Диссертация (Метод обеспечения функциональной надежности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов), страница 6

Датчик с динамическим конденсатором может быть вы­полнен размерами до 0,5 мм.Калибровка измерителя с динамическим конденсатором производитсяпо однородному поля плоского конденсатора. При этом датчик размещаетсяв отверстии в центре одной из обкладок конденсатора. Такое размещениедатчика обеспечивает неискажение измеряемого поля при внесении в негодатчика.Для измерения электростатических потенциалов применяется вариантвключения датчика с динамическим конденсатором, известный как бескон­тактный вольтметр [18]. При этом корпус датчика подключается к выходувысоковольтного источника напряжения, а выходной сигнал датчика отсле­живается по цепи обратной связи.

При этом результирующая напряжённостьполя складывается из напряжённости поля объекта и напряжённости поля,создаваемого корпусом датчика, находящемся под напряжением. Напряжён­ность поля равна нулю в случае равенства потенциала объекта и напряженияно корпусе датчика. Напряжение высоковольтного источника изменяется поцепи обратной связи до тех пор пока напряжение на выходе датчика с ди­намическим конденсатором не станет равно нулю. Бесконтактный вольтметрможно использовать и для измерения зарядов.Перспективной разработкой является датчик с динамическим конденса­тором, выполненный по MEMS-технологии [38, 41]. Такой датчик являетсяразновидностью датчика с вибрирующим электродом. При этом имеется воз­38можность разместить датчик напряжённости электрического поля внутрикорпуса интегральной микросхемы.1.7.4.

Серийно выпускаемые приборыВ настоящее время отечественная и зарубежная электронная промыш­ленность выпускает разнообразные измерители параметров электростатиче­ских полей. Большинство таких измерителей относятся с измерителем напря­жённости поля и потенциала. Эти приборы могут использоваться в условияхпроизводства.ФГУП НПП «Циклон-тест» выпускает прибор для измерения напряжён­ности электростатических полей ИЭСП-01 [57]. Прибор ИЭСП-01 соответ­ствует требованиям ГОСТ Р 51070-97 "Измерители напряженности электри­ческого и магнитного полей. Общие технические требования и методы испы­таний".

Прибор обеспечивает цифровую индикацию измеренного значения.В основе работы лежит принцип зондового измерения напряжённости поля.Прибор обеспечивает бесконтактное измерения напряжённости поля в диа­пазоне 0,1-180 кВ/м и потенциала в диапазоне 0,1-18 кВ (на расстоянии 100мм) с погрешностью ±20%. Измерение потенциала производится рассчётнымспособом по измеренной напряжённости поля.Немецкая фирма Kleinwächter специализируется на выпуске приборовдля проведения измерений параметров электростатических полей.

Также фир­ма выпускает тераомметры и тестеры заземления.Измеритель электростатических потенциалов EFM-122 [10] предназна­чен для бесконтактного измерения электростатических потенциалов при ат­тестации рабочих мест. Прибор имеет портативное исполнение и питается отбатареи напряжением 9 В. Прибор имеет цифровую шкалу. Он обеспечиваетизмерение электростатического потенциала на расстояния 20 см до 200 кВ.39В основе работы прибора лежит принцип датчика с динамическим конденса­тором.

Прибор комплектуется кабелем с измерительной головкой и кабелемзаземления. Возможна подкалибровка прибора в однородном поле калибро­вочной пластины размерами 100х100 мм (не входит в комплект поставки).1.8. Методы калибровки измерителей напряжённостиэлектростатического поля и электростатическогопотенциалаДля правильного проведения измерения электростатического поля и по­тенциала необходимо проведение калибровки измерителей, описанных в преды­дущем разделе. Методика калибровки не зависит от конструкции измерителяи принципа его действия. Так, например, для измерителей электростатическо­го потенциала, основанных на зондовом принципе и на принципе динамиче­ского конденсатора будут использоваться одна и та же методика калибровки.Методики калибровки измерителей электростатический полей и потенциаловустанавливаются зарубежными стандартами [36].Для реализации всех подобных методик необходимо использование ре­гулируемых источников высокого напряжения от ± 10 В до ± 30 кВ.

Дляизмерения таких высоких напряжений используются электронные вольтмет­ры с резистивным делителем. Точность применяемых средств измерений за­висит от точности калибруемых средств измерений. Обычно она составляетот 0,2% для калибровки средств измерений высокой точности до 1 % длясредств измерений средней точности.Схема калибровки измерителя напряжённости электростатического поляпоказана на рис. 1.15. Схема данной установки заимствована из стандарта[36].40Кабель датчикаДатчик измерителянапряжённости поляИсточниквысокого +напряжения UdКалибровочныепластиныВольтметр- +Рис. 1.15.

Схема установки для калибровки измерителя напряжённости электростатиче­ского поля; — расстояние между пластинами; — напряжение на пластинах;Как видно из рисунка, установка состоит из двух пластин, разделённыхзазором . К пластинам приложено напряжение от регулируемого источни­ка высокого напряжения. Один из полюсов источника и, соответственно, однаиз пластин заземлён.

В отверстие в центре заземлённой пластине вставляетсядатчик калибруемого измерителя напряжённости электростатического поля.Между пластинами существует однородное электростатическое поле, напря­жённость которого определяется как [75]:=(1.5)Регулируя напряжение высоковольтного источника при неизменном рас­стоянии между пластинами можно получить различные значения напряжён­ности поля и по этим значениям можно прокалибровать измеритель.

Стан­дарт [36] устанавливает, что для калибровки измерителей, имеющих точностьдо 5%, поперечный размер пластины должен, по крайней мере, в девять раз41превышать диаметр датчика. При меньшем размере пластин поле между ни­ми отклоняется от однородного и не будет соответствовать вычисленному поформуле (1.5).Схема установки для калибровки измерителя электростатического потен­циала показана на рис.

1.16.Кабель датчикаДатчик измерителяэлектростатическогопотенциалаИсточниквысокого +напряжения UdКалибровочнаяпластинаВольтметр- +Рис. 1.16. Схема установки для калибровки измерителя электростатического потенциала; — расстояние между датчиком и калибровочной пластиной; — напряжение на пластинах;Установка отличается от предыдущей лишь тем, что в ней отсутству­ет верхняя пластина. Датчик располагается над центром пластины. Калиб­руемый прибор измеряет потенциал калибровочной пластины относительноземли.

Каждому расстоянию между датчиком и пластиной будет соответство­вать своя калибровочная характеристика, что было указано в разделе 1.7.3.К размерам пластины предъявляются такие же требования, как и при ка­либровке измерителя напряжённости электростатического поля. Указаннымобразом по потенциалу калибровочной пластины калибруются измерители42электростатический потенциалов, выпускаемые серийно [10].1.9.

Цель и задачи работыПроведённый анализ российских и зарубежных источников по тематикеЭСР показывает, что на настоящий момент актуальной является разработкаметодов моделирования воздействия ЭСР на РЭА. Данному вопросу посвяще­ны исследования, проводящиеся в МИЭМ НИУ ВШЭ на протяжении многихлет [45, 46, 61, 62].

В настоящее время работы на русском языке по модели­рованию воздействия CBM ЭСР на электронные компоненты отсутствуют.Этот вопрос недостаточно освещён и в зарубежных источниках. Данные повлиянию печатного монтажа на порог отказа компонента при CDM ЭСР прак­тически отсутствуют и в зарубежной литературе. Понятие CBM ЭСР веденотолько в последние несколько лет и методика испытаний и защиты о данно­го вида ЭСР недостаточно разработаны.

Поэтому данное исследование будетпосвящено моделированию CBM ЭСР.Неразрывную связь имеют способы защиты РЭА от ЭСР и методы изме­рения статических зарядов, полей и потенциалов. Разработка данных методовособенно важна для защиты РЭА от CBM ЭСР.В ходе диссертационного исследования необходимо решить следующиезадачи:1. Провести обзор и анализ механизмов воздействия электростатическо­го разряда на радиоэлектронную аппаратуру (РЭА), моделей испытаний навоздействие ЭСР, методов и средств защиты от ЭСР, существующих мето­дов моделирования ЭСР и защитных компонентов, существующих методови средств контроля электростатических полей, зарядов и потенциалов.

Наосновании проведённого обзора сформулировать целевую задачу.2. Создать метод моделирования воздействия CBM ЭСР на электронные43компоненты и печатные узлы на основе схемотехнического моделированияэквивалентной электрической схемы воздействия ЭСР. Разработать методыпредставления физических параметров объекта воздействия ЭСР в виде па­раметров эквивалентной электрической схемы.3. Разработать метод и аппаратуру для контроля электростатических по­тенциалов для применения в условиях сборочного цеха приборостроительныхпредприятий, предназначенную для выявления потенциальной опасности на­копления заряда печатным монтажом. К данной аппаратуре предъявляетсятребование повышенной устойчивости к перегрузкам по входу, которые могутиметь место в результате ошибочных действий операторов.4.

Выполнить экспериментальную проверку разработанного метода мо­делирования ЭСР. Сравнить пороги отказа электронных компонентов, полу­ченные в результате моделирования и в результате измерений. На основаниисравнительного анализа результатов экспериментов можно будет сделать вы­вод о корректности разработанных методик моделирования CDM ЭСР.5. На основании разработанных метода контроля статического потенци­ала разработать практическую схему прибора для контроля статического по­тенциала. Внедрить данный прибор в технологический процесс производстваРЭА.

Применение данного средства контроля позволит выявлять электриза­цию ПП в ходе техпроцесса сборки.44Глава 2Разработка метода моделирования CBM ЭСР2.1. ВведениеВ ходе технологического процесса электронные компоненты испытываютконтакт и разделение с разнородными материалами. В результате контакти­рования и разделения в электронных компонентах могут образовываться и на­капливаться электростатические заряды. Данный процесс может иметь местов результате трения при скольжении по поверхности конвейеров, соскальзы­вания электронных компонентов по поверхности питателей, что может иметьместо при монтаже электронных компонентов при помощи автоматическихлиний.

При последующем контакте заряженного электронного компонентас заземлённым оборудованием происходит быстрый электростатический раз­ряд. Такой электростатический разряд получил название модели заряжен­ного устройства (CDM)[60]. По данной причине представляется актуальныммоделирование СDM электростатического разряда.Электростатический разряд по модели заряженного устройства (CDMЭСР) характеризуется чрезвычайно быстрым нарастанием тока ЭСР и корот­кой длительностью импульса тока ЭСР (несколько наносекунд).

Электроста­тический заряд, накопленный корпусом электронного компонента стекает наземлю через его вывод. При этом между выводами электронного компонентавозникают импульсные перенапряжения. Степень устойчивостью электрон­ного компонента к CDM ЭСР характеризуется пороговым потенциалом, призаряде до которого электронный компонент отказывает при последующемразряде.Документ Ассоциации ESDA вводит в рассмотрение особый случай CDM45ЭСР — модель заряженной платы (CBM).