Автореферат (Метод обеспечения функциональной надежности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов), страница 3

Выполненное автором тестирование ПО Qucsпоказало, что в оно позволяет производить расчёт переходных процессов с пи­косекундным шагом, несмотря на то, что относится к классу ПО с открытымисходным кодом и распространяется бесплатно.В качестве объекта исследований были выбраны n-МДП транзисторы сизолированным затвором фирмы International Rectifier. МДП-транзистор яв­ляется базовой структурной единицей всей современной твёрдотельной элек­троники и результаты полученные для МДП-транзисторов, можно экстрапо­лировать и на прочие электронные компоненты. По устойчивости к CDMЭСР транзисторы относятся к классу С4 (порог отказа 1000 В).Имея в распоряжении принцип построения схемотехнической модели воз­действия ЭСР на многовыводные электронные компоненты, можно приме­нить его к построению схемотехнической модели воздействия ЭСР на МДП­транзисторы.

МДП-транзистор является трёхвыводным компонентом. Егоособенностью является значительная ёмкость затвор-исток зи (от 200 до3000 пФ), которую необходимо учитывать при моделировании.В ходе исследований была построена схемотехническая модель воздей­ствия HBM ЭСР на МДП транзистор и произведён сравнительный анализрезультатов моделирования переходного процесса и полученного порога от­каза с экспериментально полученными результатами, приведённые фирмой­изготовителем. Можно сделать вывод о том, что модели МДП-транзисторов,имеющиеся в программе Qucs можно использовать для моделирования воз­действия на них ЭСР без каких-либо доработок.

Критерием отказа транзисто­ра при моделировании будет служить превышение напряжением затвор-истокдопустимой величины в 75-80 В, которая приводится предприятием-изготови­телем транзисторов в справочных данных.12На основании данных о согласовании результатов тестирования и моде­лирования воздействия НВМ ЭСР на МДП-транзисторы было произведеномоделирование воздействия CDM ЭСР на данные полупроводниковые прибо­ры. Особый интерес представляет выявление воздействия ёмкости печатнойплаты на порог отказа транзистора и сравнение результатов с данными зару­бежных исследований.

При этом возникает вопрос: происходит ли при CBMЭСР снижение порога отказа электронного компонента.Сначала было произведено моделирование воздействия CDM ЭСР безпечатной платы. Схема модели CDM ЭСР в программе Qucs показана нарис.3.C1C=3 pFV=VtestL1L=9 nHR2R=1 OhmS1time=1 nsRon=26Roff=1e12T1Comp=IRF510R4R=1kR3R=47kL2L=1nHPr1C2C=5pV=VtestРазверткапараметрамоделированиепереходного процессаSW1Sim=TR1Type=linParam=VtestStart=500Stop=1000Points=3TR1Type=linStart=0Stop=6 nsPoints=501Рис. 3. Схема модели воздействия СDM ЭСР на транзистор IRF510.

Ёмкость С2 соответ­ствует ёмкости корпуса транзистора на землю.Сравнение формы тока ЭСР, полученной в результате моделирования, иуказанной в стандарте JESD-C101E показало, что физические процессы приCDM ЭСР воспроизводятся моделью корректно.Произведём моделирование CBM ЭСР для транзистора, установленногона печатной плате. Система печатных проводников связана с истоком МДП­транзистора.

Для моделирования CBM ЭСР в данном случае увеличим ём­кость С2 на рис.3 до значения, равного ёмкости системы печатных провод­ников, связанных с истоком транзистора. Примем данную ёмкость равнойёмкости использовавшейся в исследованиях тестовой ПП (190 пФ). В ходеисследований была разработана методика измерения ёмкости объёмных объ­ектов (печатные платы, кабели, корпуса ИМС) без радиочастотного воздей­13ствия с применением электрометра. Физический принцип измерения основанна определении ёмкости исходя из законов электростатики.Графики напряжения на затворе при ЭСР показаны на рис.4. Уже принапряжении тестирования 250 В перенапряжения на затворе транзистора до­стигают 80 В, что соответствует отказу транзистора.

Таким образом пороготказа транзистора снизился на 75 %.90Напряжение на затворе, В80706050403020100-100510Время, нс1520Рис. 4. Напряжение на затворе МДП-транзистора при ЭСР. Транзистор соединён с печат­ной платой. Напряжение тестирования 250 В.Теперь произведём параметрический анализ влияния ёмкости печатнойплаты на порог отказа МДП-транзистора в результате CBM ЭСР. Осцилло­граммы импульсных перенапряжений на затворе транзистора при ЭСР пока­заны на рис.5.Увеличение ёмкости затвор-исток транзистора снижает его восприимчи­вость к ЭСР.

Возрастание ёмкости печатной платы приводит к неограничен­ному росту перенапряжений в цепи затвора при CBM ЭСР. Данная схемаЭСР моделирует наихудший случай развития разряда — непосредственныйразряд на вывод затвора транзистора. В результате моделирования полно­стью подтвердились данные зарубежных публикаций.Разработанная в ходе исследований концепция построения моделей воз­действия ЭСР на МДП-транзисторы позволяет моделировать перенапряже­ния, возникающие при CDM ЭСР, имея в распоряжении Spice-модель транзи­стора, конструктивные даннные ПП и пробивное напряжение подзатворного1490Напряжение на затворе, В80706050403020100-10024681012Время, нс14161820Рис. 5.

Напряжение на затворе МДП-транзистора при ЭСР для ёмкости печатной платыот 50 пФ (нижняя кривая) до 500 пФ (верхняя кривая). Транзистор IRF630. Напряжениетестирования 400 В.диэлектрика транзистора.Применяя аналогичный подход можно смоделировать воздействие CBMЭСР на интегральную микросхему (ИМС). Результаты для моделирования вслучае ИМС отличаются тем, что не наблюдается неограниченного уменьше­ния порога отказа ИМС при её соединении с печатной платой, так как всесовременные ИМС содержат встроенную схему защиты от ЭСР.Упрощённая модель применяется, если Spice-модель для исследуемоготранзистора не доступна.

Входными данными для расчёта являются ёмкостьсистемы печатных проводников, ёмкость затвор-исток транзистора и напря­жение пробоя подзатворного диэлектрика транзистора. Как было показано,расчёт порога отказа МДП-транзистора при CDM ЭСР по упрощённой моде­ли и расчёт с применением схемотехнического моделирование имеют расхож­дение не более 20%.Моделирование CBM ЭСР показывает, что массивные медные печатныепроводники накапливают дополнительный статический заряд, который приразряде полностью проходит через электронный компонент и создаёт допол­нительные перенапряжения и дополнительный ток ЭСР.

Порог отказа элек­тронных компонентов при CBM ЭСР снижается на 50% и более по сравне­нию с CDM ЭСР и в наихудшем случае может составить менее 100 В. Для15снижения опасности CBM ЭСР в таких условиях эксплуатации не рекомен­дуется выполнять медные печатные проводники большой площади, так какпри этом увеличивается ёмкость печатной платы, в которой накапливаетсядополнительный статический заряд. При использовании нанопроводящего ди­электрика ПП 3 полностью устраняется возможность накопления зарядов пе­чатной платой.Результаты второй главы опубликованы в работах [2], [4–10].В третьей главе приведено описание разработанной методики и аппара­туры для контактного контроля электростатических потенциалов и зарядов.На основании расчётов, проведённых во второй главе видно, что дажедля таких мощных полупроводниковых приборов, как силовые МДП-тран­зисторы напряжение отказа при CBM ЭСР может составить менее 100 В.Поэтому в ходе технологического процесса для оценки фактической электро­магнитной обстановки важно производить контроль статических потенциа­лов.Результатом исследований стала разработка контактного прибора дляконтроля электростатических потенциалов с применением схемотехники наэлектронных лампах в обращённом режиме.

На разработанный прибор полу­чен патент на полезную модель [23]. Прибор позволяет выявить электризациюПП, кабелей, технологического оборудования и оснастки.Типовая схема электрическая принципиальная такого прибора приведе­на на рис.6. В ходе исследования был создан опытный образец прибора.Вход 1L1L2VL1.1PA1АVL1.2R2Вход 2R1+5В-DA1DA2Рис. 6. Схема электрическая принципиальная прибора для контактного контроля электро­статических потенциалов3Абрамешин А. Е. Развитие концепции нанопроводимости диэлектриков в отечественной космиче­ской технике // Технологии ЭМС. — 2012.

— №3. — С. 29 — 33.16Как видно из схемы, для расширения диапазона входных напряженийпо входу прибора включён емкостной делитель, образованный отрезками ко­аксиального кабеля L1 и L2. В работах [11, 12] приведено обоснование расчё­та такого емкостного делителя.

Прибор представляет собой электрометриче­ский вольтметр постоянного тока. Входное сопротивление достигает более 20ТОм. Предел измерения опытного образца равен 250 В и легко может бытьрасширен вверх. Чувствительном элементом является электронная лампа вобращённом режиме (триод, управляемый по аноду).К достоинствам разработанного прибора относится низкая чувствитель­ность к перегрузкам по входной цепи, что позволяет использовать прибор насборочных участках, в производственных лабораториях. Схема содержит ми­нимальное число элементов и поэтому обладает высокой надёжностью.

При­бор может применяться для измерения емкостей по методике разработаннойво второй главе [7, 13]Результаты третьей главы опубликованы в работах [14–19, 23].В четвёртой главе проведено практическое экспериментальное иссле­дование разработанной во второй главе методики моделирования CBM ЭСРи описано практическое применение разработанной в третьей главе методикии аппаратуры для контроля электростатических потенциалов.Для подтверждения результатов моделирования воздействия CDM ЭСРна печатные узлы, заявленных в главе 2 необходимо произвести тестированиепечатных плат на воздействие ЭСР.Сначала необходимо выяснить действительно ли печатные платы могутнакопить заряд, опасный для электронных компонентов.