微处理器瞬态脉冲干扰下的长期损耗机理研究

The microprocessor is the core device of electronic equipments. With the deterioration of electromagnetic environment, as well as rigid demands in the aviation, aerospace, transportation and other special areas, microprocessor electromagnetic susceptibility (EMS) under transient impulse interfering has become the focus of academe and enterprise. At present, the research of microprocessor EMS still remains in the discrete circuits' level with the lack in the failure mechanism research devoted to the whole chip. And there is no susceptibility difference analysis within its life cycle. It has important theoretical and practical significance to analyze the long-term loss mechanism of microprocessor susceptibility and study its susceptibility and reliability failure mechanism. This project combines the accelerated ageing reliability analysis methods and EMS analysis methods. Microprocessor circuit's EMS and failure mechanism is studied by theoretical analysis and simulation which focus on the mining of the most susceptible circuit modules to transient impulse interfering and the corresponding failure mechanisms. According to the difference of susceptibility properties after accelerated ageing on microprocessor, the unit circuit parameters (like the CMOS transistor threshold voltage, mobility and so on) offsets are in-depth analyzed in ageing process. Combining the microprocessor susceptibility and reliability modeling, the simulation results are verified by comparison with the susceptibility test results in the ageing process. The design of key circuits which have effects on the microprocessor life cycle susceptibility is refined and improved.

微处理器是电子设备的核心器件。随着电磁环境的恶化，以及在航空航天、交通运输等特殊领域的刚性需求，微处理器瞬态脉冲干扰下的电磁敏感度和可靠性成为学术界和企业界研究的热点。目前国内外微处理器瞬态抗扰度研究还停留在分立电路层次，致力于整芯片的失效机理研究不足，并且未对其寿命周期内敏感度差异进行剖析。深入分析微处理器寿命周期内的敏感度变化，研究其敏感度和可靠性失效机理，具有极其重要的理论和现实意义。本项目结合加速老化可靠性与电磁兼容瞬态抗扰度分析方法，理论分析和建模仿真微处理器电路瞬态抗扰度及失效机理，重点挖掘其中易受瞬态脉冲干扰的电路模块和对应失效机理；根据加速老化过程中微处理器的瞬态抗扰度性能差异性，深入剖析老化时单元电路（例如CMOS晶体管阈值电压、迁移率等）参数偏移；结合微处理器的瞬态抗扰度与可靠性模型，通过与测试对比验证仿真结果，提炼并改进影响微处理器寿命周期内瞬态抗扰度的关键电路设计。

微处理器是电子设备的核心器件。随着电磁环境的恶化，以及在航空航天、交通运输等特殊领域的刚性需求，微处理器瞬态脉冲干扰下的电磁敏感度和可靠性成为学术界和企业界研究的热点。目前国内外微处理器瞬态抗扰度研究还停留在分立电路层次，致力于整芯片的失效机理研究不足，并且未对其寿命周期内敏感度差异进行剖析。. 本项目致力于发展一种物理效应实验、电路分析、微电子学损伤机理分析和建模仿真紧密结合的瞬态脉冲损伤效应研究方法，通过实验寻找微处理器的损伤效应规律与特殊现象，深入研究EFT脉冲群干扰对微处理器作用的耦合途径，损伤机制，通过建模仿真预测微处理器的敏感度水平。根据微处理器的内部结构和失效模式，建立完整的微处理器电路模型，模拟监测器件内部各级电路输出响应进行失效机理分析，从芯片的设计电路分析瞬态敏感度薄弱环节。找出容易受干扰的I/O电路，指导芯片级电路加固设计。分析着重于查明失效模式、追查失效机理及探讨改进方法，最终提出加固微处理器电磁兼容敏感度特性的芯片设计方案。. 项目研究不同EFT干扰脉冲对微处理器敏感度的影响，搭建测试平台，得到微处理器在不同EFT干扰脉冲下的敏感度水平，并根据测试结果进行了分析总结。提出MCU的瞬态脉冲抗扰度的建模方案，并以一款MCU为研究对象，提取芯片的封装参数和集总无源参数，建立芯片的PDN模型，利用Langer EFT测试来验证模型的准确性，预测了注入到MCU电源引脚的电压；研究加速老化对微处理器EFT敏感度的影响；提出了通过预防闩锁效应改进微处理器I/O保护电路PESD测试性能的方法。项目研究过程中发表论文16篇，其中SCI 6篇，EI 10篇；发明专利3项。本项目选题是目前国际研究热点，围绕IC器件EMC领域的关键性科学问题开展研究，研究成果对我国自主微处理器件在航空航天、空间探测、交通运输等重点领域的应用具有基础性支撑作用，同时其所采用的研究方法对其它IC寿命周期EMC设计也具有重要借鉴意义。