Автореферат (Метод обеспечения функциональной надежности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов)

На правах рукописиКузнецов Вадим ВадимовичМетод обеспечения функциональнойнадёжности печатных узлов радиоэлектроннойаппаратуры космических аппаратов привоздействии электростатических разрядовСпециальность: 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройствателевиденияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2014Работа выполнена в федеральном государственном автономномобразовательном учреждении высшего профессионального образования«Национальный исследовательский университет «Высшая школаэкономики»Научный руководитель:доктор технических наук,профессор Кечиев Леонид НиколаевичОфициальные оппоненты:Кириллов Владимир Юрьевич, док­тор технических наук, профессор, Мос­ковский авиационный институт (МАИНИУ), заведующий кафедрой «Теоре­тическая электротехника»Кривов Анатолий Сергеевич, доктортехнических наук, профессор, ЗАОНПФ «Диполь», г.

Москва, замести­тель генерального директораВедущая организация:ФГУП «Московское опытно-конструк­торское бюро «Марс»Защита состоится 19 июня 2014 года в 12 часов на заседании диссертацион­ного совета Д212.048.13 созданного на базе федерального государственногоавтономного учреждения высшего профессионального образования «Нацио­нальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» , поадресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.3, зал заседаний учёно­го совета (к.217).С диссертацией можно ознакомиться на сайте http://www.hse.ru/sci/diss/ и вбиблиотеке Национального исследовательского университета «Высшая шко­ла экономики» по адресу 101000, г.Москва, ул.Мясницкая, д.20.Автореферат разослан2014 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,к.т.н., профессорГрачёвНиколай Николаевич2Общая характеристика работыАктуальность работыВся радиоэлектронная аппаратура (РЭА), выпускаемая в настоящее вре­мя чувствительна к электростатическому разряду (ЭСР).

Воздействие ЭСРна современные электронные компоненты может вызывать их необратимоеповреждение или скрытые дефекты.Источниками электризации могут быть как перенос электростатическихзарядов со стороны оборудования и персонала для наземной аппаратуры,так и потоки высокоэнергетических заряженных частиц для бортовой аппа­ратуры космических аппаратов (КА). Источниками разряда могут служить:контакт РЭА с носителями заряда: человеком (HBM-модель), с оборудовани­ем (MM-модель), или заряженной РЭА с заземлённым оборудованием (CDMмодель).Исследованию ЭСР и моделированию воздействия ЭСР на РЭА посвя­щены работы Саенко В.С., Пожидаева Е.Д., Кечиева Л.Н., Кириллова В.Ю.,Абрамешина А.Е., Марченко М.В., Вострикова А.В., а из зарубежных иссле­дователей: Pommerenke D., Ashton R., Sowariraj M.S.B., Colnar J., Trotman J.,Bönisch S.Документ ESDA 1 вводит в рассмотрение новый источник разряда —ЭСР от заряженной печатной платы (CBM модель — charged board model).Рассмотрение данного вопроса началось только в 2007-2008 годах, точныеданные по CBM ЭСР отсутствуют, и исследования в данном направленииявляются актуальными.

Актуальной является разработка методов моделиро­вания данного вида ЭСР.На основании полученных результатов моделирования возможно обосно­вание необходимых методик контроля статической электризации для оцен­ки реальной электромагнитной обстановки. Применение методик контроляпозволяет выявить опасность возникновения ЭСР и оценить эффективностьмероприятий по предотвращению ЭСР. Тем самым достигается повышениекачества изготовления бортовой аппаратуры КА.

Разработка научных и тех­нических основ проектирования, конструирования, технологии производства,испытания и сертификации производимой бортовой аппаратуры КА к воздей­ствию ЭСР и повышение качества данной аппаратуры относятся к приори­тетным задачам развития промышленности, и избранная тема диссертацииявляется актуальной.1Industry Council on ESD Target Levels. — White Paper 2: A Case for Lowering Component Level CDMESD Specifications and Requirements, April, 2010.3Цель диссертационной работыЦелью диссертационной работы является повышение устойчивости ра­диоэлектронной аппаратуры к поражающим факторам электризации за счётвыявления влияния характеристик печатного монтажа на порог отказа элек­тронных компонентов при ЭСР и принятия мер по предотвращению ЭСР.Задачи исследованийДля достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:1.

Провести обзор и анализ механизмов воздействия ЭСР на РЭА, моде­лей испытаний на воздействие ЭСР, методов и средств защиты от ЭСР,существующих методов моделирования ЭСР и защитных компонентов,существующих методов и средств контроля электростатических полей,зарядов и потенциалов. На основании проведённого обзора сформули­ровать целевую задачу.2. Создать методику моделирования воздействия CBM ЭСР на электрон­ные компоненты и печатные узлы на основе схемотехнического модели­рования эквивалентной электрической схемы воздействия ЭСР. Разра­ботать эквивалентную схему CBM ЭСР. Разработать способы представ­ления физических параметров объекта воздействия ЭСР в виде пара­метров эквивалентной электрической схемы.3. Разработать методику и аппаратуру для контроля электростатическихпотенциалов для применения в условиях сборочного цеха приборострои­тельных предприятий, предназначенную для выявления потенциальнойопасности накопления заряда печатным монтажом.

К данной аппарату­ре предъявляется требование повышенной устойчивости к перегрузкампо входу, которые могут иметь место в результате ошибочных действийоператоров.4. Выполнить экспериментальную проверку разработанной методики мо­делирования CBM ЭСР. Для этого разработать стенд для проведенияCBM ЭСР тестирования. Сравнить пороги отказа электронных компо­нентов, полученные в результате моделирования и в результате измере­ний.5. На основании разработанной методики контроля статического потенци­ала разработать практическую схему прибора для контроля статиче­ского потенциала. Внедрить данный прибор в технологический процесспроизводства РЭА.4Научная новизна1.

В результате расчётов установлено и экспериментально подтверждено,что порог отказа электронного компонента при CBM ЭСР (напряже­ние ЭСР после при котором компонент отказывает) составляет 50% именее от порога отказа при CDM ЭСР. Эксперименты и моделирова­ние, выполненные по оригинальной методике, независимо подтвердилирезультаты ранее опубликованных экспериментальных исследований.

22. Создана методика моделирования воздействия электростатического раз­ряда по модели заряженного компонента на печатные узлы, состоящая впредставлении объекта воздействия ЭСР в виде эквивалентной электри­ческой схемы и последующем её моделировании с помощью программ­ного обеспечения (ПО) для схемотехнического моделирования.

По из­вестным параметрам ПП и электронного компонента можно рассчитатьпорог отказа при CBM ЭСР.3. Для экспериментальной проверки созданной методики моделированияЭСР разработан стенд и выполнены сравнительные исследования ре­зультатов расчётов и экспериментов. Произведён сравнительный анализполученных экспериментальных данных с данными зарубежных источ­ников.Теоретическая значимостьРезультаты и методы диссертации могут быть полезными как с теорети­ческой, так и с практической точек зрения специалистам в области электро­статического разряда. Диссертационное исследование способствует дальней­шему развитию исследований по совершенствованию методик моделированиявоздействия ЭСР на РЭА.Разработанная методика моделирования CBM ЭСР позволяет упроститьрасчёт порога отказа электронных компонентов при CBM ЭСР, благодаряпредставлению объекта воздействия ЭСР в виде эквивалентной электриче­ской схемы, состоящей из элементов с сосредоточенными параметрами.2Colnar, J.

Decreased CDM ratings for ESD-sensitive devices in printed circuit boards / J. Colnar, J.Trotman, R. Petrice // In Compliance. — 2010. — P. 38 — 41.5Практическая значимость1. Разработанная методика схемотехнического моделирования воздействияЭСР на МОП-транзисторы с использованием ПО с открытым исходнымкодом Qucs имеет применение для выявления чувствительности печат­ных узлов различных изделий спецтехники к ЭСР на этапе разработкиКД.2. На основе разработанной модели CBM ЭСР выработаны рекомендациипо рациональному конструированию ПП для условий эксплуатации, гдеимеется опасность накопления заряда ПП.3. На основе созданной методики контроля электростатических потенциа­лов разработана практическая схема контактного прибора для контроляэлектростатических потенциалов, на которую получен патент на полез­ную модель №118066 [23]. Данное средство контроля внедрено в техпро­цесс монтажа РЭА.4.

Решена задача сопряжения электрометра с устройствами обработкиданных и разработана оригинальная схема гальванической развязки,на которую получен патент на полезную модель №127555 [24].5. В ходе исследований показана возможность применения ПО с откры­тым исходным кодом для решения научных и инженерных задач: моде­лирования, обработки данных эксперимента и т.п. Для моделированияиспользуется ПО Qucs, для обработки результатов эксперимента — си­стема численных расчётов Octave, для разработки ПО — набор библио­тек С++ Qt4, для подготовки текстовых документов — система вёрсткиLATEX.6.

В ходе исследований в исходный код ПО Qucs были внесены изменениядля оптимизации его использования в учебном и исследовательском про­цессе. Изменения приняты в текущую выпускаемую версию ПО.Положения, выносимые на защиту:1. Для расчёта порога отказа электронных компонентов при CBM ЭСР до­статочно представить объект воздействия ЭСР (печатный узел) в видеэквивалентной электрической схемы с сосредоточенными параметрами6(эквивалентная индуктивность и ёмкость). Возможен автоматизирован­ный расчёт переходного процесса в данной эквивалентной схеме припомощи ПО для схемотехнического моделирования общего назначения.2. Порог отказа МДП-транзисторов при CBM ЭСР снижается на 50% иболее по сравнению с порогом отказа при CDM ЭСР.