Сравнение различных процедур проверки воздействия электростатического разряда. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2012

Dwight Byrd и Thomas Kugelstadt, Texas Instruments

EDN

Существуют различные стандартные методы проверки устойчивости аппаратуры к электростатическому разряду. А какой метод используете вы при испытаниях своей конструкции…

Электростатический разряд (ЭСР) – внезапное возникновение кратковременного тока, протекающего между двумя объектами с разными электрическими потенциалами. Он вызывает повреждение оборудования, приводя к производственным потерям, измеряемым миллиардами долларов ежегодно. Производитель любой электроники, от портативной потребительской до систем управления промышленными процессами и приложений военной и космической сфер, должен учитывать влияние ЭСР при проектировании своего оборудования. Существует множество стандартов проверки на устойчивость к ЭСР, удовлетворяющих многообразным техническим требованиям различных сегментов электронной индустрии.

Чтобы помочь выбрать нужный метод испытаний для вашего проекта, необходимо разобраться в основных стандартах проверки на устойчивость к ЭСР и различиях между проверкой на уровне устройства и проверкой на уровне системы. Защита от ЭСР включает в себя набор схем, основанных преимущественно на диодных матрицах, ограничительных диодах и стабилитронах. Независимо от того, какая схема будет выбрана, вы должны провести заключительную проверку на электромагнитную совместимость и проверку работоспособности самой схемы защиты.

Модель человеческого тела (HBM)

Метод испытаний на уровне устройства, основанный на модели человечекого тела (human-body-model – HBM) распространен наиболее широко. Он используется для оценки восприимчивости к ЭСР электронного компонента. Тест воспроизводит электрический разряд между человеком и электронным компонентом, который может произойти при прикосновении к устройству, если человек накопил остаточный заряд, например, при ходьбе в носках по ковру. Отказы микросхем при таком тестировании проявляются в пробое переходов, проникновении металла, расплавлении металлических слоев, проколе проводников и повреждении оксидных слоев.

Для тестирования конденсатор емкостью 100 пФ заряжают от источника высокого напряжения через резистор 1 МОм. После того, как конденсатор полностью зарядится, с помощью ключа его переключает от высоковольтного источника с последовательным резистором на схему с резистором 1.5 кОм и проверяемым устройством. Таким образом, напряжение будет полностью разряжено через резистор и устройство (Рисунок 1). Значение высокого напряжения, в зависимости от уровня теста, может варьироваться в пределах от 0.5 до 15 кВ.

Рисунок 1.	Тест уровня устройства HBM является наиболее распространенной моделью при проверке устойчивости к ЭСР. Его используют для оценки влияния ЭСР на повреждения электронного компонента.

На Рисунке 2 показана типичная осциллограмма с начальным броском тока порядка 1.5 А, и экспоненциальным разрядом конденсатора, ток через который асимптотически достигает 0 А примерно за 500 нс. При типичном тесте HBM одиночным разрядом на проверяемом устройстве может выделяться максимальная мощность до 22.5 кВт. Помните, что мощность равна произведению тока на напряжение.

Рисунок 2.	Типичная осциллограмма с начальным броском тока порядка 1.5 А, и экспоненциальным разрядом конденсатора, ток через который асимптотически достигает 0 А примерно за 500 нс.

Машинная модель (MM)

Тест уровня устройства, основанный на машиной модели (machine-model – MM), появившийся в 1990-х годах, сегодня распространен меньше, чем HBM. В связи с ростам производства продукции в 1990-х начали приобретать все большую популярность автоматизированные промышленные комплексы. Эти машины накапливали электрический заряд после включения и при соприкосновении разряжались на электронные компоненты. Так MM тестирование стало моделью для проверки на устойчивость к ЭСР, вызываемым механическими устройствами. Эффекты отказов здесь те же самые, что и при тестах HBM, то есть повреждение соединений, расплав металлических слоев, повреждение оксидной изоляции.

В данной процедуре проверки источник высокого напряжения соединяется последовательно с резистором и конденсатором емкостью 200 пФ. После полного заряда конденсатора ключ подключает его к проверяемому устройству через резистор и индуктивность 0.5 мкГн. Заряд конденсатора через индуктивность рассеется на устройстве (Рисунок 3). Напряжение высоковольтного источника может быть различным, но обычно выбирается из диапазона от 50 до 400 В.

Рисунок 3.	В тесте MM источник высокого напряжения соединяется последовательно с резистором и конденсатором емкостью 200 пФ.

Если посмотреть на осциллограмму тока (Рисунок 4), можно увидеть, что в RLC цепи возникает переменный ток, достигающий в пиках примерно ±3 А, что почти в четыре раза превышает пиковый ток в тесте HBM. Кроме того, как видно из Рисунка 4, спад тока происходит значительно медленнее: время, за которое ток затухает до нуля равно примерно 900 нс. Максимальная мощность, выделяющаяся в тесте MM, приближается к 1.2 кВт.

Рисунок 4.	Как видно из осциллограммы, в RLC цепи возникает переменный ток.

Тест MM используется тогда, когда необходимо индивидуально испытать на соответствие стандарту каждый вывод микросхемы. Микросхема устанавливается на специальную плату, подключенную к автоматическому ЭСР тестеру. Все выводы, кроме одного, подлежащего проверке в данный момент времени, заземляются. Эта процедура повторяется для каждого вывода.

Модель заряженного устройства (CDM)

Тест уровня устройства, использующий модель заряженного устройства (charged-device-mode – CDM), имитирует ситуацию, часто возникающую в автоматизированном оборудовании, где во включенных долгое время машинах на микросхемах могут накапливаются заряды. Когда какая-нибудь часть приходит в соприкосновение с заземленным проводником, накопленный заряд разряжается. При тесте CDM проверяемая микросхема размещается на испытательной металлической поверхности обратной стороной кверху. Металлическая поверхность отделяется от микросхемы изоляционным материалом, в результате чего два объекта образуют конденсатор. Затем металлическую поверхность соединяют с источником высокого напряжения и увеличивают напряжение до уровня, требуемого для данного вида испытаний. К проверяемому выводу подносят щуп, через который происходит разряд, во время которого измеряется протекающий через «землю ток». Этот тест повторяют для каждого вывода при трех положительных и трех отрицательных импульсах. В итоге, каждый вывод должен испытать шесть разрядов (Рисунок 5).

Рисунок 5.	Металлическая поверхность отделяется от микросхемы изоляционным материалом, в результате чего два объекта образуют конденсатор. Затем металлическую поверхность соединяют с источником высокого напряжения и увеличивают напряжение до уровня, требуемого для данного вида испытаний.

Как видно из Рисунка 6, разряд длится не более 2 нс, что делает тест CDM сложным в реализации и моделировании. В результате ток нарастает до 5…6 А, разряжаясь менее чем за 1 нс. Участок спада тока имеет протяженность порядка 5 нс, отчего провести на нем измерения непросто. Возникающие неисправности, наблюдаемые при CDM тестах, типичны для кратковременных воздействий. Это пробой оксидного слоя затвора, захват заряда и пробой p-n перехода. На Рисунке 6 показана форма тока при тесте CDM.

Рисунок 6.	В тесте CDM разряд длится не более 2 нс, что делает этот тест сложным в реализации и моделировании. Ток достигает в импульсе 5…6 А.

Тесты HBM, ММ и CDM являются наиболее распространенными процедурами проверки электронных компонентов на уровне устройства. Таблица 1 отражает их сходства и различия.

 Окончание следует