは、バイアス電圧が９５ボルト（０．９５Ｅ＋２）未満である場合、コンポーネント１があらゆる点で攻撃に耐えることを示す。ＳＥＢ現象は生じない。さらに、それは、いくつかの顕著なスポットでの極めて特別な場所で、バイアス電圧が４８０ボルトを超える場合にのみレーザ攻撃がＳＥＢ現象を生成することも示している。

図６の曲線は、図５のマッピングのある位置について抽出することができる。例えば、それは、ドレイン／ソース・バイアス電圧に基づいた、所与のレーザ・エネルギーに対する最大電流振幅の変化を示す。２つの領域が識別される。９５ボルトを超えると、コンポーネントは故障を受けやすい。９５ボルト未満では、故障がその位置で生じる。それは、さらに、レーザ攻撃（小さい点をもつ曲線）と重イオンの攻撃（小さい正方形をもつ曲線）とを比較し、ＳＥＢ現象が生成され得る閾値に関して同じ結果を与えていることによってレーザ近似の正当性を示しており、このようにして、考慮している環境に関してこの方法の有効性を確認している。

１ 電子コンポーネント； ２ 結晶； ４ インターフェース；
５ 保護物； ６ 試験電子基板； ７、８ 他のコンポーネント；
９、１０ 接続ピン； １１ インターフェース； １２ デバイス；
１３ レーザ源； １４ 放射； １５ 窓。

Claims (9)

1. 電子コンポーネントにおける粒子と材料との相互作用に対する感受性の特性評価を行う方法であって、
   前記電子コンポーネントがオンされ、
   レーザ放射を使用して前記電子コンポーネントが励起され、
   動作故障が、励起の値に応じて、前記電子コンポーネント内で検出される方法であって、
   前記コンポーネントの使用条件、すなわち前記コンポーネントの電気的コンタクトのバイアス、入力信号、コマンド信号、温度または出力電荷が変化し、
   前記変化した使用条件により、トリガ現象すなわち前記相互作用による寄生電流の生成に起因する故障動作を示す場合があるかどうかが測定されるものであり、さらに、
   前記トリガ現象の調査が、ＳＥＢ、ＳＥＬ、マイクロ・ラッチ・アップ、ＳＥＳ、または電流増幅および／または維持機構と組み合わされた寄生電流を生じる寄生バイポーラ構造を含む他の任意の現象であることを特徴とする方法。
2. 窓が前記コンポーネントの基部用の支持体または保護物に開口され、
   前記コンポーネントがその基部の表面で励起されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記レーザ放射が、注目する場所で、前記コンポーネントの様々な深さで集束されることを特徴とする請求項１から２のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記コンポーネントがこの励起中保護され（２８、３０）、
   前記保護が、前記コンポーネントのバイアス回路中に保護回路を設けることを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 相互作用が最も強い前記コンポーネント中の注目する場所を示すマッピングが行われることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記レーザのパワーが、段階的に変え得ることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記レーザ放射のためのレーザ源からのレーザ光子のエネルギーが前記コンポーネントの半導体の禁止帯幅の値よりも大きいことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記レーザ放射のためのレーザ源が、半導体材料においていくつかの光子の同時吸収を引き起こすことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の方法を実施するためのデバイス。

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