В высокоскоростных, прецизионных микросхемах (например, в биполярных операционных усилителях с токами смещения от 10пА и напряжением смещения от 50мкВ) ЭСР становится причиной деградации кристалла, последующих ошибок в функционировании или отказа. Из-за постепенной деградации кристалла происходит снижение производительности и надежности устройств. Это более сложный процесс, чем предыдущие два. Параметрическая деградация усиливается с увеличением количества электростатических разрядов. Первый разряд может не привести к выходу из строя или ухудшению параметров, заявленных производителем. Но, с каждым последующим импульсом основные характеристики микросхемы будут ухудшаться до тех пор, пока не перестанут удовлетворять заявленным, то есть устройство будет признано негодным. На сегодняшний день это наименее исследованный механизм и наиболее важный, так как начало его протекает без каких-либо внешних проявлений, деградация имеет эффект накопления и функциональный отказ может произойти неожиданно для пользователя.
Здесь описаны воздействия именно на полупроводниковые приборы, поскольку воздействия на другие приборы схожи по механизму, но, как правило, имеют менее значительные последствия. Кроме того, воздействие на полупроводниковые приборы, в конечном счете, приводит к выходу из строя устройства в целом.
Методы испытаний
На сегодняшний день методы испытаний на устойчивость к воздействию электростатических разрядов сводятся к имитации напряжений и токов разрядов с помощью специального генератора электростатических разрядов. На рис. 4. представлена эквивалентная схема типичного генератора ЭСР.
Рис. 4. Эквивалентная схема типичного генератора ЭСР
R1 – зарядная емкость, R2 – разрядная емкость, определяющая ток разряда, С1 – зарядно-разрядная емкость, S1 – подключение источника высокого напряжения для заряда цепи, S2 – подключение разрядного наконечника к цепи.
Разрядная цепь делается сменной, это могут быть модули или отдельные сменные элементы. Таким образом, появляется возможность имитировать различные источники ЭСР, отличающиеся друг от друга величиной тока и формой импульса.
Испытательная лаборатория ЭМС ЗАО «ТЕСТПРИБОР» при проведении испытаний на устойчивость к ЭСР использует аттестованную «Систему испытаний на устойчивость к электростатическим разрядам». Это комплекс, состоящий из генератора электростатических разрядов, пластины связи, набора разрядных наконечников, модулей с различными разрядными цепями, устройств калибровки.
Рис. 5. Система испытаний на устойчивость к электростатическим разрядам
|
Для проведения испытаний настольного технического средства его необходимо установить на диэлектрической изолирующей подложке толщиной 0.5 мм на металлической плоскости (горизонтальной пластине связи), находящейся на диэлектрическом столе. Горизонтальная пластина связи соединяется с заземлением через резистор 470 кОм. Изделие соединяется с системой защитного заземления, в соответствии с требованиями по эксплуатации, дополнительные соединения с заземлением не допускаются. Производится выбор точек воздействия, это должны быть места возможного контакта с оператором (разъемы, клавиши, рукоятки и др.), точки на металлических частях корпуса, щели, отверстия, решетки корпуса, индикаторы, экраны. После включения изделия и проверки его функционирования производятся испытательные разряды в выбранные точки прямым способом, и непрямые разряды в пластину связи. Количество разрядов – не менее 10 в каждую точку. Начинают разряды с напряжения в 1кВ и последовательно увеличивают его до требуемого значения (до 30 кВ в гражданских ГОСТ и выше в военных ГОСТ). Изделие должно функционировать без сбоев во время проведения испытаний и после них.
Подобные испытания имитируют практически все пути проникновения воздействующих факторов ЭСР, возникающих при эксплуатации изделий. Защите подлежат все цепи, через которые на которые так или иначе может воздействовать ЭСР: входные цепи, цепи, расположенные близко к вентиляционным отверстиям, цепи питания.
Методы защиты
Для защиты от электростатических разрядов необходимо применять комплексный подход, направленный как на предотвращение накопления электростатического потенциала, так и на меры по предотвращению воздействия поражающих факторов произошедшего электростатического разряда. Защита от накопления заряда обеспечивается рассеиванием возникающих электростатических зарядов путем увеличения проводимости материалов и окружающей среды. Предотвращение накопления электростатического потенциала относится ко всему циклу производства изделий военного назначения (подробно описано в соответствующих руководящих документах и поэтому не будет подробно рассматриваться в данной статье). Далее рассмотрены конструктивные и схемотехнические методы защиты, которые необходимо применять в готовых изделиях и комплексах, подверженных воздействию электростатических разрядов в процессе эксплуатации.
Конструктивные методы
Конструктивные методы защиты сводятся к созданию проводящей заземленной поверхности, полностью закрывающей высокочувствительную схему. Вентиляционные отверстия, если они необходимы, нужно дополнительно перекрывать металлической заземленной сеткой с мелкими, до 1 мм ячейками, если это сделать невозможно, необходимо как можно дальше отнести высокочувствительные элементы схемы и проводники, по которым напряжение разряда может достигнуть защищаемые компоненты (как можно дальше – не менее чем на 30-40 мм). Если обеспечить такое расстояние невозможно, то необходимо применить дополнительное внутренне экранирование чувствительных элементов. Необходимо помнить, что при разряде в металлический корпус или другие заземленные предметы возможно воздействие электромагнитными полями от протекающих по корпусам токов, а так же вторичный разряд внутри корпуса. Вторичный разряд на печатные платы, расположенные внутри заземленного корпуса, может произойти из-за наличия паразитной емкостной связи между корпусом и внутренними элементами, а так же паразитной индуктивности проводников, соединяющих плату и корпус. Отсюда следующие практические правила:
· Необходимо соединять полигон заземления печатной платы с экранирующим корпусом через как можно меньшие интервалы для уменьшения паразитной индуктивности заземления. В этом случае напряжение ЭСР произошедшего на корпус будет быстро выравниваться с потенциалом земли, разница напряжений между корпусом и элементами внутри него будет низка, и переходные токи так же будут низкими.
· Дополнительно экранировать чувствительные цепи или микросхемы небольшими монтируемыми на печатную плату металлическими экранами, заземленными на ближайший полигон земли печатной платы. Эти экраны могут рассматриваться как «перехватчики» паразитной емкостной связи между корпусом и компонентами печатной платы и замыкать паразитные переходные токи на землю, принося меньше вреда защищаемым компонентам.
Как видно, конструктивные методы защиты в целом схожи с методами защиты от радиочастотных полей, но есть одно принципиальное отличие. Для создания эффективного экрана от электростатических полей и разрядов достаточно создать корпус с проводимостью от 1*104 Ом/см. Однако такого экрана совершенно недостаточно для эффективного экранирования от электромагнитных и магнитных полей в широком диапазоне частот (полное сопротивление на землю для таких экранов должно составлять не более 1 Ом/см во всем диапазоне частот, а для экранирования от магнитных полей необходимы ферромагнетики или магнитомягкие материалы). Таким образом, если у вашего изделия уже выполнено эффективное электромагнитное экранирование во всем диапазоне частот, то и от ЭСР вы защищены тоже. Напротив, имея экран с высоким сопротивлением только от электростатических разрядов, вы не имеете эффективного экранирования от постоянных магнитных полей и высокочастотных электромагнитных полей.
Схемотехнические методы
Несмотря на эффективность конструктивных методов, они применимы не всегда и не ко всем цепям. Например, входные разъемы интерфейсов всегда остаются подвержены прямому разряду прямо в линии данных. А поскольку большинство даже современных микросхем (в том числе со встроенной защитой от ЭСР) плохо защищены от прямого разряда на свои выводы, необходимо применять схемотехнические методы, ограничивающие токи и напряжения ЭСР.