Диссертация (Метод обеспечения функциональной надежности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов), страница 9

2.7. Схема модели воздействия СDM ЭСР на транзистор IRF510. Ёмкость С2 соот­ветствует ёмкости корпуса транзистора на землю.2.5. Модель воздействия CBM ЭСР на полевойтранзистор с изолированным затворомСлучай CDM ЭСР, когда компонент подвергается заряжению и разрядувместе с печатной платой, на которую он установлен называется CBM ЭСР.Целью настоящей работы является построение модели воздействия напечатный узел CDM ЭСР c целью подтверждения результатов [8] и их экс­периментальной проверки.

В качестве объекта воздействия ЭСР при модели­ровании и экспериментах используются силовые МДП - транзисторы фирмыInternational Rectifier. Вопросу построения модели воздействия CDM ЭСР наэлектронные компоненты, в том числе на интегральные микросхемы (ИМС)60160140time: 1.39e-09Vtest: 1e+03Pr1.Vt: 142120time: 1.39e-09Vtest: 750Pr1.Vt: 107Напряжение на затворе, В10080time: 1.42e-09Vtest: 500Pr1.Vt: 71.56040200-2005e-101e-91.5e-92e-92.5e-9Время, сек3e-93.5e-94e-94.5e-95e-9Рис. 2.8. Напряжение переходного процесса в цепи затвора транзистора IRF510 при CDMЭСР.посвящены публикации [11, 43].

Методика моделирования цепей ИМС от ЭСР(n-МДП-транзистор с заземлённым затвором) была разработана в МИЭМ впубликации [74]. После проведения моделирования выполнена его экспери­ментальная проверка с помощью CDM ЭСР тестов.Эквивалентная схема воздействия CDM ЭСР на корпус ИМС показанана рис.2.1. Если какой либо вывод ИМС соединён с системой печатных про­водников, то параллельно ёмкости вывода ИМС включается ёмкость печатно­го проводника . Данная ёмкость может достигать десятков и сотен пико­фарад и накапливает значительный заряд.

При разряде происходит быстроеперераспределение зарядов между емкостями и весь заряд, накопленный пе­чатной платой проходит на заземлённый вывод ИМС и вызывает импульсные6118161412Ток ЭСР, А1086420-2-405e-101e-91.5e-92e-92.5e-9Время, сек3e-93.5e-94e-94.5e-95e-9Рис. 2.9. Ток ЭСР через разрядный электрод.

Верхняя кривая напряжение тестирования1000 В, средняя кривая — 750 В, нижняя кривая 500 В.перенапряжения между выводами.Будем производить моделирования для простейшего случая: двухвывод­ного компонента, один из выводов которого соединён с системой печатныхпроводников. МДП-транзистор является как раз таким случаем. Моделиро­вание для такого случая можно затем обобщить на случай многовыводныхкомпонентов.

Представляет интерес провести параметрический анализ зави­симости пикового значения импульсных перенапряжений от ёмкости системыпечатных проводников. В таком случае мы можем определить насколько сни­жается порог чувствительности электронных компонентов к CDM ЭСР послетого как они соединены с печатной платой.Имея в распоряжении эквивалентную схему CDM ЭСР и модель защит­62ного компонента можно произвести схемотехническое моделирование воздей­ствия CDM ЭСР на микросхему и исследовать напряжения переходного про­цесса на выходе защитной цепи.

Такой подход к построению модели воздей­ствия ЭСР на электронные компоненты приведён в [31].В качестве объекта тестирования был выбран n-МДП транзистор с изоли­рованным затвором IRF510 [25]. 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 транзистора рав­но 75-80 В.Имея в распоряжении данные о согласовании результатов тестированияи моделирования воздействия НВМ ЭСР на МДП-транзисторы, полученныев разделе 2.4 произведём моделирование воздействия CDM ЭСР на данныеполупроводниковые приборы. Представляет интерес выявить воздействия ём­кости печатной платы на порог отказа транзистора при CDM ЭСР и сравнитьрезультаты с данными [8].

Происходит ли при CDM ЭСР снижение порога от­каза электронного компонента?Произведём моделирование CDM ЭСР для транзистора, установленно­го на печатной плате. Система печатных проводников связана с истокомМДП-транзистора. Для моделирования CDM ЭСР в данном случае увели­чим ёмкость С2 на рис.2.7 до значения равного ёмкости системы печатныхпроводников, связанных с истоком транзистора. Эту ёмкость предваритель­но необходимо измерить. Для измерения ёмкости рекомендуется использо­вать методику с применением электрометра 2.3, так как при таком способеизмерений отсутствует радиочастотное воздействие на объект измерений ирезультат не искажается помехами. Данная ёмкость зависит от площади ме­таллизации печатной платы и в зависимости от коэффициента заполненияплощади платы печатными проводниками и размеров платы составляет от6330 до 1000 пФ.

Для моделирования примем данную ёмкость равной 190 пФ.C3C=3 pFV=VtestL1L=9 nHPr2R2R=1 OhmS1time=1 nsRon=26Roff=1e12R1R=1T1Comp=IRF510R4R=1kR3R=47kPr1L2L=9nHC2C=190pV=Vtestмоделированиепереходного процессаTR1Type=linStart=0Stop=10 nsPoints=501УравнениеEqn1Vtest=-250Рис. 2.10. Схема модели воздействия СDM ЭСР на транзистор IRF510, соединённый с пе­чатной платой. Ёмкость С2 соответствует ёмкости между системой печатных проводникови землёй.Исследуем импульсные перенапряжения в цепи затвора транзистора.

Гра­фики напряжения на затворе при ЭСР показаны на рис.2.11. Уже при напря­жении тестирования 250 В перенапряжения на затворе транзистора достига­ют 80 В, что соответствует отказу транзистора. Таким образом порог отказатранзистора снизился на 75 %. Между значением ёмкости печатной платы иснижением порога отказа транзистора в процентах не выявлено однозначнойзависимости. Эта зависимость для транзисторов разных типов имеет различ­ный характер.Теперь произведём параметрический анализ влияния ёмкости печатной649080Напряжение на затворе, В706050403020100-1005e-10 1e-9 1.5e-9 2e-9 2.5e-9 3e-9 3.5e-9 4e-9 4.5e-9 5e-9 5.5e-9 6e-9 6.5e-9 7e-9 7.5e-9 8e-9 8.5e-9 9e-9 9.5e-9 1e-8Время, секРис. 2.11.

Напряжение на затворе МДП-транзистора при ЭСР. Транзистор соединён спечатной платой. Напряжение тестирования 250 В.платы на порог отказа МДП-транзистора в результате CDM ЭСР. Ёмкостьплаты при моделировании изменялась в пределах от 50 до 500 пФ. Так­же дополнительно было проведено моделирование для ёмкости 1000 пФ. Ос­циллограммы импульсных перенапряжений на затворе транзистора при ЭСРпоказаны на рис.2.12. Моделирование произведено для другого распростра­нённого МДП-транзистора IRF630 [26].

Для транзистора IRF510 полученыаналогичные результаты.Транзистор IRF630 имеет большую ёмкость затвор-исток, чем транзи­стор IRF510 и по данной причине он менее восприимчив к ЭСР, так как длязарядки его ёмкости затвор-исток до напряжения достаточного для пробояподзатворного диэлектрика требуется большее количество заряда. Поэтому65100time: 3.5e-08Cpcb: 5e-10Pr1.Vt: 95.79080Напряжение на затворе, В706050403020time: 3.5e-08Cpcb: 5e-11Pr1.Vt: 12.6100-1002e-9 4e-9 6e-9 8e-9 1e-8 1.2e-81.4e-8 1.6e-81.8e-8 2e-8 2.2e-8 2.4e-82.6e-8 2.8e-8 3e-8 3.2e-83.4e-8Время, секРис.

2.12.14Напряжение на затворе МДП-транзистора при ЭСР для ёмкости печатной платыот 50 пФ до 500 пФ. Транзистор IRF630. Напряжение тестирования 400 В.12на графикахпиковые перенапряжения для транзистора IRF630 имеют мень­10ший уровень. Как видно из графиков возрастание ёмкости печатной платы8Ток ЭСР, Априводит к неограниченному росту перенапряжений в цепи затвора при CDMЭСР. В 6отличие от модели воздействия CDM ЭСР на интегральную микро­схему с цепямизащиты, при воздействии CDM ЭСР на полевой транзистор4без цепей защиты по затвору, не происходит ограничения пиковых перенаря­2пряжений при неограниченном возрастании ёмкости печатной платы.

Такимобразом 0 результаты моделирования полностью подтвердили результаты те­стирования,приведённые в статье [8].-202e-94e-96e-9 8e-91e-8 1.2e-8 1.4e-8 1.6e-8 1.8e-8 2e-8 2.2e-8 2.4e-8 2.6e-8 2.8e-8 3e-8 3.2e-8 3.4e-8Время, секДанная схема ЭСР моделирует наихудший случай развития разряда —непосредственный разряд на вывод затвора транзистора. При этом переход­66ный процесс имеет колебательный характер и имеются выбросы напряжения.В случае если разряд производится через резистор с сопротивлением от 100Ом до 1 кОм, переходный процесс принимает апериодический характер, вы­бросы напряжения исчезают.

Такой вид переходного процесса ЭСР более бла­гоприятен, так как пиковые перенапряжения при этом меньше. Включениепараллельно затвору защитного стабилитрона с последовательным резисто­ром [60] снижает перенапряжения до 20 В и тем самым повышается устойчи­вость МДП-транзистора к CDM ЭСР.2.6. Разработка схемотехнической модели воздействияCDM ЭСР на корпус интегральной микросхемыТеперь, зная ёмкость корпуса ИМС, можно построить модель воздей­ствия CDM ЭСР на ИМС с помощью программ схемотехнического моделиро­вания. Далее используется методика тестирования FCDM.В качестве защитного элемента используется транзистор GGMOST (см.раздел 1.6).