автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Метод обеспечения функциональной надёжности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов

На правах рукописи

Кузнецов Вадим Вадимович

Метод обеспечения функциональной надёжности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005549249

Москва - 2014

005549249

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Высшая школа

экономики»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Кечиев Леонид Николаевич

Официальные оппоненты:

Кириллов Владимир Юрьевич, доктор технических наук, профессор, Московский авиационный институт (МАИ НИУ), заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника»

Кривое Анатолий Сергеевич, доктор технических наук, профессор, ЗАО НПФ «Диполь», г. Москва, заместитель генерального директора

Ведущая организация:

ФГУП «Московское опытно-конструкторское бюро «Марс»

Защита состоится 19 июня 2014 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212.048.13 созданного на базе федерального государственного автономного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» , по адресу: 109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., д.З, зал заседаний учёного совета (к.217).

С диссертацией можно ознакомиться на сайте http://www.hse.ru/sci/diss/ и в библиотеке Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» по адресу 101000, г.Москва, ул.Мясницкая, д.20.

Автореферат разослан. 2014

: Г.

Ученый секретарь Грачёв

диссертационного совета, Николай Николаевич

к.т.н., профессор — ^

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Вся радиоэлектронная аппаратура (РЭА), выпускаемая в настоящее время чувствительна к электростатическому разряду (ЭСР). Воздействие ЭСР на современные электронные компоненты может вызывать их необратимое повреждение или скрытые дефекты.

Источниками электризации могут быть как перенос электростатических зарядов со стороны оборудования и персонала для наземной аппаратуры, так и потоки высокоэнергетических заряженных частиц для бортовой аппаратуры космических аппаратов (КА). Источниками разряда могут служить: контакт РЭА с носителями заряда: человеком (НВМ-модель), с оборудованием (ММ-модель), или заряженной РЭА с заземлённым оборудованием (CDM модель).

Исследованию ЭСР и моделированию воздействия ЭСР на РЭА посвящены работы Саенко B.C., Пожидаева Е.Д., Кечиева JI.H., Кириллова В.Ю., Абрамешина А.Е., Марченко М.В., Вострикова A.B., а из зарубежных исследователей: Pommerenke D., Ashton R., Sowariraj M.S.B., Colnar J., Trotman J., Bönisch S.

Документ ESDA 1 вводит в рассмотрение новый источник разряда — ЭСР от заряженной печатной платы (СВМ модель — charged board model). Рассмотрение данного вопроса началось только в 2007-2008 годах, точные данные по СВМ ЭСР отсутствуют, и исследования в данном направлении являются актуальными. Актуальной является разработка методов моделирования данного вида ЭСР.

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 повышение качества изготовления бортовой аппаратуры КА. Разработка научных и технических основ проектирования, конструирования, технологии производства, испытания и сертификации производимой бортовой аппаратуры КА к воздействию ЭСР и повышение качества данной аппаратуры относятся к приоритетным задачам развития промышленности, и избранная тема диссертации является актуальной.

1 Industry Council on ESD Target Levels. — White Paper 2: A Case for Lowering Component Level CDM ESD Specifications and Requirements, April, 2010.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является повышение устойчивости радиоэлектронной аппаратуры к поражающим факторам электризации за счёт выявления влияния характеристик печатного монтажа на порог отказа электронных компонентов при ЭСР и принятия мер по предотвращению ЭСР.

Задачи исследований

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести обзор и анализ механизмов воздействия ЭСР на РЭА, моделей испытаний на воздействие ЭСР, методов и средств защиты от ЭСР, существующих методов моделирования ЭСР и защитных компонентов, существующих методов и средств контроля электростатических полей, зарядов и потенциалов. На основании проведённого обзора сформулировать целевую задачу.

2. Создать методику моделирования воздействия СВМ ЭСР на электронные компоненты и печатные узлы на основе схемотехнического моделирования эквивалентной электрической схемы воздействия ЭСР. Разработать эквивалентную схему СВМ ЭСР. Разработать способы представления физических параметров объекта воздействия ЭСР в виде параметров эквивалентной электрической схемы.

3. Разработать методику и аппаратуру для контроля электростатических потенциалов для применения в условиях сборочного цеха приборостроительных предприятий, предназначенную для выявления потенциальной опасности накопления заряда печатным монтажом. К данной аппаратуре предъявляется требование повышенной устойчивости к перегрузкам по входу, которые могут иметь место в результате ошибочных действий операторов.

4. Выполнить экспериментальную проверку разработанной методики моделирования СВМ ЭСР. Для этого разработать стенд для проведения СВМ ЭСР тестирования. Сравнить пороги отказа электронных компонентов, полученные в результате моделирования и в результате измерений.

5. На основании разработанной методики контроля статического потенциала разработать практическую схему прибора для контроля статического потенциала. Внедрить данный прибор в технологический процесс производства РЭА.

Научная новизна

1. В результате расчётов установлено и экспериментально подтверждено, что порог отказа электронного компонента при СВМ ЭСР (напряжение ЭСР после при котором компонент отказывает) составляет 50% и менее от порога отказа при СБМ ЭСР. Эксперименты и моделирование, выполненные по оригинальной методике, независимо подтвердили результаты ранее опубликованных экспериментальных исследований. 2

2. Создана методика моделирования воздействия электростатического разряда по модели заряженного компонента на печатные узлы, состоящая в представлении объекта воздействия ЭСР в виде эквивалентной электрической схемы и последующем её моделировании с помощью программного обеспечения (ПО) для схемотехнического моделирования. По известным параметрам ПП и электронного компонента можно рассчитать порог отказа при СВМ ЭСР.

3. Для экспериментальной проверки созданной методики моделирования ЭСР разработан стенд и выполнены сравнительные исследования результатов расчётов и экспериментов. Произведён сравнительный анализ полученных экспериментальных данных с данными зарубежных источников.

Теоретическая значимость

Результаты и методы диссертации могут быть полезными как с теоретической, так и с практической точек зрения специалистам в области электростатического разряда. Диссертационное исследование способствует дальнейшему развитию исследований по совершенствованию методик моделирования воздействия ЭСР на РЭА.

Разработанная методика моделирования СВМ ЭСР позволяет упростить расчёт порога отказа электронных компонентов при СВМ ЭСР, благодаря представлению объекта воздействия ЭСР в виде эквивалентной электрической схемы, состоящей из элементов с сосредоточенными параметрами.

2 Colnar, J. Decreased COM ratings for ESD-sensitive devices in printed circuit boards / J. Colnar, J.

Trolman, R. Petrice // In Compliance. — 2010. — P. 38 - 41.

Практическая значимость

1. Разработанная методика схемотехнического моделирования воздействия ЭСР на МОП-транзисторы с использованием ПО с открытым исходным кодом Qucs имеет применение для выявления чувствительности печатных узлов различных изделий спецтехники к ЭСР на этапе разработки КД.

2. На основе разработанной модели СВМ ЭСР выработаны рекомендации по рациональному конструированию ПП для условий эксплуатации, где имеется опасность накопления заряда ПП.

3. На основе созданной методики контроля электростатических потенциалов разработана практическая схема контактного прибора для контроля электростатических потенциалов, на которую получен патент на полезную модель №118066 [23]. Данное средство контроля внедрено в техпроцесс монтажа РЭА.

4. Решена задача сопряжения электрометра с устройствами обработки данных и разработана оригинальная схема гальванической развязки, на которую получен патент на полезную модель №127555 [24].

5. В ходе исследований показана возможность применения ПО с открытым исходным кодом для решения научных и инженерных задач: моделирования, обработки данных эксперимента и т.п. Для моделирования используется ПО Qucs, для обработки результатов эксперимента — система численных расчётов Octave, для разработки ПО — набор библиотек С++ Qt4, для подготовки текстовых документов — система вёрстки

6. В ходе исследований в исходный код ПО Qucs были внесены изменения для оптимизации его использования в учебном и исследовательском процессе. Изменения приняты в текущую выпускаемую версию ПО.

Положения, выносимые на защиту:

1. Для расчёта порога отказа электронных компонентов при СВМ ЭСР достаточно представить объект воздействия ЭСР (печатный узел) в виде эквивалентной электрической схемы с сосредоточенными параметрами

(эквивалентная индуктивность и ёмкость). Возможен автоматизированный расчёт переходного процесса в данной эквивалентной схеме при помощи ПО для схемотехнического моделирования общего назначения.

2. Порог отказа МДП-транзисторов при СВМ ЭСР снижается на -50% и более по сравнению с порогом отказа при СВМ ЭСР. Снижение порога отказа подтверждается результатами экспериментов и моделирования. Степень снижения порога отказа определяется эквивалентной ёмкостью печатного монтажа.

3. Экспериментально установлено, что печатные платы могут накопить статический заряд достаточный, чтобы вызвать СВМ ЭСР при контакте платы с заземлённым объектом и отказ электронных компонентов, установленных на плате.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих научных конференциях:

1. Международная научно-техническая конференция (НТК): «Инновационные информационные технологии», г. Прага, 2012 г.

2. Международная научно-техническая конференция «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий — ИНФО-2013», г.Сочи, 2013 г.

3. Всероссийская научно-техническая конференция «Наукоёмкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе», г. Калуга, 2012 г.

4. Вторая всероссийская научно-техническая конференция «Системы управления беспилотными космическим и атмосферными летательными аппаратами», г.Москва, МОКБ «Марс», 2012 г.

5. Всероссийская межвузовская научная конференция «Наука и образование в развитии промышленной, социальной и экономической сфер регионов России. Пятые Зворыкинские чтения», г. Муром, 2013 г.

6. Всероссийская научно-техническая конференция «Наукоёмкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе», г. Калуга, 2013 г.

7. Всероссийская научно-техническая конференция «Технологии, измерения и испытания в области электромагнитной совместимости — Техно ЭМС», г. Москва, 2013 г.

8. Региональная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Наукоёмкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе», г. Калуга, 2012 г.

9. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов, посвященная 50-летию МИЭМ, г. Москва, 2012 г.

10. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ — г. Москва., 2013 г.,

11. Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ, г. Москва, 2014 г., диплом за лучшую аспирантскую научную работу.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 24 печатных работах, из них 3 статьи в изданиях из перечня ВАК. Общий объём публикаций 7,73 печатных листов, из которых личный вклад автора 5,76 печатных листов.

Личный вклад автора Личный вклад автора состоит в разработке и анализе эквивалентной схемы СВМ электростатического разряда, разработке методики моделирования данного типа ЭСР, в постановке экспериментальных работ и обработке результатов экспериментов. Автором предложено оригинальное средство контроля электростатических потенциалов.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 147 страниц, включая 65 рисунков. Библиография включает 80 наименований на 8 страницах.

Содержание работы

Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе выполнен анализ существующих методов моделирования воздействия ЭСР на печатные узлы, методов и аппаратуры для контроля статического электричества в условиях производства.

Если электронный компонент, несущий статический заряд, затем прикоснётся к какому-либо металлическому предмету, то произойдёт быстрый разряд. Соответствующая модель известна как СБМ-модель или модель заряженного компонента. Существуют два метода испытаний на воздействие СОМ ЭСР: метод прямого заряжения и метод РСБМ (СБМ, вызванный электростатической индукцией). Схема установки для испытаний на воздействие СБМ ЭСР по методу прямого заряда показана на рис. 1.

_Д1

~ 10-100 МОм

Источник высокого напряжения

Ll i?2

С.?

1 сь_

Тестируемый компонент Изолятор

С2ф

чЗаземлённая плоскость

Рис. 1. Модель испытаний на основе CDM. С1 — паразитная ёмкость; С2 — распределённая ёмкость корпуса на землю; R.1 — зарядный резистор; R2 — измерительный резистор; L1 — паразитная индуктивность

Другим методом испытания является FCDM (Field Induced Charged Device Model) — модель заряженного компонента в результате электростатической индукции. Методика испытаний на воздействие CDM ЭСР регламентирована международными стандартами, в том числе JESD22-C101E.

Если компонент смонтирован на печатной плате, а затем подвергается разряду вместе с платой, то для такого случая Ассоциация по ЭСР (ESDA) предлагает ввести в международные стандарты особую модель ЭСР, называемую моделью заряженной платы (СВМ — Charged board model).

В результате проведённого анализа отечественных и зарубежных источников выявлено, что в настоящее время работы на русском языке по моделированию воздействия СВМ ЭСР на электронные компоненты отсутствуют. Исследование влияния характеристик печатного монтажа на порог отказа компонента при СВМ ЭСР является актуальным и в России ранее не проводились. Актуальна разработка методик расчёта порога отказа электронных компонентов при СВМ ЭСР и методик моделирования воздействия ЭСР.

Выявив с помощью моделирования на этапе разработки КД опасный для РЭА уровень статического потенциала, на этапе производства необходимо использовать методы и аппаратуру для контроля статического электричества, чтобы выявить и устранить источник электризации. В настоящее время, как показал проведённый анализ публикаций по данной тематике, актуальна разработка такой аппаратуры для применения в производственных условиях.

Результаты первой главы опубликованы в работе [1].

Во второй главе приведено описание методики моделирования порога отказа МДП-транзисторов при СВМ ЭСР при помощи схемотехнического моделирования. Также разработана упрощённая методика расчёта порога отказа МДП-транзисторов при СВМ ЭСР.

Сущность предложенной методики состоит в том, что объект воздействия ЭСР представляется в виде эквивалентной электрической схемы, а физические параметры объекта — в виде параметров элементов такой эквивалентной схемы. Рассмотрим компонент с несколькими выводами, например ИМС в корпусе DIP. 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 заземлённым электродом эти ёмкости разряжаются и создают импульсные перенапряжения между выводами ИМС.

Эквивалентная схема воздействия СВМ ЭСР на корпус ИМС, смонтированный на ПП, показана на рис.2.

Все ёмкости Срп на схеме рис.2 заряжены до одинакового напряжения тестирования Vtest■ Данное напряжение характеризует устойчивость ИМС к ЭСР. Если ИМС отказала после проведения теста с конкретным Vtets, то это значение напряжения рассматривают как порог отказа ИМС при СВМ ЭСР.

Емкости Срр между выводами ИМС зашунтированы сопротивлением утечки через кристалл R№ и в формировании заряда не участвуют. Но 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 ёмкость Срсь, которая достигает сотен пикофарад и накапливает значительный заряд. Эта ёмкость заряжена до напряжения тестирования Vtest и несёт заряд Qpct

Здесь возможно несколько вариантов развития ЭСР. Самым благоприятным является вариант, когда заземлённый разрядный наконечник касается печатного проводника. При этом весь заряд накопленный ёмкостью Срсь сте-

Й2

Рис. 2. Эквивалентная схема СВМ-ЭСР. Г12 — сопротивление датчика тока; Яагс — сопротивление дуги; Ср„ — ёмкость вывода ИМС; Срр — ёмкость между выводами ИМС; Ярр — сопротивление утечки между выводами ИМС; ЗЭ — элемент защитный; — ключ имитирует разряд; Срсь — эквивалентная ёмкость системы печатных проводников, связанных с выводом ИМС; ЬрсЬ — эквивалентная индуктивность системы печатных проводников, связанных с выводом ИМС;

кает на землю и ток ЭСР течёт в обход ИМС.

Самым неблагоприятным является вариант, когда заземляется вывод ИМС. При этом заряд С}рСь стремится стечь на землю и происходит быстрое перераспределение зарядов между внутренними емкостями ИМС. Заряд (Эра создаёт дополнительный ток ЭСР, который течёт через вывод ИМС и создаёт дополнительные перегрузки.

Зная параметры корпуса ИМС и Срр) и параметры ПП (ЬрСь и Срсь) и используя ПО для моделирования электронных схем, можно смоделировать эту эквивалентную схему и узнать величину перегрузок по напряжению, которым подвергается ИМС в результате СВМ ЭСР. Ту же самую эквивалентную схему можно использовать и для моделирования СБМ ЭСР, исключив из неё элементы Срсь и Ьрсь-

Дискретные компоненты тоже могут быть представлены в виде такой же эквивалентной схемы, но они имеют два или три вывода.

Принцип построения эквивалентной схемы РСБМ-ЭСР аналогичен случаю СБМ ЭСР и отличается только механизмом заряжения компонента.

В действительности все реактивности, входящие в схему на рис.2 явля-

ются распределёнными. Но согласование формы импульса тока ЭСР при моделировании и формы импульса тока, указанной в стандартах показывает, что при моделировании переходных процессов эти реактивности можно представлять дискретными.

Расчёт переходного процесса (Transient Analisys) в эквивалентной схеме может быть выполнен с использованием средств схемотехнического моделирования, подобных программе PSpice. В результате расчёта получается ток ЭСР через вывод ИМС и импульсные перенапряжения между выводами ИМС.

Для моделирования импульсов ЭСР необходимо производить расчёт переходных процессов с пикосекундным шагом. Не всё ПО схемотехнического моделирования может рассчитывать переходный процесс с пикосекундным шагом, что было показано в [1]. Выполненное автором тестирование ПО Qucs показало, что в оно позволяет производить расчёт переходных процессов с пикосекундным шагом, несмотря на то, что относится к классу ПО с открытым исходным кодом и распространяется бесплатно.

В качестве объекта исследований были выбраны n-МДП транзисторы с изолированным затвором фирмы International Rectifier. МДП-транзистор является базовой структурной единицей всей современной твёрдотельной электроники и результаты полученные для МДП-транзисторов, можно экстраполировать и на прочие электронные компоненты. По устойчивости к CDM ЭСР транзисторы относятся к классу С4 (порог отказа 1000 В).

. Имея в распоряжении принцип построения схемотехнической модели воздействия ЭСР на многовыводные электронные компоненты, можно применить его к построению схемотехнической модели воздействия ЭСР на МДП-транзисторы. МДП-транзистор является трёхвыводным компонентом. Его особенностью является значительная ёмкость затвор-исток Сзи (от 200 до 3000 пФ), которую необходимо учитывать при моделировании.

В ходе исследований была построена схемотехническая модель воздействия НВМ ЭСР на МДП транзистор и произведён сравнительный анализ результатов моделирования переходного процесса и полученного порога отказа с экспериментально полученными результатами, приведённые фирмой-изготовителем. Можно сделать вывод о том, что модели МДП-транзисторов, имеющиеся в программе Qucs можно использовать для моделирования воздействия на них ЭСР без каких-либо доработок. Критерием отказа транзистора при моделировании будет служить превышение напряжением затвор-исток допустимой величины в 75-80 В, которая приводится предприятием-изготовителем транзисторов в справочных данных.

На основании данных о согласовании результатов тестирования и моделирования воздействия НВМ ЭСР на МДП-транзисторы было произведено моделирование воздействия СБМ ЭСР на данные полупроводниковые приборы. Особый интерес представляет выявление воздействия ёмкости печатной платы на порог отказа транзистора и сравнение результатов с данными зарубежных исследований. При этом возникает вопрос: происходит ли при СВМ ЭСР снижение порога отказа электронного компонента.

Сначала было произведено моделирование воздействия СБМ ЭСР без печатной платы. Схема модели СБМ ЭСР в программе С^исв показана на рис.3.

Рис. 3. Схема модели воздействия СОМ ЭСР на транзистор ГОР510. Ёмкость С2 соответствует ёмкости корпуса транзистора на землю.

Сравнение формы тока ЭСР, полученной в результате моделирования, и указанной в стандарте ЛЕЗБ-СЮШ показало, что физические процессы при СБМ ЭСР воспроизводятся моделью корректно.

Произведём моделирование СВМ ЭСР для транзистора, установленного на печатной плате. Система печатных проводников связана с истоком МДП-транзистора. Для моделирования СВМ ЭСР в данном случае увеличим ёмкость С2 на рис.3 до значения, равного ёмкости системы печатных проводников, связанных с истоком транзистора. Примем данную ёмкость равной ёмкости использовавшейся в исследованиях тестовой ПП (190 пФ). В ходе исследований была разработана методика измерения ёмкости объёмных объектов (печатные платы, кабели, корпуса ИМС) без радиочастотного воздей-

ствия с применением электрометра. Физический принцип измерения основан на определении ёмкости исходя из законов электростатики.

Графики напряжения на затворе при ЭСР показаны на рис.4. 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 %.

90 80 м 70

оГ

§■60 со

I 50 л

и 40

О)

I 30

I20 110 о -10

о 5 10 15 20

Время, не

Рис. 4. Напряжение на затворе МДП-транзистора при ЭСР. Транзистор соединён с печатной платой. Напряжение тестирования 250 В.

Теперь произведём параметрический анализ влияния ёмкости печатной платы на порог отказа МДП-транзистора в результате СВМ ЭСР. Осциллограммы импульсных перенапряжений на затворе транзистора при ЭСР показаны на рис.5.

Увеличение ёмкости затвор-исток транзистора снижает его восприимчивость к ЭСР. Возрастание ёмкости печатной платы приводит к неограниченному росту перенапряжений в цепи затвора при СВМ ЭСР. Данная схема ЭСР моделирует наихудший случай развития разряда — непосредственный разряд на вывод затвора транзистора. В результате моделирования полностью подтвердились данные зарубежных публикаций.

Разработанная в ходе исследований концепция построения моделей воздействия ЭСР на МДП-транзисторы позволяет моделировать перенапряжения, возникающие при СБМ ЭСР, имея в распоряжении Зрюе-модель транзистора, конструктивные даннные ПП и пробивное напряжение подзатворного

Рис. 5. Напряжение на затворе МДП-транзистора при ЭСР для ёмкости печатной платы от 50 пФ (нижняя кривая) до 500 пФ (верхняя кривая). Транзистор IRF630. Напряжение тестирования 400 В.

диэлектрика транзистора.

Применяя аналогичный подход можно смоделировать воздействие СВМ ЭСР на интегральную микросхему (ИМС). Результаты для моделирования в случае ИМС отличаются тем, что не наблюдается неограниченного уменьшения порога отказа ИМС при её соединении с печатной платой, так как все современные ИМС содержат встроенную схему защиты от ЭСР.

Упрощённая модель применяется, если Spice-модель для исследуемого транзистора не доступна. Входными данными для расчёта являются ёмкость системы печатных проводников, ёмкость затвор-исток транзистора и напряжение пробоя подзатворного диэлектрика транзистора. Как было показано, расчёт порога отказа МДП-транзистора при CDM ЭСР по упрощённой модели и расчёт с применением схемотехнического моделирование имеют расхождение не более 20%.

Моделирование СВМ ЭСР показывает, что массивные медные печатные проводники накапливают дополнительный статический заряд, который при разряде полностью проходит через электронный компонент и создаёт дополнительные перенапряжения и дополнительный ток ЭСР. Порог отказа электронных компонентов при СВМ ЭСР снижается на 50% и более по сравнению с CDM ЭСР и в наихудшем случае может составить менее 100 В. Для

снижения опасности СВМ ЭСР в таких условиях эксплуатации не рекомендуется выполнять медные печатные проводники большой площади, так как при этом увеличивается ёмкость печатной платы, в которой накапливается дополнительный статический заряд. При использовании нанопроводящего диэлектрика ПП 3 полностью устраняется возможность накопления зарядов печатной платой.

Результаты второй главы опубликованы в работах [2], [4-10].

В третьей главе приведено описание разработанной методики и аппаратуры для контактного контроля электростатических потенциалов и зарядов.

На основании расчётов, проведённых во второй главе видно, что даже для таких мощных полупроводниковых приборов, как силовые МДП-тран-зисторы напряжение отказа при СВМ ЭСР может составить менее 100 В. Поэтому в ходе технологического процесса для оценки фактической электромагнитной обстановки важно производить контроль статических потенциалов.

Результатом исследований стала разработка контактного прибора для контроля электростатических потенциалов с применением схемотехники на электронных лампах в обращённом режиме. На разработанный прибор получен патент на полезную модель [23]. Прибор позволяет выявить электризацию ПП, кабелей, технологического оборудования и оснастки.

Типовая схема электрическая принципиальная такого прибора приведе-

Рис. 6. Схема электрическая принципиальная прибора для контактного контроля электростатических потенциалов

3 Абрамешин А. Е. Развитие концепции нанопроводимости диэлектриков в отечественной космической технике // Технологии ЭМС. - 2012. — №3. — С. 29 — 33.

Как видно из схемы, для расширения диапазона входных напряжений по входу прибора включён емкостной делитель, образованный отрезками коаксиального кабеля Ь1 и Ь2. В работах [11, 12] приведено обоснование расчёта такого емкостного делителя. Прибор представляет собой электрометрический вольтметр постоянного тока. Входное сопротивление достигает более 20 ТОм. Предел измерения опытного образца равен 250 В и легко может быть расширен вверх. Чувствительном элементом является электронная лампа в обращённом режиме (триод, управляемый по аноду).

К достоинствам разработанного прибора относится низкая чувствительность к перегрузкам по входной цепи, что позволяет использовать прибор на сборочных участках, в производственных лабораториях. Схема содержит минимальное число элементов и поэтому обладает высокой надёжностью. Прибор может применяться для измерения емкостей по методике разработанной во второй главе [7, 13]

Результаты третьей главы опубликованы в работах [14-19, 23].

В четвёртой главе проведено практическое экспериментальное исследование разработанной во второй главе методики моделирования СВМ ЭСР и описано практическое применение разработанной в третьей главе методики и аппаратуры для контроля электростатических потенциалов.

Для подтверждения результатов моделирования воздействия СБМ ЭСР на печатные узлы, заявленных в главе 2 необходимо произвести тестирование печатных плат на воздействие ЭСР.

Сначала необходимо выяснить действительно ли печатные платы могут накопить заряд, опасный для электронных компонентов. Для этого был проведён контроль электростатического потенциала при помощи измерителя статических потенциалов и зарядов [23] из главы 3.

На рис.7 показан график процесса заряжения и разряда печатной платы при трении о материал упаковки.

Из графика видно, что статический потенциал, накапливаемый печатной платой может достигать почти 200 В. Так как результаты, сообщаемые в зарубежных публикациях подтвердились в результате моделирования, проведённого в главе 2, то такой статический потенциал может уже представлять опасность для электронных компонентов.

Были изготовлены тестовые печатные узлы с установленными на них МДП-транзисторами и для них были произведены тесты на воздействие СВМ ЭСР. Использовались транзисторы ГОРбЮ и имитатор ЭСР собственной разработки. Порог отказа полученный расчётным путём во второй главе также

160

Ш

§140

о

и 100

8

I 80

40

20

20

25

0

5

10

15

Время, с

Рис. 7. Заряжение и разрядка печатной платы в контакте с упаковочной бумагой.

составил 250 В и совпал с экспериментально измеренным порогом отказа МДП-транзисторов. Расхождение результатов тестирования и моделирования составляет менее 5%. Данные зарубежных публикаций подтвердились экспериментально. Можно сделать вывод о том, что разработанная методика воспроизводит физические процессы при СВМ ЭСР корректно.

На основании разработанной методики контроля статических реализована практическая схема контактного измерителя статических потенциалов. Для сопряжения измерителя с персональным компьютером разработана схема гальванической развязки с дифференциальным входом на основе диодных оптопар [3], [20, 21], на которую получен патент на полезную модель

[24]. Контактный измеритель электростатических потенциалов использовался в процессе выполнения НИР по составной части ОКР «Двина — КВТК»

[25] для выявлении электризации проводов, кабелей и жгутов К А в процессе технологического процесса монтажа БКС КА.

На основании упрощённой модели СВМ ЭСР разработано специализированное ПО ЕББ-МОЗРЕТ-сак для расчёта порога отказа МДП-транзисторов при СВМ ЭСР на основании паспортного значения ёмкости затвор-исток, пробивного напряжения подзатворного диэлектрика и площади металлизации ПП, связанной с выводом истока.

Общие выводы

Выводы по результатам исследований могут быть сформулированы следующим образом:

1. Выполнен анализ существующих методов моделирования прямого воздействия ЭСР на РЭА. В настоящее время в отечественных и зарубежных источниках недостаточно освещён вопрос моделирования ЭСР с заряженной печатной платой (СВМ). Актуален вопрос о том, насколько меняется порог отказа электронного компонента при его соединении с печатной платой. В результате анализа современной элементной базы сделан вывод о том, что актуальна разработка метода и аппаратуры для контроля статического потенциала с повышенной устойчивостью к перегрузкам.

2. Создана методика схемотехнического моделирования воздействия СВМ ЭСР на МДП-транзисторы, основанная на замещении физического процесса электростатического разряда эквивалентной электрической схемой и последующим её моделировании, используя ПО общего назначения (моделировщик схем с открытым исходным кодом С^исв). Применяя данный способ, возможно найти пороговое напряжение отказа МДП-транзистора при СВМ ЭСР. Исходными параметрами являются: тип транзистора, пробивное напряжение подзатворного диэлектрика МДП-транзистора и эквивалентная ёмкость системы печатных проводников, соединённых с электродами транзистора. В случае, если модель МДП-транзистора недоступна, может быть использована упрощённая методика расчёта порогового напряжения отказа при СВМ ЭСР. Для автоматизации расчётов разработано специализированное ПО.

3. Выполнена экспериментальная проверка разработанной методики моделирования СВМ ЭСР. Получено полное совпадение рассчитанного порога отказа МДП-транзисторов и полученного в результате СВМ ЭСР тестирования. Моделирование позволяет сократить цикл натурных испытаний с применением разрядных стендов и рассчитать порог отказа электронных компонентов при СВМ ЭСР уже на этапе проектирования.

4. В ходе моделирования и его экспериментальной проверки обнаружено и подтверждено, что порог отказа электронного компонента при СВМ ЭСР существенно снижен. Снижение порога отказа достигает 50% и бсь

лее по сравнению с СБМ ЭСР. При этом полностью подтвердились аналогичные экспериментальные данные, недавно полученные за рубежом (2011 год). В России аналогичные исследования ранее не проводились.

5. Для выявления потенциальной опасности возникновения СВМ ЭСР разработана методика и аппаратура для контроля статических потенциалов [23]. Особенностью разработанной аппаратуры является повышенная устойчивость к перегрузкам по входной цепи. Также решена задача сопряжения данного прибора с АЦП и разработана схема аналоговой гальванической развязки. [24].

6. Опытный образец измерителя используется для контроля остаточного электростатического потенциала на персонале и оборудовании на участке поверхностного монтажа на предприятии ОАО «Калужский электромеханический завод» (ОАО КЭМЗ) в ходе техпроцесса сборки различных радиоэлектронных изделий. Также опытный образец измерителя использовался при выполнении НИР по составной части ОКР «Двина — КВТК» [22, 25] для выявлении электризации проводов, кабелей и жгутов КА в процессе технологического процесса монтажа БКС КА.

Список публикаций по теме диссертации:

Работы, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Кузнецов В. В. Воздействие ЭСР на полупроводниковые компоненты: моделирование схем защиты, методов и средств испытаний // Технологии ЭМС. — 2012. — № 3 (42). — С. 44 - 58. (1,62 п.л.) (в соавторстве с Абра-мешиным А. Е., Галухиным И. А., Кечиевым Л. Н., Назаровым Р. В. авт. вклад 0,5 п.л.)

2. Кузнецов В. В. Исследование стойкости печатных узлов к воздействию электростатического разряда // Технологии ЭМС, — 2013,— № 1 (44).— С. 29-38. (1,04 п.л.) (в соавторстве с Кечиевым Л. Н. авт. вклад 0,6 п.л.)

3. Кузнецов В. В. Усилитель с гальванической развязкой с дифференциальным входом // Технологии ЭМС. - 2012,- № 1 (40).- С. 80 - 83. (0,37 п.л.) (в соавторстве с Кечиевым Л. Н., авт. вклад 0,2 п.л.)

Другие работы, опубликованные автором по теме диссертации:

4. Кузнецов В. В. Моделирование воздействия электростатического разряда на интегральную микросхему в корпусе DIP // V Всероссийские научные Зворыкинские чтения: сб. тез. докл. Всероссийской межвузовской научной конференции. — Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2013,- С. 99 - 102. (0,18 п.л.)

5. Кузнецов В. В. Моделирование воздействия ЭСР на полупроводниковые приборы, установленные на печатных платах // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ. Тезисы докладов. — М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013. - С. 162 - 164. (0,23 п.л.)

6. Кузнецов В. В. Моделирование воздействия на интегральную микросхему электростатического разряда, вызванного полем // Наукоёмкие технологии : Материалы всероссийской НТК. — Т. 1. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. — С. 66 - 70. (0,23 п.л.) (в соавторстве с Кечиевым JI. Н., авт. вклад 0,11 п.л.)

7. Кузнецов В. В. Измерение малых емкостей без воздействия токами радиочастоты // V Всероссийские научные Зворыкинские чтения: сб. тез. докл. Всероссийской межвузовской научной конференции,— Муром: Изд .-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2013.— С. 95 - 96. (0,12 п.л.)

8. Кузнецов В. В. Методика расчёта порога отказа МОП-транзисторов при электростатическом разряде // ИНФО-2013: Материалы международной НТК / Под ред. С. У. Увайсова. - М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013. - С. 212 -213. (0,12 п.л.)

9. Кузнецов В. В. Исследование воздействия ЭСР на МОП-транзисторы, установленные на печатной плате // ИНФО-2013: Материалы международной НТК / Под ред. С. У. Увайсова. - М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2013. -С. 213 - 217. (0,22 п.л.)

10. Кузнецов В. В. К вопросу о снижении порога отказов электронных компонентов при СВМ ЭСР с печатной платой // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ. Тезисы докладов, — М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2014,- С. 182 - 183. (0,2 п.л.)

И. Кузнецов В. В. Один метод контроля электростатических потенциалов для применения в производстве электронной техники // V Всероссийские научные Зворыкинские чтения: сб. тез. докл. Всероссийской межвузовской научной конференции. — Муром: Изд.-полиграфический центр МИ ВлГУ, 2013. - С. 97 - 98. (0,12 п.л.)

12. Кузнецов В. В. Методика контроля электростатического разряда с ис-

пользованием электрометра с емкостным делителем // Наукоёмкие технологии : Материалы всероссийской НТК. — Т. 1. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012, — С. 63 - 66. (0,18 п.л.) (в соавторстве с Кечиевым Л. Н., авт. вклад 0,1 п.л.)

13. Кузнецов В. В. Метод измерения емкостей для моделирования воздействия электростатического разряда на интегральную микросхему // Наукоёмкие технологии : Материалы всероссийской НТК. — Т. 1. — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012,— С. 61 - 63. (0,13 п.л.) (в соавторстве с Кечиевым Л. Н., авт. вклад 0,07 п.л.)

14. Кузнецов В. В. Электрометр на электронных лампах в обращённом режиме // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. - М.: МИЭМ, 2012. - С. 217 - 218. (0,23 п.л.)

15. Кузнецов В. В. Исследование вольт-амперных характеристик ламп в обращённом режиме и в режиме термоэмиссии электронов // НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ. Тезисы докладов. — М.: МИЭМ, 2012,- С. 231 - 232. (0,23 п.л.)

16. Кузнецов В. В. Электрометр с повышенной устойчивостью к перегрузкам // Инновационные информационные технологии : Материалы международной научно-практической конференции / Под ред. С. У. Увайсо-ва. - М.: МИЭМ, 2012. - С. 355 - 357. (0,12 п.л.)

17. Кузнецов В. В. Электрометр с повышенной устойчивостью к перегрузкам // Наукоёмкие технологии : Материалы региональной НТК,— М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. — С. 42 - 46. (0,23 п.л.)

18. Кузнецов В. В. Электрометр на электронных лампах в обращённом режиме // Электромагнитная совместимость и проектирование электронных средств / Под ред. Л. Н. Кечиева. — МИЭМ, 2012. — С. 44 - 50. (0,68 п.л.)

19. Кузнецов В. В. Экспериментальное исследование электронных ламп в обращённом режиме и в режиме термоэмиссии электронов // Электро. магнитная совместимость и проектирование электронных средств / Под ред. Л. Н. Кечиева, - МИЭМ, 2012.- С. 50 - 56. (0,80 п.л.)

20. Кузнецов В. В. Одна схема дифференциального усилителя с гальванической развязкой // Инновационные информационные технологии : Материалы международной научно-практической конференции / Под ред. С. У. Увайсова. - М.: МИЭМ, 2012. - С. 357 - 359. (0,23 п.л.)

21. Кузнецов В. В. Об одной схеме дифференциального усилителя с гальванической развязкой // Наукоёмкие технологии : Материалы региональной НТК. — М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012. - С. 39 - 41.

(0,23 п.л)

22. Кузнецов В. В. Исследование электризации кабелей, жгутов и проводов в ходе технологического процесса монтажа РЭА // Труды Всероссийской НТК «Техно-ЭМС 2013», Москва 19-20 ноября 2013 / Под ред. А. С. Кри-вова.- М.: ЗАО НПФ «Диполь», 2013,- С. 27 - 28. (0.23 п.л.)

23. Кузнецов В. В. Электрометр на электронных лампах в обращённом режиме // Патент на полезную модель №118066 от 10 июля 2012 года.— Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. (0,12 п.л.)

24. Кузнецов В. В. Усилитель с гальванической развязкой // Патент на полезную модель №127555 от 27 апреля 2012 года. — Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. (0,12 п.л.)

25. Испытания образцов кабелей БКС для определения и уменьшения наводок от электростатических разрядов, возможных на этапах подключения БКС к БА, испытаний БА и полёта РБ. Разработка мероприятий по повышению стойкости БА к наводкам в БКС: Отчёт о НИР (окончательный). К104/5-12-2012ТЗ / НИУ ВШЭ. - М.:, 2013.

Лицензия ЛР №020832 от «15» октября 1993 г. Подписано в печать «/¿з> С^Ь 2£>/Цт. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1.

Тираж 120 экз. Заказ № ¿^Типография издательства НИУ ВШЭ, 125319, г. Москва, Кочновский пр-д., д. 3.

ПРАВИТЕЛЬСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Метод обеспечения функциональной надёжности печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов при воздействии электростатических разрядов

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

высшего профессионального образования

«ВЫСШАЯ ШКОЛА ЭКОНОМИКИ»

На правах рукописи

04201458447

Кузнецов Вадим Вадимович

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель д. т. н., профессор Кечиев Леонид Николаевич

Москва - 2014

Содержание

Введение ......................................................................5

Глава 1. Анализ источников по тематике электростатического

разряда и измерения характеристик электростатических полей .....................................12

1.1. Введение...............................12

1.2. Понятие электростатического поля и заряда...........13

1.3. Методы испытаний и модели воздействия ЭСР на РЭА.....15

1.4. Методы защиты электронных компонентов от влияния статического электричества........................23

1.5. Вопросы моделирования процесса ЭСР..............28

1.6. Моделирование элемента защиты от ЭСР.............29

1.7. Методы измерения характеристик электростатических полей. . 31

1.8. Методы калибровки измерителей напряжённости электростатического поля и электростатического потенциала........39

1.9. Цель и задачи работы........................42

Глава 2. Разработка метода моделирования СВМ ЭСР .... 44

2.1. Введение...............................44

2.2. Анализ эквивалентных схем воздействия СЭМ и ЭСР на электронный компонент.........................46

2.3. Разработка метода измерения емкостей, входящих в модель ЭСР при помощи электрометра..................52

2.4. Разработка схемотехнической модели воздействия НВМ и СЭМ ЭСР на полевой транзистор с изолированным затвором .... 54

2.5. Модель воздействия СВМ ЭСР на полевой транзистор с изолированным затвором........................59

2.6. Разработка схемотехнической модели воздействия СЭМ ЭСР

на корпус интегральной микросхемы...............66

2.7. Разработка приближённого метода расчёта перенапряжений

на затворе МДП-транзистора при ЭСР..............73

2.8. Выводы................................76

Глава 3. Разработка метода и аппаратуры для контроля электростатического потенциала.....................78

3.1. Введение...............................78

3.2. Исследование характеристик электронной лампы в обращенном режиме .............................80

3.3. Разработка схемотехники электрометров на основе ламп в обращенном режиме..........................89

3.4. Разработка метода и аппаратуры для контроля электростатического потенциала с применением электрометра и емкостного делителя...............................94

3.5. Выводы................................98

Глава 4. Экспериментальное исследование разработанных методов ....................................100

4.1. Введение...............................100

4.2. Исследование модели воздействия ЭСР на печатные узлы . . . 101

4.3. Измерения формы тока СВМ ЭСР ................107

4.4. Программа Е30-М08ЕЕТ-са1с для приближённого расчёта порога отказа МДП-транзисторов при воздействии ЭСР......108

4.5. Экспериментальная проверка методик контроля электростатического потенциала в условиях приборостроительного предпри-

ятия ..................................110

4.6. Применение разработанного электрометра для исследования электризации кабелей........................120

4.7. Выводы................................133

Заключение..................................134

Литература..................................139

Список научных работ ..........................148

Список докладов на конференциях..................149

Список патентов, отчётов по НИР...................152

Акты внедрения...............................153

Введение

Актуальность работы

Вся радиоэлектронная аппаратура (РЭА), выпускаемая в настоящее время чувствительна к электростатическому разряду (ЭСР). Воздействие ЭСР на современные электронные компоненты может вызывать их необратимое повреждение или скрытые дефекты.

Источниками электризации могут быть как перенос электростатических зарядов со стороны оборудования и персонала для наземной аппаратуры, так и потоки высокоэнергетических заряженных частиц для бортовой аппаратуры космических аппаратов (КА). Источниками разряда могут служить: контакт РЭА с носителями заряда: человеком (НВМ-модель), с оборудованием (MM-модель), или заряженной РЭА с заземлённым оборудованием (CDM модель).

Исследованию ЭСР и моделированию воздействия ЭСР на РЭА посвящены работы Саенко B.C., Пожидаева Е.Д., Кечиева Л.Н., Кириллова В.Ю., Абрамешина А.Е., Марченко М.В., Вострикова A.B., а из зарубежных исследователей: Pommerenke D., Ashton R., Sowariraj M.S.B., Colnar J., Trotman J., Bönisch S.

Документ ESDA [44] вводит в рассмотрение новый источник разряда — ЭСР от заряженной печатной платы (СВМ модель — charged board model). Рассмотрение данного вопроса началось только в 2007-2008 годах, точные данные по СВМ ЭСР отсутствуют, и исследования в данном направлении являются актуальными. Актуальной является разработка методов моделирования данного вида ЭСР.

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 повышение качества изготовления бортовой аппаратуры КА. Разработка научных и технических основ проектирования, конструирования, технологии производства, испытания и сертификации производимой бортовой аппаратуры КА к воздействию ЭСР и повышение качества данной аппаратуры относятся к приоритетным задачам развития промышленности [74], и избранная тема диссертации является актуальной.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является повышение устойчивости радиоэлектронной аппаратуры к поражающим факторам электризации за счёт выявления влияния характеристик печатного монтажа на порог отказа электронных компонентов при ЭСР и принятия мер по предотвращению ЭСР.

Научная новизна

1. В результате расчётов установлено и в экспериментально подтверждено, что порог отказа электронного компонента при СВМ ЭСР (напряжение ЭСР после при котором компонент отказывает) составляет 50% и менее от порога отказа при СЭМ ЭСР. Эксперименты и моделирование, выполненные по оригинальной методике, независимо подтвердили результаты ранее опубликованных экспериментальных исследований [8].

2. Создана методика моделирования воздействия электростатического разряда по модели заряженного компонента на печатные узлы, состоящая в представлении объекта воздействия ЭСР в виде эквивалентной электрической схемы и последующем её моделировании с помощью программного обеспечения (ПО) для схемотехнического моделирования. По известным параметрам ПП и электронного компонента можно рассчитать порог отказа при СВМ ЭСР.

3. Для экспериментальной проверки созданной методики моделирования ЭСР разработан стенд и выполнены сравнительные исследования результатов расчётов и экспериментов. Произведён сравнительный анализ полученных экспериментальных данных с данными зарубежных источников.

Практическая значимость

1. Разработанная методика схемотехнического моделирования воздействия ЭСР на МОП-транзисторы с использованием ПО с открытым исходным кодом С^исв имеет применение для выявления чувствительности печатных узлов различных изделий спецтехники к ЭСР на этапе разработки

КД.

2. На основе разработанной модели СВМ ЭСР выработаны рекомендации по рациональному конструированию ПП для условий эксплуатации, где имеется опасность накопления заряда ПП.

3. На основе созданной методики контроля электростатических потенциалов разработана практическая схема контактного прибора для контроля электростатических потенциалов, на которую получен патент на полезную модель №118066 [66]. Данное средство контроля внедрено в техпроцесс монтажа РЭА.

4. Решена задача сопряжения электрометра с устройствами обработки данных и разработана оригинальная схема гальванической развязки, на которую получен патент на полезную модель №127555 [65].

5. В ходе исследований показана возможность применения ПО с открытым исходным кодом для решения научных и инженерных задач: моделирования, обработки данных эксперимента и т.п. Для моделирования

используется ПО Qucs, для обработки результатов эксперимента — система численных расчётов Octave, для разработки ПО — набор библиотек С++ Qt4, для подготовки текстовых документов — система вёрстки

шех.

6. В ходе исследований в исходный код ПО Qucs были внесены изменения для оптимизации его использования в учебном и исследовательском процессе. Изменения приняты в текущую выпускаемую версию ПО.

Положения, выносимые на защиту:

1. Для расчёта порога отказа электронных компонентов при СВМ ЭСР достаточно представить объект воздействия ЭСР (печатный узел) в виде эквивалентной электрической схемы с сосредоточенными параметрами (эквивалентная индуктивность и ёмкость). Возможен автоматизированный расчёт переходного процесса в данной эквивалентной схеме при помощи ПО для схемотехнического моделирования общего назначения.

2. Порог отказа МДП-транзисторов при СВМ ЭСР снижается на 50% и более по сравнению с порогом отказа при CDM ЭСР. Снижение порога отказа подтверждается результатами экспериментов и моделирования. Степень снижения порога отказа определяется эквивалентной ёмкостью печатного монтажа.

3. Экспериментально установлено, что печатные платы могут накопить статический заряд достаточный, чтобы вызвать СВМ ЭСР при контакте платы с заземлённым объектом и отказ электронных компонентов, установленных на плате.

Реализация и внедрение результатов работы Результаты проведённых исследований внедрены в производство изделий аппаратуры связи

специального назначения на предприятии ОАО «Калужский электромеханический завод», г. Калуга.

Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для повышения надёжности печатных узлов. Экономический эффект состоит в том, что моделирование воздействия ЭСР на печатные узлы и электронные компоненты, позволит сократить цикл натурных испытаний изделий электронной техники на воздействие ЭСР и исключить уже на этапе разработки КД конструктивные решения, которые снижают стойкость изделия к воздействию ЭСР. В процессе исследований был разработан и запатентован прибор для контроля электростатических потенциалов с повышенной устойчивость к перегрузкам.

Данное средство контроля было использовано для выявления электризации кабелей, проводов и жгутов при монтаже бортовой РЭА К А при выполнении НИР по составной части ОКР «Двина — КВТК».

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях:

1. Научно-техническая конференция (НТК) студентов, аспирантов и молодых специалистов, посвящённая 50-летию МИЭМ, 2012 год, г. Москва.

2. Международная НТК: «Инновационные информационные технологии», 2012 год, г. Прага.

3. Региональная НТК студентов, аспирантов и молодых учёных «Наукоёмкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе», 2012 год, г. Калуга.

4. Всероссийская НТК «Наукоёмкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе», 2012 год, г. Ка-

луга.

5. Вторая всероссийская НТК «Системы управления беспилотными космическим и атмосферными летательными аппаратами», г.Москва, МОКБ «Марс», 2012 год.

6. Конференция «Зворыкинские чтения», г. Муром, 2013 год.

7. НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ

- 2013, г. Москва.

8. Всероссийская НТК «Наукоёмкие технологии в приборо- и машиностроении и развитие инновационной деятельности в вузе», 2013 год, г. Калуга.

9. Конференция ИНФО-2013, г.Сочи, 2013 год.

10. Конференция «Техно ЭМС», г. Москва, 2013 год.

11. НТК студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ НИУ ВШЭ

— 2014, диплом за лучшую аспирантскую научную работу.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 24 печатных работах, из них 3 статьи в изданиях из перечня ВАК. Общий объём публикаций 7,73 печатных листов, из которых личный вклад автора 5,86 печатных листов.

Личный вклад автора Личный вклад автора состоит в разработке и анализе эквивалентной схемы СВМ электростатического разряда, разработке методики моделирования данного типа ЭСР, в постановке экспериментальных работ и обработке результатов экспериментов. Автором предложено оригинальное средство контроля электростатических потенциалов.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 147 стра-

ниц, включая 65 рисунков. Библиография включает 80 наименований на 8 страницах.

Глава 1

Анализ источников по тематике электростатического разряда и измерения характеристик электростатических полей

1.1. Введение

С повышением степени интеграции электронных компонентов чувствительность электроники к статическому электричеству будет повышаться. На рис. 1.1 показан график прогноза чувствительности электронных компонентов к электростатическому потенциалу [16].

100

100

2004

2007

2009 2012

Годы

2015

2018

Ж и

Ш

аГ с; о с

и

0

1

I *

а; о_ с го I

Размер элемента, нм

Напряжённость поля В/см

Рис. 1.1. Прогноз чувствительности электронных компонентов к напряжённости электростатического поля

Как видно из графиков, с повышением степени интеграции чувствитель-

ность электронных компонентов к электростатическим полям будет возрастать с каждым годом. Поэтому контроль статического электричества на предприятиях, производящих радиоэлектронную аппаратуру представляет важную задачу.

При различных исследованиях электростатического разряда бывают необходимы измерения характеристик электростатических полей. Например такие измерения позволяют выявить материалы, наиболее склонные к электризации, сравнить материалы по степени склонности к электризации, выбрать место установки нейтрализаторов электростатического заряда, оценить время стекания зарядов [60, 64]. Также принципы, сходные с используемыми при измерения электростатических потенциалов используются и при измерении проводимости воздуха при испытании установок для ионизации [20]. По данной причине важна разработка методик и аппаратуры контроля характеристик электростатических полей для приборостроительных предприятий.

Целью обзора, который необходимо провести в первой главе, является рассмотрение имеющихся на настоящий момент публикаций по тематике воздействия ЭСР на радиоэлектронную аппаратуру, выполненную на базе полупроводниковых приборов. Также будут рассмотрены существующие методики моделирования воздействия ЭСР на РЭА, методы и аппаратура для проведения контроля параметров статического электричества.

1.2. Понятие электростатического поля и заряда

В дальнейшем мы будем рассматривать статические, то есть неподвижные заряды и статические, не меняющиеся со временем электрические поля. Будем считать, что перемещения зарядов отсутствует и силы, действующие на заряды целиком определяются взаимным расположением зарядов. Перемещения зарядов мы будем считать бесконечно медленными, т.е. настолько

медленными, чтобы силы взаимодействия можно было предполагать практически не зависящими от скорости движения зарядов.

Электрический заряд измеряется в Кулонах, Кл. Наименьшим электрическим зарядом является заряд электрона, равный —1,6- 10~19 Кл.

В технике обычно электростатический заряд характеризуется через электростатический потенциал объекта ф. Он связан с зарядом д через ёмкость объекта С. Потенциал измеряется в вольтах, В. Емкость измеряется в фарадах, Ф.

Ф = д-С (1.1)

Электрические заряды взаимодействуют друг с другом. Носителем взаимодействия зарядов является связанное с зарядами электростатическое поле. Не существует электростатических полей, не связанных с зарядами, и не существует электрических зарядов, не окружённых полем.

Численной характеристикой электростатического поля является напряжённость поля Е. Она определяется через силу Е воздействующую в данной точке поля на пробный заряд д [77]:

Единицей напряжённости поля является вольт на метр, В/м. Напряжённость поля Е — векторная величина. В технике часто рассматривают модуль вектора напряжённости поля Е.

Электростатическое поле является частым случаем электромагнитного поля и может быть рассчитано с использованием уравнений Максвелла [18].

В электронной промышленности основным путём образования статических зарядов является электризация трением [14, 28, 60, 80]. Образование зарядов происходит при контактировании и разделении разнородных материалов. Так например накопление статического заряда происходит при ходь-

бе человека по полу или при скольжении электронных компонентов по поверхности контейнера. Электризация сводится к тому, что по�