Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

"Белорусский государственный университет

информатики и радиоэлектроники"

АВТОРЕФЕРАТ

Методика обеспечения функциональной надежности электронных модулей на базе микроконтроллеров при воздействии разрядов статического электричества

диссертации на соискание степени магистра техники и технологий

по специальности 1-39 81 01 - Компьютерные технологии

проектирования электронных систем

Иванов Иван Иванович

Минск 2019

Работа выполнена на кафедре проектирования информационно-компьютерных систем учреждения образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники"

Научный руководитель:

Пискун Геннадий Адамович, кандидат технических наук, доцент кафедры проектирования информационно-компьютерных систем учреждения образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники"

Рецензент:

БОНДАРИК Василий Михайлович, кандидат технических наук, доцент, декан факультета непрерывного и дистанционного обучения учреждения образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники"

Защита диссертации состоится "28" января 2019 г. года в 9⁰⁰ часов на заседании Государственной экзаменационной комиссии по защите магистерских диссертаций в учреждении образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники" по адресу: 220013, Минск, ул.П. Бровки, 6, копр.1, ауд.415, тел.293-20-80, e-mail: kafpiks@bsuir. by

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке учреждения образования "Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники".

Введение

Все радиоэлектронные средства (РЭС), выпускаемые в настоящее время чувствительны к электростатическому разряду (ЭСР). При этом воздействие ЭСР на современные электронные компоненты может приводить к появлению катастрофических отказов или скрытых дефектов.

Наиболее часто встречаемыми способами электризации в радиоэлектронике могут быть как перенос электростатических зарядов со стороны оборудования, так и от персонала. Источниками разряда может служить контакт РЭС с носителями заряда: человеком (HBM-модель); с оборудованием (MM-модель), или заряженной РЭС с заземленным оборудованием (CDM-модель).

Документ ESDA вводит в рассмотрение новый источник разряда ЭСР от заряженной печатной платы (CBM модель charged board model). Рассмотрение данного вопроса началось только в 2007-2008 годах, точные данные по CBM ЭСР отсутствуют.

Такой вариант ЭСР может иметь место, например, в случае если плата накапливает заряд и затем вставляется в разъем и сигнальные контакты при этом контактируют первыми.

На основании полученных результатов моделирования возможно обоснование необходимых методик контроля статической электризации для оценки реальной электромагнитной обстановки. Применение методик контроля позволяет выявить опасность возникновения ЭСР и оценить эффективность мероприятий по предотвращению ЭСР. Тем самым достигается повышения качества изготовления радиоэлектронных средств.

Одной из основных проблем работоспособности РЭС является недостаточно длительный срок эксплуатации входящих в нее отдельных радиоэлементов, таких как микросхемы памяти. Они за счет большой плотности размещения и значительной интеграции полупроводникового кристалла, являются заметным источником дефектов современных сложных систем. Вместе с тем достаточно сложно осуществить эффективную защиту микросхем от внешних воздействий, особенно от влияния разрядов статического электричества.

На сегодняшний день существует большое число работ в области определения влияния разрядов статического электричества на функционально сложные изделия твердотельной электроники. Наиболее значимые результаты были получены российскими и белорусскими учеными, которые проводили исследования по воздействию электростатических разрядов на полупроводниковые изделия (М.И. Горлов, В.А. Емельянов, Л.П. Ануфриев, В.Ф. Алексеев, Г.А. Пискун); методы защиты устройств от электромагнитных помех (Л.Н. Кечиев, Е.Д. Пожидаев). Среди зарубежных авторов особый интерес вызывают работы Ч. Джоввета, Кая Есмарка, А. Шваба, Э. Хабигера, в которых представлено описание некоторых механизмов влияния и упрощенные аналитические подходы для решения задач, связанных с воздействием ЭСР на радиоэлектронные средства любой сложности.

Разработка научных и технических основ проектирования, конструирования, технологии производства, испытания и сертификации производимой аппаратуры к воздействию ЭСР и, как следствие, повышение их качества доказывает актуальность темы.

Общая характеристика работы

Современные стандарты, применяемые при испытаниях, вводят в рассмотрение новый источник разряда ? ЭСР от заряженной печатной платы (CBM-модель). Рассмотрение данного типа воздействия началось недавно, что подтверждается отсутствием данных по CBM ЭСР. Такой вариант разряда может иметь место, например, в случае если плата накапливает заряд и затем вставляется в разъем и сигнальные контакты при этом контактируют первыми.

В связи с вышесказанным, актуальной является разработка методики обеспечения функциональной надежности электронных модулей на базе микроконтроллеров при воздействии разрядов статического электричества.

Степень разработанности проблемы

Исследование влияния электростатических разрядов от оператора осуществлялось на основе построения теоретических моделей с использованием работ российских и белорусских ученых: М.И. Горлова, В.А. Емельянова, Л.П. Ануфриева, В.Ф. Алексеева, Г.А. Пискуна, Л.Н. Кечиева, Е.Д. Пожидаева, В.А. Каверзнева, Г.Д. Грошева, а так же зарубежных авторов: Ч. Джоввета, Кая Есмарка, А. Шваба, Э. Хабигера, Steven H. Voldman и др.

Одним из недостатков исследований, представленных в современной технической литературе, является неполное рассмотрение особенностей и условий для моделирования процесса воздействия ЭСР от заряженной печатной платы.

Предложенное исследование направлено на устранение этого недостатка на основе модификации алгоритма моделирования процессов воздействия разрядов по CBM-модели.

Цель и задачи исследования

радиоэлектронное средство электростатический разряд

Целью диссертации является разработка методики повышения устойчивости РЭС к ЭСР за счет выявления влияния характеристик электронных компонентов на порог их отказа при воздействии разряда по CBM-модели.

Поставленная цель работы определяет следующие основные задачи:

1. Провести обзор и анализ механизмов воздействия ЭСР на РЭС, моделей испытаний на воздействие разрядов, методов и средств защиты от них, а также существующих методов моделирования данных воздействий.

2. Разработать методику моделирования воздействия ЭСР по CBM-модели на электронные компоненты на основе схемотехнического моделирования эквивалентной электрической схемы элемента.

3. Экспериментально доказать адекватность разработанной методики посредством моделирования воздействия разряда по CBM-модели на транзистор типа IRF730 и на такой защитный элемент интегральной микросхемы, как GGNMOST.

Область исследования

Содержание диссертации соответствует образовательному стандарту высшего образования второй ступени (магистратуры) ОСВО 1-39 81 01-2012 специальности 1-39 81 01 "Компьютерные технологии проектирования электронных систем".

Теоретическая и методологическая основа исследования

В основу диссертации легли работы белорусских и зарубежных ученых в области определения влияния разрядов статического электричества на функционально сложные изделия твердотельной электроники, а также анализ технических нормативных правовых актов по рассматриваемой тематике.

Информационная база исследования сформирована на основе литературы, открытой информации, технических нормативно-правовых актов, сведений из электронных ресурсов, а также материалов научных конференций и семинаров.

Научная новизна

Научная новизна и значимость полученных результатов работы заключается в разработке методики моделирования воздействия электростатического разряда по CBM-модели на электронные компоненты на основе схемотехнического моделирования эквивалентной электрической схемы элемента.

Теоретическая значимость работы заключается в детальном анализе протекающих процессов воздействия разряда с учетом особенностей компьютерного моделирования.

Практическая значимость диссертации состоит в разработанной схемотехнической модели испытательных структур, которая позволит оптимизировать процесс технической диагностики полупроводниковых приборов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Систематизация механизмов воздействия разрядов статического электричества на полупроводниковые приборы, основанная на анализе особенностей электризации печатных модулей, позволившая более детально описать специфику появления разряда по CBM-модели.

2. Модель воздействия разряда на полупроводниковый прибор, построенная на базе эквивалентной электрической схемы с сосредоточенными параметрами, позволяющая автоматизированный расчет переходного процесса в эквивалентной схеме испытуемого элемента.

3. Экспериментально установленное напряжения катастрофического отказа МДП-транзисторов при воздействии разряда по CBM-модели, основанное на разработке эквивалентной схемы влияния разряда в программной среде Qucs, позволяющее оптимизировать защитные схемотехнические решения.

Апробация диссертации и информация об использовании ее результатов

Результаты исследований, вошедшие в диссертацию, докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции "Актуальные направления научных исследований ХХI века: теория и практика" (г. Воронеж, Российская Федерация, 2016 г.), 52-ой научно-технической конференции аспирантов, магистрантов и студентов БГУИР (г. Минск, Беларусь, 2016 г.), 12-й Международной научно-технической конференции "Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций, РТ-2016" (г. Севастополь, Российская Федерация, 2016 г.).

Отдельные положения диссертации могут быть использованы при преподавании дисциплин "Физические основы проектирования радиоэлектронных средств".

Публикации

Изложенные в диссертации основные положения и выводы опубликованы в 6 печатных работах. В их числе 1 статья в рецензируемом журнале, рекомендованных ВАК Республики Беларусь для опубликования результатов исследований, 2 статьи в сборниках материалов научных конференций и 3 тезиса докладов на научных конференциях.

Общий объем публикаций по теме диссертации составляет 19 страниц.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, трех глав с краткими выводами по каждой главе, заключения, библиографического списка и приложений.

В первой главе приведен обзор современного состояния проблемы воздействия ЭСР на полупроводниковые приборы, а также рассмотрена возможность разработки новых схемотехнических моделей защитных структур.

Во второй главе представлена разработанная методика моделирования воздействия разряда по CBM-модели на электронные компоненты на основе схемотехнического моделирования эквивалентной электрической схемы воздействия разряда.

В третьей главе представлен эксперимент по подтверждению адекватности разработанной методики посредствам моделирования воздействия ЭСР по CBM-модели на транзистор типа IRF730 и на защитный элемент микросхемы типа GGNMOST.

В приложении представлены публикации автора и акт внедрения.

Общий объем диссертационной работы составляет 90 страницы. Из них 65 страниц основного текста, 40 иллюстраций на 10 страницах, 2 таблицы на 1 странице, библиографический список из 79 наименований на 7 страницах, список собственных публикаций соискателя из 6 наименований на 1 странице, 3 приложений на 10 страницах.

Основное содержание работы

Во введении рассмотрено современное состояние проблемы повышения устойчивости РЭС к ЭСР, указаны основные направления исследований, проводимых по данной тематике, а также описано обоснование актуальности темы.

В общей характеристике работы показана актуальность проводимых исследований, степень разработанности проблемы, сформулированы цель и задачи диссертации, обозначена область исследований, научная (теоретическая и практическая) значимость исследований, а также апробация работы.

В первой главе приведен обзор современного состояния проблемы воздействия ЭСР на полупроводниковые приборы, а также рассмотрена возможность разработки новых схемотехнических моделей воздействий при выполнении различных операций.

Из анализа следует, что проблема реализации технической диагностики полупроводниковых приборов и интегральных микросхем заключается в отсутствии точных алгоритмов и методик моделирования воздействия разряда по CBM-модели на электронные компоненты на основе схемотехнического моделирования эквивалентной электрической схемы воздействия ЭСР. Ее решение позволит оптимизировать процесс отбраковки микросхем, которые на сегодняшний день являются связующим звеном в устройствах специального и бытового назначения, а также сократить материальные затраты на их дефектацию, что обуславливает актуальность проводимых исследований. Проанализированы особенности испытаний микросхем на устойчивость к разрядам тока. Выявлено, что они проводятся преимущественно по трем основополагающим моделям: модель тела человека (HBM-model), машинная модель (MM-model) и модель заряженного прибора (CDM-model). Основным отличием данных моделей является варьирование параметров разряда по длительности и форме импульса, однако закономерности их развития практически идентичны.

При проведении анализа механизмов повреждений в результате воздействия разрядов статического электричества, выявлено, что в большинстве случаев они могут быть обусловлены не только физико-химическими изменениями в полупроводниковом кристалле микросхем.

Во второй главе представлена разработанная методика моделирования воздействия разряда по CBM-модели на электронные компоненты на основе схемотехнического моделирования эквивалентной электрической схемы воздействия разряда статического электричества.

Сущность предложенной методики состоит в том, что объект воздействия ЭСР представляется в виде эквивалентной электрической схемы, а физические параметры объекта - в виде параметров элементов данной схемы. Алгоритм построения моделей состоит в том, что корпус электронного компонента и связанные с ним печатные проводники заменяются цепью из связанных емкостей, которые несут в себе начальный заряд. При контакте вывода ИМС с заземленным электродом эти емкости разряжаются и создают импульсные перенапряжения между выводами микросхемы.

Эквивалентная схема воздействия ЭСР по CBM-модели показана на рисунке 1.

R2 - сопротивление датчика тока; R3 - сопротивление дуги; ЗЭ защитный элемент

Рисунок 1 - Эквивалентная схема CBM-модели воздействия электростатического разряда

На основании представленной схемы можно осуществлять оптимизацию схемотехнических методов защиты ИМС от воздействия разрядов.

Все емкости С_рp на схеме заряжены до одинакового напряжения тестирования V_test Данное напряжение характеризует устойчивость ИМС к ЭСР. Если микросхема отказала после проведения теста с конкретным напряжения, то это значение рассматривают как порог отказа ИМС при CBM-модели.

Емкости С_рр между выводами ИМС зашунтированы сопротивлением утечки через кристалл R_рр и в формировании заряда не участвуют. Они влияют на форму тока при переходном процессе и на величину перенапряжений на защищаемой цепи.

Ключевую роль в формировании тока ЭСР и перенапряжений на элементах защиты здесь играет емкость С_рcb, которая достигает сотен пикофарад и накапливает значительный заряд. Эта емкость заряжена до напряжения тестирования V_test и несет заряд Q_pcb.

Возможно несколько вариантов развития ЭСР. Самым благоприятным является вариант, когда заземленный разрядный наконечник касается печатного проводника. При этом весь заряд накопленный емкостью C_pcb стекает на землю и ток ЭСР течет в обход ИМС.

Самым неблагоприятным является вариант, когда заземляется вывод ИМС. При этом заряд Q_pcb стремится стечь на землю и происходит быстрое перераспределение зарядов между внутренними емкостями ИМС. Заряд Q_pcb создает дополнительный ток электростатического разряда, который течет через вывод микросхемы и создает дополнительные перегрузки.

Зная параметры корпуса ИМС (C_pin и C_pp) и параметры платы печатной (L_pcb и C_pcb), а также используя программное обеспечение Qucs для моделирования электронных схем, можно смоделировать эту эквивалентную схему и узнать величину перегрузок по напряжению, которым подвергается интегральная микросхема в результате воздействия разряда статического электричества по CBM-модели.

В третьей главе представлен эксперимент по подтверждению адекватности разработанной методики посредствам моделирования воздействия разряда по CBM?модели на транзистор типа IRF730 и на защитный элемент интегральной микросхемы GGNMOST.

На основании данных о согласовании результатов тестирования и моделирования воздействия ЭСР на МДП-транзисторы было произведено моделирование воздействия разряда на данные полупроводниковые приборы.

Сравнение формы тока ЭСР, полученной в результате моделирования, и указанной в стандарте СТБ МЭК 61000.4.2?2006 показало, что физические процессы воспроизводятся моделью корректно.

При проведении моделирования воздействия ЭСР по CBM-модели на транзистор типа IRF730, установленного на печатной плате, была разработана эквивалентная схема. Система печатных проводников связана с истоком МДП-транзистора. Для моделирования ЭСР по CBM-модели была увеличена емкость С2 до 190 пФ, что эквивалентно значению емкости системы печатных проводников, связанных с истоком транзистора. Физический принцип измерения основан на определении емкости исходя из законов электростатики.

Полученные в результате моделирования графики напряжения на затворе при ЭСР показаны на рисунке 2. Уже при напряжении тестирования 250 В перенапряжения на затворе транзистора достигают 80 В, что соответствует отказу транзистора. Таким образом, порог отказа транзистора снизился на 75 %.

Рисунок 2 - Осциллограммы переходного процесса при ЭСР на разрядном конденсаторе и на затворе тестируемого транзистора

После произведенного параметрического анализа влияния емкости печатной платы на порог отказа МДП-транзистора в результате ЭСР по CBM-модели было установлено, что осциллограммы напряжения переходного процесса в цепи транзистора IRF510 имеют следующий вид (рисунок 3).

Рисунок 3 - Осциллограмма напряжения переходного процесса в цепи транзистора IRF510 при воздействии ЭСР по CDM?модели

В результате представлен принцип построения схемы модели воздействия ЭСР по CBM-модели на транзистор IRF510 и получены осциллограмма в программной среды Qucs.

На рисунке 4 представлена осциллограмма напряжения на затворе МДП-транзистора при воздействии разряда статического электричества, с учетом того, что транзистор соединен с печатной платой. Напряжение тестирования 250В.

Рисунок 4 - Осциллограммы напряжения на затворе МДП?транзистора при ЭСР

Из рисунка видно, что построена модель воздействия разряда на печатный узел по CDM-модели, адекватно описывает процесс протекания разряда статического электричества.

При реализации метода конечных элементов в работе использовался универсальный симулятор электрических цепей Qucs (от англ. Quite Universal Circuit Simulator), который был разработан как доступный симулятор электронных цепей и контуров, имеющий графический интерфейс и основанный на открытом исходном коде. Программа поддерживает все виды моделирования схем, например DC, AC, S-параметры, гармонический анализ баланса, анализ шума и так далее. Результаты моделирования можно посмотреть на странице презентации или окне программы.

Заключение

Область применения: полупроводниковая промышленность, микропроцессорные системы.

Keywords: electrostatic discharge model.

The object of study: To increase the stability of the CEA to the damaging factors of electrification due to detection the effect of characteristics of electronic compo?nents on the threshold of their failure when subjected to discharge by CBM?model.

The results and novelty: the analysis of existing direct impact on ESD simulation methods by CEA. It was revealed that at the moment in the domestic and foreign sources the question regarding ESD simulation for the charged component (CDM?model); is not clear model of the impact of the discharge on the semiconductor device, built on the basis of an equivalent electric circuit with lumped parameters, allowing the automated calculation of the transition process in the equivalent circuit; as a result of the development of the equivalent circuit of the discharge impact on the MIS transistor, experimentally determined stress his refusal, to optimize the structure of the test transistor.

Degree of use: the results implemented in the educational process at the department of design information and computer systems educational institution "Belarusian State University of Informatics and Radioеlectronics" in the training course "Physical fundamentals of the design of radio-electronic means".

Sphere of application: industry, MPU?sor system.