Электромагнитная совместимость РЭА.  Электростатические разряды

PDF версия
С уменьшением размеров микросхем, увеличением скоростей передачи данных и сокращением потребляемой мощности растет чувствительность изделий микроэлектроники к электромагнитным воздействиям. На сегодня для особо чувствительных элементов фатальными могут оказаться всплески напряжения уже от 50 В. При воздействии электростатических разрядов на изделие такие и более высокие перенапряжения возникают на выводах микросхем и без должных мер защиты способны привести к деградации кристаллов микросхем или полному выходу их из строя. По некоторым оценкам, ежегодные потери промышленности от влияния электростатических разрядов (ЭСР) доходят до нескольких миллиардов долларов. Таким образом, очень важным представляется освещение вопросов возникновения ЭСР, воздействующих факторов, методов испытаний и, самое главное, методов защиты от ЭСР, в том числе для законченных изделий.

Возникновение зарядов

Различают три пути накопления электростатических зарядов: трибоэлектрический, индуктивный, емкостный. Величина заряда и параметры последующего разряда зависят от ряда факторов: диэлектрической проницаемости и размеров материала, характеристик поверхности и параметров среды, в которой происходит разряд.

Трибоэлектрический заряд возникает при трении двух материалов друг о друга, один из которых или оба являются диэлектриками. При этом один из материалов, отдавая электроны, заряжается положительно, а другой, принимая электроны, — отрицательно. Например, при низкой влажности воздуха тело человека способно при трении об одежду накапливать потенциал до 35 кВ (таблица).

Таблица. Величина электростатического потенциала при различных условиях его накопления

Некоторые типичные ситуации, при которых накапливается электростатический потенциал и его величина, %

Относительная
влажность воздуха

10–20

70–80

Хождение по ковру, кВ

35

1,5

Хождение по линолеуму, кВ

12

0,3

Подъем пластикового пакета, кВ

15

0,5

Сдвигание пластиковой коробки по поверхности, кВ

15

2

Использование незаземленного оловоотсоса, кВ

8

1

Использование пластикового шкафа, кВ

8

1

Индуктивный путь появления электростатического заряда — передача или перераспределение зарядов при сближении тел (предметов), одно из которых уже имеет электростатический потенциал. При этом если разность потенциалов тел достаточно велика (приемник разряда заземлен), произойдет электростатический разряд.

Емкостный путь появления электростатического заряда подразумевает, что емкость заряженного тела относительно другого тела также имеет эффект статического поля. Как известно, заряд равен емкости, умноженной на напряжение, — Q = CV. Из этой формулы следует, что если заряд постоянен, то напряжение увеличивается при уменьшении емкости и растет до тех пор, пока не произойдет разряд. Низкое напряжение заряда на предмете и высокая емкость на «землю» могут привести к катастрофическому увеличению напряжения при удалении предмета от плоскости заземления (уменьшения емкости между плоскостью заземления и предметом). Например, заряд с напряжением 100 В на обычном пластиковом пакете, лежащем на диэлектрическом столе, может возрасти до нескольких тысяч вольт при поднятии его оператором над плоскостью заземления. Такие ситуации возникают на производстве повсеместно.

 

Механизмы воздействия

Пробой диэлектрика

Пробой диэлектрика является основной причиной отказов микросхем. При превышении электростатическим разрядом пробивного напряжения диэлектрика происходит пробой. Пробой возникает как в МДП-, так и в биполярных структурах, когда через активную область транзистора проходит металлизация, отделенная тонким слоем оксида. Чувствительность к электростатическим разрядам тем выше, чем меньше толщина диэлектрика. В результате пробоя диэлектрик разрушается — появляется паразитная проводимость в месте удара (рис. 1–3).

Разрушение металлизации

Рис. 1. Разрушение металлизации

Разрушение диэлектрика

Рис. 2. Разрушение диэлектрика

Появление перемычки на металлизации биполярной структуры

Рис. 3. Появление перемычки на металлизации биполярной структуры

Температурное разрушение

Даже когда напряжение разряда недостаточно для того, чтобы произошел пробой диэлектрика, мощности разряда может хватить для локального разогрева кристалла до температуры плавления кремния (1415 °C) и выше, тогда произойдет локальное плавление полупроводника. Разрушение перехода эмиттер-база в n‑p‑n‑транзисторе часто связано именно с воздействием ЭСР.

Высокая плотность тока в ограниченной области высокой проводимости база-эмиттер приводит к локальному перегреву и последующей деградации p‑n‑перехода.

Параметрическая деградация

В высокоскоростных, прецизионных микросхемах (например, в биполярных операционных усилителях с токами смещения от 10 пА и напряжением смещения от 50 мкВ) 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 ухудшаются до тех пор, пока не перестанут удовлетворять заявленным, то есть устройство будет признано негодным. На сегодня 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 сегодня 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.

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», которая проводит тестирования на устойчивость к ЭСР, использует аттестованную систему испытаний на устойчивость к электростатическим разрядам (рис. 5). Это комплекс, состоящий из генератора электростатических разрядов, пластины связи, набора разрядных наконечников, модулей с различными разрядными цепями, устройств калибровки.

Система испытаний на устойчивость к электростатическим разрядам

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 1 кВ и последовательно увеличивают его до требуемого значения (до 30 кВ в гражданских ГОСТах и выше в военных ГОСТах). Во время и после тестирований изделие должно функционировать без сбоев.

Подобные испытания имитируют практически все пути проникновения воздействующих факторов ЭСР, возникающих при эксплуатации изделий. Защите подлежат все цепи, через 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, предусматривающий как предотвращение накопления электростатического потенциала, так и принятие заблаговременных мер, позволяющих избежать 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 (это описано в соответствующих руководящих документах, а потому не будет подробно анализироваться 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 нельзя, то следует максимально (не менее чем на 30–40 мм) отнести высокочувствительные элементы схемы и проводники, по которым напряжение разряда может достигнуть защищаемых компонентов. Если же для обеспечения такого расстояния нет условий, то необходимо применить дополнительное внутреннее экранирование чувствительных элементов. Надо помнить, что при разряде в металлический корпус или другие заземленные предметы возможно воздействие электромагнитными полями от протекающих по корпусам токов, а также 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 также 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, чтобы уменьшить паразитную индуктивность 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 также 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 со способами защиты от радиочастотных полей, но есть одно принципиальное отличие. Для формирования эффективного экрана, защищающего от электростатических полей и разрядов, можно 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 требуются 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 получите эффективного экранирования от постоянных магнитных полей и высокочастотных электромагнитных полей.

Схемотехнические методы

Несмотря на эффективность конструктивных методов, они применимы не во всех случаях и не ко всем цепям. Например, входные разъемы интерфейсов всегда остаются подвержены прямому разряду непосредственно 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, следует применять схемотехнические методы, ограничивающие токи и напряжения ЭСР.

Увеличение импеданса в сигнальных линиях

В цепях медленных внешних интерфейсов, таких как RS‑232, для ограничения токов ЭСР необходимо устанавливать последовательное сопротивление, или дроссель (его можно заменить ферритовым кольцом, в которое продеты один-два витка проводника). Большинство резисторов и дросселей не рассчитано на применение при воздействии напряжений и энергий ЭСР, поэтому для предотвращения пробоя одиночных резисторов или катушек их требуется устанавливать несколько, друг за другом. В этом случае увеличивается общее пробивное напряжение и общая энергия, которую способна рассеять данная сборка. Однако значения резисторов или катушек индуктивности могут оказаться настолько большими, что работа защищаемой линии передачи будет невозможна. Особенно это актуально для высокоскоростных линий передачи данных.

Использование поглотителей переходных процессов

Одним из решений для высокоскоростных линий передачи данных считаются Transient Voltage Suppressors (TVSs) — поглотители переходных процессов (как правило, это специальные стабилитроны или варисторы). TVS устанавливаются между защищаемым проводником и полигоном «земли» (0 В). Важно помнить, что для правильной работы TVS необходимо, чтобы соединение как с полигоном «земли», так и с защищаемым проводником имело максимально возможную низкую паразитную последовательную индуктивность. Заземляющий провод-ник, по которому потечет ток ЭСР от места присоединения TVS до внешнего заземления, должен быть способен пропустить весь ток ЭСР и не пролегать вблизи чувствительных элементов, которые могут быть повреждены электромагнитными полями от протекающих токов.

На сегодня ведущие мировые производители полупроводниковых компонентов выпускают широкий спектр поглотителей переходных процессов от ЭСР, встречаются как готовые решения для отдельных стандартных интерфейсов (например, TPD4S014 компании Texas Instruments), так и дискретные компоненты (в частности, RClamp0521Z компании Semtech). При выборе компонентов для защиты высокоскоростных цепей необходимо помнить о паразитной емкости, которую неизбежно вносят стабилитроны или диоды, а также о токах утечки через запертый p‑n‑переход.

 

Фильтры нижних частот

Установив RC- или LC-фильтр, можно обеспечить отличную защиту линии от прямого ЭСР (рис. 6).

Схема с использованием фильтра нижних частот

Рис. 6. Схема с использованием фильтра нижних частот

Конденсатор в цепи делит напряжение с емкостью в источнике ЭСР (например, при испытаниях используется разрядная цепь, включающая 330 пФ). Тогда 1‑нФ конденсатор уменьшит напряжение с 8 кВ до 1000 В, 10‑нФ — до 120 В, а 100‑нФ — уже до 12 В. Добавив резистор или катушку индуктивности, уменьшим токи, протекающие через конденсатор. Резистор в 1 кОм ограничит ток значением 8 А (при ЭСР 8 кВ), 10 кОм — 800 мА, а 100 кОм — до 80 мА. Такие уровни вполне приемлемы для большинства микросхем. Но подобная RC-цепочка обладает очень большой постоянной времени, кроме того, резистор и конденсатор должны быть рассчитаны на работу при напряжениях в несколько киловольт. Оптимальным решением является использование ее после TVS, понижающего напряжение до десятков вольт, а RC-цепочка, которую уже можно будет составлять из обычных компонентов, уменьшит напряжение и токи до желаемых уровней.

Такое решение хорошо работает в низкочастотных цепях и не подходит для высокоскоростных линий передачи данных. Для высокоскоростных линий необходимо применять синфазные дроссели.

 

Использование синфазных дросселей

Синфазные дроссели для дифференциального тока (сигнала) работают как простой проводник, а для синфазного тока (шума) — как индуктивность (рис. 7, 8). Эти дроссели практически не влияют на высокоскоростные сигналы и обладают большим сопротивлением для синфазных помех. Например, компания MURATA выпускает синфазный дроссель DLP11R размером 1,5×1 мм, который имеет импеданс на частоте 11 МГц 10 Ом для синфазных сигналов и 2 Ом для дифференциальных.

Схема с использованием синфазного дросселя

Рис. 7. Схема с использованием синфазного дросселя

Схема с использованием синфазного дросселя совместно с конденсаторами

Рис. 8. Схема с использованием синфазного дросселя совместно с конденсаторами

Еще большего подавления помех можно достигнуть с помощью конденсаторов, подключенных к полигону «земли».

Необходимо лишь помнить, что с увеличением емкости конденсаторов будет понижаться предельная частота работы линии передачи.

Кроме схемотехнических методов, которые предохраняют от уничтожения сами микросхемы, следует применять программные методы коррекции ошибок в передаче данных, потому что схемотехнические методы, даже понизив уровни ЭСР помех до приемлемых уровней, не предохраняют от ошибок в передаче данных. Для высокочастотных сигналов фильтрация от ЭСР представляет особую проблему, поскольку на определенных частотах полезный сигнал и помеха практически неразличимы и фильтрация уже не может быть применена. В этом случае предусмотрено экранирование и гальваническая изоляция.

 

Гальваническая изоляция

Наилучшим решением для сохранения высоких скоростей передачи данных и возможностью избежать ЭСР и других переходных процессов является гальваническая изоляция. Применение оптических каналов связи, инфракрасных и радиочастотных, обеспечивает отличную гальваническую развязку. Необходимо лишь следить за тем, чтобы не возникал непреднамеренный контакт двух устройств посредством, например, металлической брони оптического кабеля или соприкосновением других металлических частей.

 

Заключение

Несмотря на повсеместное применение антистатических материалов в производстве изделий авиационной и специальной техники, постоянно присутствует большая вероятность воздействия электростатических разрядов при обслуживании и перемещении оборудования. Ввиду этого защита приборов на схемотехническом и конструктивном уровне отдельных плат и блоков является весьма актуальной.

Из-за большого количества воздействующих факторов ЭСР наиболее достоверным способом подтверждения соответствия требованиям специальных и авиационных стандартов (ГОСТ РВ, КТ‑160, ОСТ и т. д.) является проведение натурных испытаний в аккредитованной испытательной лаборатории. ИЛ ЭМС ЗАО «ТЕСТПРИБОР» является такой лабораторией, имеет аттестаты аккредитации Авиационного регистра Межгосударственного авиационного комитета (АР МАК) и АНО «Военный регистр», а также возможность контроля работ ВП МО РФ. Лаборатория регулярно проводит испытания технических средств на устойчивость к воздействию ЭСР, а благодаря накопленному опыту и наличию квалифицированных инженеров делает это быстро и качественно.

Литература
  1. ГОСТ Р 51317.4.2-99.
  2. ГОСТ Р 53734.5.1-2009.
  3. http://www.semtech.com/images/datasheet/rclamp0521z.pdf /ссылка утрачена/
  4. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tpd4s014.pdf
  5. Ott H. W. Noise reduction techniques in electronic systems. Wiley-Interscience, New York, 1988.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *