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

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИФедеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшего профессионального образованияНАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»На правах рукописиКузнецов Вадим ВадимовичМетод обеспечения функциональнойнадёжности печатных узлов радиоэлектроннойаппаратуры космических аппаратов привоздействии электростатических разрядов05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства телевиденияДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительд. т. н., проф.Кечиев Леонид НиколаевичМосква – 2014СодержаниеВведение . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .Глава 1.5Анализ источников по тематике электростатическогоразряда и измерения характеристик электростатических по­лей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . 131.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.2. Понятие электростатического поля и заряда . . . . . . . . . . . 141.3. Методы испытаний и модели воздействия ЭСР на РЭА . . . . . 161.4. Методы защиты электронных компонентов от влияния стати­ческого электричества . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241.5. Вопросы моделирования процесса ЭСР . . . . . . . . . . . . . . 291.6. Моделирование элемента защиты от ЭСР . . . . . . . . . . . . . 301.7. Методы измерения характеристик электростатических полей. . 321.8. Методы калибровки измерителей напряжённости электроста­тического поля и электростатического потенциала . .

. . . . . . 401.9. Цель и задачи работы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43Глава 2.Разработка метода моделирования CBM ЭСР . . . . 452.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.2. Анализ эквивалентных схем воздействия CDM и ЭСР на элек­тронный компонент . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . 472.3. Разработка метода измерения емкостей, входящих в модельЭСР при помощи электрометра . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.4. Разработка схемотехнической модели воздействия HBM и CDMЭСР на полевой транзистор с изолированным затвором . . . . 5522.5. Модель воздействия CBM ЭСР на полевой транзистор с изо­лированным затвором . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . 602.6. Разработка схемотехнической модели воздействия CDM ЭСРна корпус интегральной микросхемы . . . . . . . . . . . . . . . 672.7. Разработка приближённого метода расчёта перенапряженийна затворе МДП-транзистора при ЭСР . . . . . . . .

. . . . . . 742.8. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Глава 3.Разработка метода и аппаратуры для контроля элек­тростатического потенциала . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.1. Введение . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 803.2. Исследование характеристик электронной лампы в обращён­ном режиме . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.3. Разработка схемотехники электрометров на основе ламп в об­ращённом режиме . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . 913.4. Разработка метода и аппаратуры для контроля электростати­ческого потенциала с применением электрометра и емкостногоделителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 963.5. Выводы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100Глава 4.Экспериментальное исследование разработанных ме­тодов . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1024.2. Исследование модели воздействия ЭСР на печатные узлы . . . 1034.3. Программа ESD-MOSFET-calc для приближённого расчёта по­рога отказа МДП-транзисторов при воздействии ЭСР. .

. . . . 10934.4. Экспериментальная проверка методик контроля электростати­ческого потенциала в условиях приборостроительного предпри­ятия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1114.5. Применение разработанного электрометра для исследованияэлектризации кабелей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1204.6. Выводы . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1414ВведениеАктуальность 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).

Источником разряда может служитьконтакт РЭА с носителями заряда: человеком (HBM-модель), с оборудовани­ем (MM-модель), или заряженной РЭА с заземлённым оборудованием (CDMмодель).Документ ESDA [44] 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.Такой вариант ЭСР может иметь место, например, в случае если платанакапливает заряд и затем вставляется в разъем и сигнальные контакты приэтом контактируют первыми.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 повышения5качества 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 относится к приоритет­ным задачам развития промышленности [72], и избранная тема диссертацииявляется актуальной.Цель 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.Для 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 приборострои­6тельных 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.Научная новизна1. В результате расчётов установлено и в экспериментально подтверждено,что порог отказа электронного компонента при CBM ЭСР (напряжениеЭСР после при котором компонент отказывает) составляет 50% и ме­нее от порога отказа при CDM ЭСР.