Диссертация (1137175), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Обе поставленныезадачи были успешно решены. С помощью разработанной методики схемотехнического моделирования возможно найти порог для МДП-транзисторовсоединённого с печатной платой, зная пробивное напряжение подзатворного диэлектрика и ёмкость системы печатных проводников. Для реализацииданной методики моделирования дополнительно был разработан метод измерения малых емкостей с помощью электрометра. Для контроля статическихпотенциалов был разработан контактный измеритель, особо устойчивый кдлительным и импульсным перегрузкам по входной цепи.Особенностью проведённого исследования является то, что во всех разработанных методиках моделирования, для обработки данных экспериментаи для подготовки текстовой документации используются программное обеспечение (ПО) с открытым исходным кодом.
Так, для проведения схемотехнического моделирования используется программа Qucs, для обработки результатов эксперимента — система численных математических расчётов Scilab [42],для разработки ПО — среда разработки Qt4, для подготовки текстовых документов — система вёрстки LATEX. Таким образом, проведённое исследованиепоказывает возможность применения ПО с открытым исходным кодом длярешения научных и инженерных задач.В ходе исследований в исходный код ПО Qucs были внесены изменениядля оптимизации его использования в учебном и исследовательском процессе.Изменения приняты в текущую выпускаемую версию ПО.Итак, выводы по результатам исследований могут быть сформулированы135следующим образом:1.
Выполнен анализ существующих методов моделирования прямого воздействия ЭСР на РЭА. Выявлено, что в настоящее время в отечественных и зарубежных источниках недостаточно освещён вопрос моделирования ЭСР по модели заряженного компонента (CDM ЭСР). В настоящее время актуален вопрос о том, насколько меняется порог отказаэлектронного компонента при его соединении с печатной платой.Произведён обзор существующих методов контроля и измерения электростатических зарядов, полей и потенциалов. В результате анализасовременной элементной базы, сделан вывод о том, что актуальна разработка метода и аппаратуры для контроля статического потенциала сповышенной устойчивостью к перегрузкам.2.
Создан метод схемотехнического моделирования воздействия CDM ЭСРна МДП-транзисторы, основанный на замещении физического процесса электростатического разряда эквивалентной электрической схемой ипоследующим её моделирования, используя программное обеспечениеобщего назначения (программа-моделировщик с открытым исходнымкодом Qucs).
Физические параметры объекта воздействия ЭСР преобразуются в параметры эквивалентной электрической схемы. Применяяданный способ моделирования возможно найти пороговое напряжениеотказа МДП-транзистора соединённого с печатной платой при CDMЭСР. Исходными параметрами для моделирования являются: тип транзистора, пробивное напряжение подзатворного диэлектрика МДП-транзистора (предоставляется в справочных данных предприятия-изготовителя согласно типу транзистора) и эквивалентную ёмкость системы печатных проводников, соединённых с электродами транзистора (измеряется известными методами, желательно использовать способ измерения136ёмкости без радиочастотного воздействия). В ходе исследований установлено, что для моделирования воздействия ЭСР можно применятьмодели МДП-транзисторов, имеющиеся в библиотеках программ схемотехнического моделирования, либо предоставляемые предприятиемизготовителем, без каких-либо доработок.
Данный фактор является достоинством разработанного метода.В случае, если модель МДП-транзистора недоступна, может быть использована упрощённая приближённая методика расчёта порогового напряжения отказа при CDM ЭСР. Для выполнения такого расчёта необходимо измерить параметры транзистора с помощью электроизмерительной аппаратуры общего применения.
Для автоматизации расчётовпо приближённой методике разработано специализированное программное обеспечение ESD-MOSFET-calc.МДП-транзистор является базовой единицей всей современной полупроводниковой- схемотехники, поэтому разработанный метод можно применять не только для дискретных электронным компонентам, но и в томчисле и к интегральным микросхемам.3. Для лучшего применения разработанного метода моделирования CDMЭСР был разработан способ для измерения малых емкостей с применением электрометра.
С помощью данного метода производится определение параметров эквивалентной электрической схемы объекта воздействия ЭСР. Данный способ предназначен для измерения ёмкостисистем печатных проводников, корпусов ИМС, кабелей и тому подобных объектов. Достоинством разработанной методики является отсутствие радиочастотного воздействия на объект измерения и результатизмерения в данном случае не искажается паразитной индуктивностьюобъекта. Физический принцип измерения здесь основан на определении137ёмкости исходя из законов электростатики.4. Выполнена экспериментальная проверка разработанного метода моделирования CDM ЭСР.
Для этого были изготовлены тестовые печатныеплаты, на них смонтированы МДП-транзисторы и затем подвергнутывоздействию ЭСР с наихудшим вариантом прохождения тока ЭСР. Получено полное совпадение рассчитанного порога отказа МДП-транзисторов и полученного в результате CDM ЭСР тестирования. Расхождение результатов тестирования и моделирования составляет менее 5%.На основании проведённых экспериментов можно сделать вывод о том,что разработанная методика схемотехнического моделирования CDMЭСР является корректной и может применяться на практике для расчёта чувствительности печатных узлов в воздействию CDM ЭСР. Моделирование позволяет сократить цикл натурных испытаний с применением разрядных стендов и рассчитать порог отказа электронных компонентов при CDM ЭСР уже на этапе проектирования.
Выявив на этапепроектирования порог чувствительности электронных компонентов кЭСР, ещё до запуска изделия в производство разработать комплекс мерпо подавлению электризации.5. В ходе моделирования и его экспериментальной проверки обнаруженои подтверждено, что соединение электронных компонентов с печатнойплатой снижает порог отказа электронного компонента при CDM ЭСР.Снижение порога отказа достигает 50% и более.
При этом полностьюподтвердились аналогичные экспериментальные данные, недавно полученные за рубежом (2011 год). В России аналогичные исследования ранее не проводились. На основании полученных результатов моделирования и экспериментов разработаны рекомендации по проектированиюаппаратуры для условий эксплуатации, неблагополучных по накопле138нию электростатических зарядов в печатных узлах и по CDM ЭСР. Длявыявления потенциальной опасности возникновения CDM ЭСР разработан метод и аппаратура для контроля статических потенциалов.6. На основании проведённых расчётов и экспериментов обоснована необходимость контроля статического потенциала в условиях производства.Для контактного контроля статических потенциалов разработан приборс повышенной устойчивостью к импульсным и длительным перенапряжениям по входной цепи.
В приборе применена схемотехника на основеэлектронных ламп в обращённом режиме. На данную схему получен патент на полезную модель №118066 «Электрометр на лампах в обращённом режиме» [66]. К достоинствам данного измерителя можно отнестивысокую устойчивость к воздействию перегрузок по входу, что повышает надёжность прибора в эксплуатации и гарантирует исправностьприбора после ошибочных действий оператора. Также решена задачасопряжения данного прибора с АЦП и разработана схема аналоговойгальванической развязки, на которую получен патент на полезную модель №«Усилитель с гальванической развязкой с дифференциальнымвходом».
Для решения данной задачи применена схемотехника на основе диодных оптопар.7. Опытный образец измерителя используется для контроля остаточногоэлектростатического потенциала на персонале и оборудовании, в томчисле для выявления накопления заряда печатными узлами, на участке поверхностного монтажа на приборостроительном предприятии ОАО«Калужский электромеханический завод» (ОАО КЭМЗ) в ходе технологического процесса сборки различных изделий техники связи специального назначения. Разработанная методика моделирования CDM ЭСРприменяется для оценки чувствительности печатных узлов к CDM ЭСР.139Таким образом достигается повышения качества сборки печатных узлов, их стойкость к воздействию ЭСР и сокращается цикл натурныхиспытаний, потенциальную опасность CDM ЭСР для печатных узловможно выявлять уже на этапе разработки.На основании вышеизложенных результатов можно заключить, что цель,поставленная в начале исследований выполнена.
Необходимые методики и аппаратура, позволяющие повысить стойкость печатных узлов к воздействиюэлектростатического разряда и таким образом их функциональную надёжность успешно разработаны.140Литература1. Texas Instrunment. — AN-1511 — Cable discharge event. Application report.,2006. — July.2. ESD association. — ANSI/ESD S5.3.1 Electrostatic Discharge SensitivityTesting - Charged Device Model (CDM) - Component Level, 2009.3. Ashton R. Field induced charge device model. what realy happens. // Conformance. — 2008. — March. — Pp. 35 – 39.4. Ashton R., Johnson M., Ward S. Simulating small device CDM using spice //In Compliance. — 2010. — August. — Pp.
32 – 36.5. Bönisch S. Die Electrostatische Entladung bei kleinen Abständen und Spannungen. Dr.-Ing. genehmigte Disseration. — TU Berlin, 2004. — 153 pp.6. Bonisch S., Kalkner W., Pommerenke D. Modeling of short-gap ESD underconsideration of different discharge mechanisms // Plasma Science, IEEETransactions on. — 2003. — aug. — Vol. 31, no. 4. — Pp. 736 – 744.7. Brinson M. E., Jahn S. Qucs: A GPL software package for circuit simulation, compact device modelling and circuit macromodelling from DC toRF and beyond // International Journal of Numerical Modelling (IJNM):Electronic Networks, Devices and Fields. — 2008. — September.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
