Диссертация (Метод обеспечения функциональной надежности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов), страница 8

Данное свойство является достоинством программы Qucs.522.3. Разработка метода измерения емкостей, входящих вмодель ЭСР при помощи электрометраДля проведения измерений ёмкости системы «тестируемый компонент— калибровочная пластина» (С на рис.

1.6) была разработана методикаизмерения ёмкости при помощи зондового измерителя электростатическихпотенциалов. Традиционные методы измерения ёмкости связаны с воздей­ствием на объект измерения испытательным сигналом переменного тока срадиочастотой [68, 77]. При этом в нашем случае результат будут искажатьпомехи, наводимые на щупы измерителя ёмкости и паразитные реактивно­сти щупов. Принцип измерения электростатических потенциалов зондовымметодом основан на явлении электростатической индукции [75].Схему измерения в нашем случае иллюстрирует рис.2.4.1~100 МОмТестируемый компонентИсточникИзоляторвысокого4вхЭлектрометрнапряжения2Калибровочная пластинаРис. 2.4.

Схема измерения ёмкости С2 «тестируемый компонент — калибровочная пласти­на»; C4 — входная ёмкость электрометра; вх — напряжение на входе электрометра.В нашем случае если вместо зонда использовать корпус микросхемы со­единив вход электрометра с одним из выводов микросхемы, а в качестве объ­екта — калибровочную пластину испытательной установки, то зная потен­циал калибровочной пластины 0 и входную ёмкость электрометра, можнорассчитать ёмкость С2. Эта ёмкость в нашем случае будет соответствовать53емкости системы «тестируемый компонент — калибровочная пластина».

На­пряжение вх отсчитывается по шкале электрометра и определяется по вы­ражению (3.1).При этом ёмкость 2 будет равна с учётом того что обычно 2 << С4 ,и следовательно вх << 0 :2 =вх С4вх С4≈0 − вх0(2.4)В качестве электрометра был использован прибор на лампах в обращён­ном режиме собственной разработки автора [66]. Данный прибор отличаетсяпростотой в эксплуатации и устойчивостью к перегрузкам по входной цепи.Результаты измерений для микросхем различных типов приведены в таб­лице 2.1.Таблица 2.1.

Результаты измеренийМикросхемаКорпус0 , Ввх , ВC, пФК155КП7PDIP-141091,04,5K561ЛА7PDIP-141331,03,8PIC16F873APDIP-281201,56,3KM555TM7cerDIP-142602,44,6K155ЛА7PDIP-141351,03,7K155ИД3PDIP-24611,08,3K174ХА2PDIP-161021,05,0K174ХА2PDIP-161501,03,3PDIP-82001,02,5(б/к)TDA2822MС применением такого же метода возможно измерение и ёмкости между выводами ИМС. Для проведения такого измерения необходимо пред­54варительно механически удалить из ИМС кристалл.

В результате проведён­ных измерений для ИМС в корпусе DIP было получено значение ≈ 1пФ.При проведении измерений источник высокого напряжения подключался че­рез зажим типа «крокодил» к выводу ИМС с удалённым кристаллом, а входэлектрометра подключался к соседнему выводу ИМС. Таким образом изме­рялась ёмкость между выводами ИМС.Также была измерения и ёмкость корпуса ИМС без кристалла.

Для про­ведения такого измерения все выводы ИМС были закорочены, а кристаллудалён механически. Такое измерения позволяет определить ёмкость кристал­ла как разность между ёмкостью корпуса и ёмкостью корпуса без кристал­ла. В результате измерений было установлено, что ёмкость кристалла ИМСсоставляет около 1 пФ и ей при построении моделей для DIP-корпуса мож­но пренебречь, так как ёмкость корпуса определяется в основном ёмкостьювыводной рамки. Для корпусов для поверхностного монтажа такое допуще­ние несправедливо и ёмкость кристалла необходимо включать в модель.

Дан­ную ёмкость необходимо соединять с линией питания VDD, что соответствуетструктуре микросхем КМДП [29, 63], в которых линия VDD соединяется сподложкой. В цепь данного конденсатора необходимо включать сопротивле­ние, соответствующее объёмному сопротивлению подложки.2.4.

Разработка схемотехнической модели воздействияHBM и CDM ЭСР на полевой транзистор сизолированным затворомИмея в распоряжении принцип построения схемотехнической модели воз­действия ЭСР на многовыводные электронные компоненты можно применитьего к построению схемотехнической модели воздействия ЭСР на МДП-тран­55зисторы. МДП-транзистор является трёхвыводным компонентом. Его особен­ностью является значительная ёмкость затвор-исток зи (от 200 до 3000 пФ),которую необходимо учитывать при моделировании.В качестве объекта исследований был выбран n-МДП транзистор с изо­лированным затвором IRF510.

Данный прибор относится к классу силовыхвысоковольтных МДП-транзисторов. МДП-транзисторы этого типа и анало­гичные широко применяются в различных устройствах силовой электрони­ки. Напряжение пробоя подзатворного диэлектрика для такого транзистораравно 75–80 В. Для данного транзистора имеются результаты тестированияна устойчивость к ЭСР по модели тела человека (HBM ЭСР). Эти данныеприведены в руководстве по применению фирмы-изготовителя AN-986 [12].В данном источнике приведены осциллограммы напряжения на затворе те­стируемого транзистора (производилось тестирование транзисторов IRF510и IRF730) при действии импульса ЭСР от испытательного стенда. Парамет­ры тестовой схемы отличаются от рекомендуемых для HBM модели в меж­дународных стандартах [60].

В частности сопротивление резистора выбраноравным 470 Ом, а не 1500 Ом. Ёмкость конденсатора также выбрана равной235 пФ, а не 150 пФ, как в указано в стандарте.Представляет интерес сначала провести схемотехническое моделирова­ние воздействия HBM ЭСР на такой транзистор и сравнить полученные ос­циллограммы напряжения на затворе с приведёнными в [12]. Напряжениетестирования в руководстве [12] было выбрано равным 240 В, поэтому примоделировании будем использовать такое же напряжение.Схема для исследования воздействия ЭСР на МДП-транзистор в про­грамме Qucs показана на рис.2.5.

На схеме цепь сток-исток транзистора попостоянному току перемычкой. В процессе моделирования перемычка заменя­лась резистором сопротивлением до 2 кОм и никакого воздействия на резуль­таты моделирования такая замена не оказала. Данное требование регламенти­56руется фирмой-изготовителем при проведении тестов данных транзисторовна воздействие ЭСР. В результате моделирования снимем осциллограммынапряжения переходного процесса на разрядном конденсаторе и на затворетестируемого транзистора и сравним их с результатам измерений из руковод­ства [12].T1Comp=IRF730S1R1time=1 ns R=470Ron=26C1C=235 pFV=-240Pr2Pr1моделированиепереходного процессаTR1Type=linStart=0Stop=500 nsPoints=1001Рис.

2.5. Схема модели воздействия HBM ЭСР на транзистор IRF730.Полученные в результате моделирования осциллограммы напряженияпереходного процесса показаны на рис.2.6.Из графиков видно, что время нарастания напряжения переходного про­цесса на затворе тестируемого транзистора составляет 300 нс и установивше­еся значение напряжения равно 32 В.

Эти значения полностью согласуютсяс параметрами переходного процесса при воздействии ЭСР на цепь затво­ра транзистора IRF730, полученными экспериментально и приведёнными в[12]. В [12] также приведены результаты тестирования транзистора IRF510.Для данного транзистора порог отказа при HBM ЭСР составляет 274 В. При573525020025Напряжение на затворе, ВНапряжение на конденсаторе, В302015015100105500005e-81e-71.5e-72e-72.5e-7 3e-7Время, сек3.5e-74e-74.5e-75e-7Рис. 2.6.

Осциллограммы переходного процесса при ЭСР на разрядном конденсаторе и назатворе тестируемого транзистора.данном напряжении тестирования напряжение перенапряжения на затворетранзистора достигают величины 75 В, при котором наступает пробой подза­творного диэлектрика и транзистор отказывает.В ходе исследований было также произведено моделирование воздей­ствия HBM ЭСР на транзистор IRF510. При этом также при напряжениитестирования равном 274 В перенапряжения на затворе транзистора соста­вили 75 В, что соответствует отказу транзистора. Таким образом полученополное согласование данных моделирования и экспериментов.В результате произведённого моделирования воздействия HBM ЭСР наМДП-транзистор и его сравнения с результатами тестирования [12] можносделать вывод о том, что модели МДП-транзисторов, имеющиеся в программе58Qucs можно использовать для моделирования воздействия на них ЭСР безкаких-либо доработок.

Критерием отказа транзистора при моделированиибудет служить превышение напряжением затвор-исток допустимой величиныв 75-80 В, которая приводится предприятием-изготовителем транзисторов всправочных данных.Теперь имея в распоряжении данные о согласовании результатов тестиро­вания и моделирования воздействия НВМ ЭСР на МДП-транзисторы произ­ведём моделирование воздействия CDM ЭСР на данные полупроводниковыеприборы.Сначала произведём моделирование воздействия CDM ЭСР без печатнойплаты. Схема модели CDM ЭСР в программе Qucs показана на рис.2.7. Ре­зисторы, включённые между затвором и истоком и между стоком и истоком,служат для выравнивания потенциалов выводов транзистора.Осциллограммы напряжения и тока при ЭСР показаны на рис.2.8 ирис.2.9 соответственно.

Сравнивая форму тока, полученную в результате мо­делирования с формой тока, указанной в стандарте по CDM-тестированию[27], видим, что модель хорошо воспроизводит форму тока CDM ЭСР, чтосвидетельствует о том, что физические процессы при CDM ЭСР воспроизво­дятся моделью корректно.При CDM ЭСР длительность импульса перенапряжения составляет око­ло 0,5 нс. При такой длительности импульса пробой подзатворного диэлек­трика, как показано в [13], может не успеть развиться и пробивное напряже­ние подзатворного диэлектрика повышается в 2-3 раза. Таким образом пороготказа МДП-транзистора при CDM ЭСР без печатной платы, найденный врезультате моделирования, составляет около 1000 В. Это соответствует клас­су С4 согласно стандарту [37] и согласуется с данными тестов, приводимымифирмой-производителем транзисторов.59C1C=3 pFV=VtestL1L=9 nHR2R=1 OhmS1time=1 nsRon=26Roff=1e12T1Comp=IRF510R4R=1kR3R=47kL2L=1nHPr1Разверткапараметрамоделированиепереходного процессаC2C=5pV=VtestSW1Sim=TR1Type=linParam=VtestStart=500Stop=1000Points=3TR1Type=linStart=0Stop=6 nsPoints=501Рис.