Диссертация (Метод обеспечения функциональной надежности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов), страница 11

Данное выражение не учитывает колебательныйхарактер переходных процессов при ЭСР. С использованием данного выраже­ния можно рассчитывать и порог отказа МДП-транзистора при HBM ЭСР,подставив вместо ёмкости печатной платы эквивалентную ёмкость моделитела человека (около 150 пФ, например по данным [60] или [14]). Расчётпо данному выражению целесообразно использовать, если Spice-модель дляМДП-транзистора не доступна. Для выполнения расчёта необходимо знатьследующие параметры МДП-транзистора: ёмкость затвор-исток исследу­емого транзистора (измеряется измерителем RCL-параметров любого типа)и напряжение пробоя подзатворного диэлектрика (предоставляется предпри­ятием-изготовителем).

Если напряжение пробоя подзатворного диэлектриканеизвестно, то его можно измерить при помощи регулируемого источниканапряжения постоянного тока. Напряжение прикладывается к цепи затвор­исток проверяемого транзистора. Критерием пробоя подзатворного диэлек­трика служит функциональный отказ транзистора.Приведём пример расчёта порога отказа МДП-транзистора IRF510 приCDM ЭСР по формуле (2.6) и сравним полученное значение со значениемпорога отказа, полученным в результате схемотехнического моделирования вразделе 2.5.

Для транзистора IRF510 было измерено значение ёмкости затвористок = 370пФ. Ёмкость тестовой печатной платы равна = 190пФ.Напряжение пробоя подзатворного диэлектрика по данным фирмы-произво­дителя [12] равно = 75 − 80В. Зная вышеприведённые параметры, подста­вим их в выражение (2.6) и получим напряжение порога отказа МДП-тран­зистора, при CDM ЭСР с печатной платой: =370пФ + 190пФ80В ≈ 236В190пФВ результате моделирования мы получили значение порога отказа =76250В. Имеется расхождение δ между результатами расчётов по выражению(2.6) и моделирования, которое в процентах составляет:δ= − 250В − 236В· 100% =100% = 5.6%250В(2.8)Порог отказа занижен относительно полученного при моделировании.Такое расхождение является приемлемым для практических расчётов, с учё­том того, что разброс пробивного напряжения подзатворного диэлектрикасам по себе достигает 5-10% по данным [12].

Окончательный результат о кор­ректности разработанной расчётной методики можно будет получить послевыполнения экспериментальной проверки, которая заключается в том, чтоМДП-транзисторы, установленные на печатных платах, подвергаются CDMЭСР тестам. В результате экспериментов можно будет сравнить порог отказа,полученный в результате моделирования и в результате экспериментов.2.8. ВыводыВ результате моделирования подтвердились данные публикации [8], отом, что соединение электронного компонента с печатной платой снижает по­рог его отказа при воздействии CBM ЭСР по сравнению с CDM ЭСР. Дляподтверждения данных результатов необходимо провести тесты МДП-транзи­сторов на воздействие ЭСР. При проведении тестирования транзистора принапряжении в 250 В должен произойти отказ транзистора. Таким образомможно будет подтвердить разработанную методику моделирования воздей­ствия CBM ЭСР на МДП-транзисторы.Таким образом моделирование CBM ЭСР показывает, что массивныемедные печатные проводники накапливают дополнительный статический за­ряд, который при разряде полностью проходит через электронный компоненти создаёт дополнительные перенапряжения и дополнительный ток ЭСР.

По­77рог отказа электронных компонентов при CDM ЭСР снижается на 50% иболее и в наихудшем случае может составить менее 100 В. Можно сформу­лировать рекомендации по разводке печатных плат для условий эксплуата­ции, неблагополучных по накоплению электростатических зарядов печатны­ми платами. Для снижения опасности CBM ЭСР в таких условиях эксплуата­ции не рекомендуется выполнять массивные медные печатные проводники,если на это нет конструктивного обоснования, так как при этом увеличи­вается ёмкость печатной платы, в которой накапливается дополнительныйстатический заряд. Также в обоснованных случаях возможно применение ма­териалов для печатных плат с увеличенной объёмной проводимостью [45].Такие материалы ПП полностью устраняют возможность заряжения печат­ной платы и CBM ЭСР.Снижение импульсных перенапряжений даёт включение параллельно за­твору защищаемого транзистора двунаправленного стабилитрона, либо TVS­диода.Для случаев, если Spice-модель МДП-транзистора недоступна, возможноприменение приближённого метода расчёта порога отказа МДП-транзисторапри ЭСР, который также был разработан в ходе исследований.Для выявления потенциальной опасности возникновения CDM ЭСР ак­туальна разработка метода и аппаратуры для контроля статических потен­циалов, которые будут рассмотрены в следующей главе.

Требуется прово­дить контроль статического потенциала, приобретаемого платами при помо­щи электрометрической аппаратуры. Поэтому актуально проведение в про­изводственных условиях контроля электростатических потенциалов на опера­торах и оборудовании. Такой контроль позволит также выявить накоплениестатического заряда печатными узлами.По данной причине актуальна разработка оборудования и методик, поз­воляющих осуществлять контроль электростатических потенциалов непосред­78ственно в условиях цехов приборостроительных предприятий. Данному во­просу посвящено исследование, проведённое в третьей главе.79Глава 3Разработка метода и аппаратуры для контроляэлектростатического потенциала3.1. ВведениеКак было показано в предыдущей главе, результаты моделирования воз­действия ЭСР показали, что накопления статического заряда печатными уз­лами представляет опасность даже для силовых полупроводниковых прибо­ров.

Поэтому актуально проведение контроля электростатического потенци­ала в производственных условиях.Существуют различные методики измерения электростатического потен­циала. Основным требованием, предъявляемым к используемым при этомсредствам измерений является малое потребление энергии от объекта изме­рения, так как в противном случае электростатический заряд с объекта быст­ро нейтрализуется. Это приводит к требованию высокого входного сопротив­ления (не менее 1012 Ом) у применяемых средств измерений.

Аппаратура,обладающая таким высоким входным сопротивлением называется электро­метрической аппаратурой [54].В основном для контроля электростатического потенциала применяют­ся бесконтактные методы. Возможно и контактное измерение электростати­ческого потенциала при помощи электрометрического вольтметра, но приэтом имеется риск повреждения входной цепи прибора, так как электроста­тические потенциалы могут достигать значений до нескольких киловольт, аопасный электростатический потенциал для современных электронных ком­понентов, который нужно контролировать, составляет менее 100 В. При этомнужно иметь многократный запас по перегрузочной способности по входной80цепи для применяемого средства измерения.

Для бесконтактных измерителейвероятность возникновения электростатического разряда на их вход меньше,так как расстояние от датчика до объекта измерений обычно больше рас­стояния при котором наступает пробой в воздухе (несколько миллиметров).Также если установить датчик по ошибке на расстоянии меньше рабочего,то бесконтактный измеритель начнёт зашкаливать и оператор прекратит из­мерения ещё до того как датчик приблизится к объекту на расстояние, прикотором наступает пробой.Для бесконтактного измерения электростатического потенциала приме­няется метод динамического конденсатора и зондовый метод [18, 38].

Приизмерениях по обоим методам необходимо предварительно определить рас­стояние от объекта измерения до датчика прибора. Так в руководстве по экс­плуатации измерителя с динамическим конденсатором, Kleinwächter EFM-122[10], указано что измерения электростатического потенциала производятсяпри расстоянии от объекта до датчика равном от 10 до 200 мм для разныхдиапазонов измерения. Аналогичное требование указано и для зондового из­мерителя ИЭСП-01 [57] отечественного производства. При измерении в усло­виях производства такое определение производится визуально и точно опре­делить расстояние невозможно и не во всех случаях такое расстояние удобноизмерить.Поэтому целью данного исследования была разработка аппаратуры иметодик для контактного измерения электростатических потенциалов такимобразом, чтобы обеспечить невосприимчивость измерителя к перегрузкам повходной цепи и при этом не нужно было бы перед проведением измеренияопределять расстояние от датчика до объекта измерения.813.2.

Исследование характеристик электронной лампы вобращённом режимеДля построения схемы электрометра на лампах в обращённом режименеобходимо знать их вольт-амперные характеристики (ВАХ). ВАХ ламп вобращённом режиме не приводятся в справочниках.

Поэтому с целью снятияВАХ была проведена экспериментальная исследовательская работа.Для работы в обращённом режиме используются приёмно-усилительныетриоды, тетроды и пентоды. При этом ток управляющей сетки лампы управ­ляется потенциалом внешнего по отношению к ней электрода: экранирующейсетки или анода.

На управляющую сетку лампы подано положительное сме­щение. Анод пентодов и тетродов имеет тот же потенциал, что и катод.Предельным частным случаем обращённого режима является режим тер­моэмиссии электронов [69]. При этом лампа включается так же как и в обра­щённом режиме, но при этом напряжение управляющей сетки равно нулю.Электронная лампа в режиме термоэмиссии электронов также можетслужить и непосредственным датчиком напряжённости электростатическогополя. Такой режим работы лампы упоминается в [54], но применение такогодатчика на практике затруднительно.Электронную лампу в обращённом режиме можно рассмотреть как четы­рёхполюсник [49].

Входным сигналом четырёхполюсника будет напряжение2 второй сетки (для пентода или тетрода) или анода а (для триода). Вы­ходным сигналом будет ток с1 управляющей сетки. При этом выходной ВАХтакого четырёхполюсника будет отвечать зависимость тока 1 первой сеткиот напряжения 1 первой сетки относительно катода.