Диссертация (1137175), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Эквивалентная схема защитного элемента и её ВАХ, полученныев программе Qucs показаны на рис.1.12 и 1.13 соответственно.Имея в распоряжении эквивалентную схему CDM ЭСР рис. 2.2 и модельзащитного компонента можно произвести схемотехническое моделированиевоздействия CDM ЭСР на микросхему и исследовать напряжения переходного процесса на выходе защитной цепи. Такой подход к построению моделивоздействия ЭСР на электронные компоненты приведён в [31].Сначала построим модель воздействия ЭСР на микросхему в корпусеDIP-8 в соответствии с эквивалентной схемой на рис.2.2. Данная схема в программе Qucs показана на рис.2.13 Данные для ёмкости корпуса ИМС (параметр на рис.2.13) были получены из результатов измерений, приведённых в таблице 2.1.67Начертание данной схемы совпадает со схемой на рис.2.2 и назначенияеё элементов понятны из аналогии со схемой на рис.2.2.
Дополнительныерезисторы на схеме нужны для замыкания цепи по постоянному току.R2R=1Pr1C1C=CplC2C=16pV=VtestL1L=9 nHS1time=1 nsRon=26Roff=1e12VfieldVdutPr2R8R=RppC4C6 C=CppC=CpinV=UdutR6R=RppC7C=CppR7R=RppC8C3 C=CppC=CpinV=UdutR9R=RppC10C=CppC5C=CpinV=UdutR10R=RppC12C=CppC9C=CpinV=UdutR11R=RppR12R=RppR13R=RppC14C11 C=CppC=CpinV=UdutC16C13 C=CppC=CpinV=UdutC18C15 C=CppC=CpinV=UdutC17C=CpinV=UdutR1R=300Mмоделированиепереходного процессаTR1Type=linStart=0Stop=7 nsУравнениеEqn1Npin=8Rpp=1MVtest=500Cpin=Ckorp/NpinVpl=Vtest-UdutCkorp=2.5pCpl=1pCpp=1pUdut=Cpl*Vtest/(Npin*Cpin+Cpl)Рис. 2.13. Модель воздействия FCDM ЭСР на корпус ИМС в программе Qucs.
Методикаиспытаний FCDM.В всех средствах схемотехнического моделирования отсутствует возможность возможность расчёта начального распределения напряжения на конденсаторах в схемах подобной смоделированной. Поэтому для построениякорректной модели необходимо выполнить предварительный расчёт напряжения на конденсаторах. Конденсаторы представляют ёмкость каждоговывода корпуса ИМС на калибровочную пластину. За счёт утечек внутрикристалла ИМС потенциал (параметр Udut) на их верхних по схеме обкладках выравнивается и его можно рассчитать из выражения (2.2).68Начальное напряжение на конденсаторах , представляющих ёмкостьмежду выводами становится равным нулю.Ёмкость на схеме на рис.2.13 представляет параметр Ckorp.
Расчёт начального напряжения выполняется автоматическим путём с помощьюкомпонента Уравнение1. Обозначения параметров схемы соответствуют обозначения принятым по тексту статьи. Напряжение, до которого заражаетсякалибровочная пластина представлено параметром Vtest. Нижние по схемеобкладки конденсаторов Cpin соответствуют калибровочной пластине.
Верхние обкладки представляют собой выводы микросхемы.Замыкание ключа S1 имитирует контакт игольчатого щупа с выводомИМС и разряд. Сопротивление ключа в открытом состоянии равно сопротивлению дуги. Моделирование сопротивления дуги рассмотрено в [5, 6, 9].После замыкания ключа начинается быстрое перераспределение заряда между емкостями. Весь заряд, накопленный выводной рамкой, проходит черезвывод ИМС.Исследуем на основании данной модели импульсные перенапряжения,возникающие между выводам ИМС. Для этого включим между выводомИМС, через который производится разряд и соседним выводом виртуальный вольтметр Pr2 и произведём моделирование переходного процесса. Вцепь игольчатого электрода включим виртуальный амперметр Pr1.
Такжепредставляет интерес провести параметрический анализ, чтобы выявить зависимость перенапряжений между выводами ИМС и импульсного тока черезвывод ИМС от ёмкости корпуса ИМС.Результаты моделирования переходного процесса при воздействии наИМС CDM ЭСР показаны на рис.2.14 и 2.15. Напряжение на калибровочной пластине было принято равным 500 В. Ёмкость компонента менялась впределах от 1 до 10 пФ.Из графиков на рис.2.14 видим, что наша модель хорошо воспроизводит69750065480Напряжение пластины, В4Ток, А3460214400-1420-2-301e-92e-93e-94e-9Время, с5e-96e-94007e-9Рис. 2.14.
Импульсный ток через вывод ИМС (сплошная кривая) и напряжение на калибровочное пластины (штриховая кривая) при различных значениях ёмкости корпусаИМС.форму тока CDM ЭСР. Форма импульса тока соответствует форме импульса указанного в стандарте JEDEC [27]. Переходный процесс завершается втечение нескольких наносекунд. Амплитуда тока в импульсе достигает 6 Аи возрастает с увеличением ёмкости корпуса ИМС. Скорость нарастания испада тока здесь выше чем при ЭСР от модели тела человека (HBM) [60].Таким образом подтвердились данные [3, 4].Из графиков на рис.2.15 видно, что импульсные перенапряжения междувыводами при ЭСР достигают сотен вольт. С увеличением ёмкости корпуса ИМС возрастает пиковое значение напряжения.
такое возрастание перегрузок по напряжению при увеличении емкостей соединённых с кристаллом70400Напряжение между выводами ИМС, В350time: 1.53e-09Ckorp: 1e-11Pr2.Vt: 36830025020015010050time: 1.38e-09Ckorp: 1e-12Pr2.Vt: 960-5001e-92e-93e-94e-9Время, с5e-96e-97e-9Рис. 2.15. Импульсные перенапряжения между выводами ИМС при различных емкостяхкорпуса ИМС.ИМС связано с тем, что при этом возрастает накопленные корпусом ИМСзаряд и при разряде он весь проходит через вывод ИМС. Таким образом дляподавления этих импульсных перенапряжений необходимо включать в схемуэлемент защиты.Теперь построим модель воздействия CDM ЭСР на ИМС с элементами защиты. В качестве элемента защиты будем использовать n-МДП транзистор с заземлённым затвором (GGMOST). Данный защитный компонентпредставляется эквивалентной схемой на дискретных компонентах по методике, изложенной в данной статье выше.
Для упрощения нашей модели будеммоделировать ИМС с тремя выводами: линия питания VSS, линия питанияVDD и сигнальный вывод. Элемент защиты при этом включён между вы71C1C=CplPr1R1R=1моделированиепереходного процессаC3C=16pV=VtestL1L=9 nHR11R=RppS1time=1 nsRon=26Roff=1e12VfieldC8C=CppPr2PINR9R=850 OhmT_1D1Comp=1N759R6R=600 OhmC4C=CpinV=UdutR8R=30OhmR7R=100OhmC6C=CppR10R=RppVDDУравнениеEqn1Npin=3Rpp=1MVtest1=-500Cpin=Ckorp/NpinVpl=Vtest-UdutCkorp=5pCpl=1pCpp=5pUdut=Cpl*Vtest/(Npin*Cpin+Cpl)РазверткапараметраVSSC7C2 C=CppC=CpinV=UdutTR1Type=linStart=0Stop=7 nsC5C=CpinV=UdutR5R=300MSW1Sim=TR1Type=linParam=VtestStart=-500Stop=-5000Points=6Рис.
2.16. Модель воздействия CDM ЭСР на ИМС с элементом защиты. VSS, VDD —линии питания; PIN — вывод ИМС. Методика испытаний FCDM.водом ИМС и линией VSS (минус питания). Представляет интерес произвести параметрический анализ зависимости импульсных перенапряжений отпотенциала калибровочной пластины и найти при каком же потенциале этиперенапряжения достигают уровня достаточного для пробоя подзатворногодиэлектрика.Результаты моделирования переходного процесса при воздействии FCDMЭСР на ИМС с элементами защиты показаны на рис.2.17.
Производилось параметрическое моделирование при напряжении на калибровочной пластинеот минус 500 В до минус 5000 В. Моделирования для отрицательных потенциалов калибровочной пластины производились в связи с тем, что при такойполярности потенциала импульс напряжения на входе элемента защиты име72ет положительную полярность и моделирование будет корректным.70time: 1.62e-09Vtest: -5e+03Pr2.Vt: 63.6Напряжение на затворе, В6050time: 1.62e-09Vtest: -2.3e+03Pr2.Vt: 29.340302010time: 1.64e-09Vtest: -500Pr2.Vt: 7.96001e-92e-93e-94e-9Время, нс5e-96e-97e-93020time: 1.22e-09Рис.
2.17. Импульсныена затворе защищаемого МДП транзистора приVtest:перенапряжения-500Pr1.It: -5.9910различных потенциалахкалибровочной пластины.0Pr1.ItИз полученныхрезультатов видим, что при потенциале калибровочной-10пластины -20равном 2300 В пиковое перенапряжение на затворе защищаемогоМДП-транзисторадостигает 30 В. Но пик импульса длится менее одной нано-30секунды. При такой длительности импульса пробой подзатворного диэлектри-40ка, как показано в [13], может не успеть развиться и пробивное напряжение-50time: 1.27e-09подзатворного диэлектрика повышаетсяVtest: -5e+03в 2-3 раза. Таким образом опасный-60Pr1.It: -61.5потенциал достаточный для пробоя подзатворного диэлектрика превышается-7005e-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 6.5eпри напряжении потенциале тестирования свышеtime3-5 кВ.Такая короткая длительность импульса перенапряжения приводит к требованию повышенного быстродействия защитных элементов.
Модель чувстви73тельна к параметру времени переноса Tf для транзистора Т1 на схеме нарис.2.16. При его увеличении до 3-4 нс защитная цепочка не успевает открываться при импульсе ЭСР и перенапряжения на защищаемой цепи достигаютуже 100-200 В.2.7. Разработка приближённого метода расчётаперенапряжений на затворе МДП-транзистора приЭСРЧтобы выполнить моделирование HBM и CDM ЭСР по методике, разработанной в предыдущем разделе, надо иметь в распоряжении Spice-модельМДП-транзистора. Spice-модели содержат множество трудноизмеримых параметров и часто недоступны для отечественных электронных компонентов,которые до сих пор широко применяются в аппаратуре специального назначения.
По данным обстоятельствам, актуальна разработка приближённых методик расчёта порога отказа МДП-транзисторов при ЭСР по параметрамтранзисторов, которые можно получить в результате измерений с помощьюаппаратуры измерения электрических параметров общего назначения.Эквивалентную схему воздействия CDM ЭСР на МДП-транзистор, смонтированный на печатной плате, можно упрощённо перерисовать в следующемвиде:На рис.2.18 ёмкость печатной платы заряжена до напряжения ЭСР . Замыкание ключа SA1 имитирует процесс ЭСР.
После замыкания ключаобе ёмкости становятся соединены параллельно и согласно закону сохранениязаряда [75] выполняется равенство: = = ( + )74(2.5)1Рис. 2.18. Упрощённая эквивалентная электрическая схема воздействия ЭСР на МДПтранзистор. — ёмкость затвор-исток; — ёмкость печатной платы; — сопротивление дуги; — напряжение ЭСР.Если после ЭСР напряжение затвор-исток превысит напряжение пробоя подзатворного диэлектрика, то ЭСР с напряжением будет опаснодля МДП-транзистора. Таким образом, формула для вычисления опасногонапряжения ЭСР запишется в виде: = + (2.6)Ёмкость печатной платы (ПП) можно приближённо вычислить безучёта краевых эффектов по формуле для ёмкости плоского конденсатора [75],зная площадь металлизации и толщину ПП .
Диэлектрическую проницаемость стеклотекстолита ε по данным [70] можно приближённо положитьравной ε = 5. =εε0 (2.7)Для изготовленной тестовой печатной платы с площадью металлизации6000 мм2 в результате расчётов было получено значение ёмкости 177 пФ, ав результате измерений 190 пФ. Таким образом, можно использовать приближённую формулу для расчёта эквивалентной ёмкости системы печатныхпроводников. Достоинством данной методики расчёта ёмкости является то,что исходные данные известны уже на этапе разработки КД и не требуетсяпроводить измерений.Мы получили выражение для приближённого расчёта порога отказа МДП75транзистора при CDM ЭСР.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
