27.01.2015

Электромагнитная совместимость РЭА Электростатические разряды

Ивко А. М. – начальник лаборатории ЭМС ЗАО «ТЕСТПРИБОР»

С уменьшением размеров микросхем, увеличением скоростей передачи данных, уменьшением потребляемой мощности, растет чувствительность изделий микроэлектроники к электромагнитным воздействиям. На сегодняшний день для особо чувствительных элементов фатальными могут оказаться всплески напряжения уже от 50 В. Такие и более высокие перенапряжения возникают на выводах микросхем в случае воздействия электростатических разрядов на изделие, и без должных мер защиты способны привести к деградации кристаллов микросхем или полному выходу их из строя. Ежегодные потери промышленности от воздействия электростатических разрядов (ЭСР), по некоторым оценкам 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, емкостной. Величина заряда и параметры последующего разряда зависят от ряда факторов: диэлектрическая проницаемость материала, его размеров, характеристик поверхности и параметров среды в которой происходит разряд.

Трибоэлектрический заряд – заряд, возникающий 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, тело человека при трении об одежду при низкой влажности воздуха способно накапливать потенциал до 35 кВ (табл. 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 будет достаточно велика (приемник разряда заземлен), то произойдет электростатический разряд.

Емкостной путь появления электростатического заряда – емкость заряженного тела относительно другого тела так же имеет эффект статического поля. Как известно, заряд равен - емкость, умноженная на напряжение Q=C*V. Из этой формулы следует, что если заряд постоянен – напряжение увеличивается при уменьшении емкости и будет расти 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.


Табл. 1. 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

35кВ

1.5кВ

Хождение по линолеуму

12кВ

0.3кВ

Подъем пластикового пакета

15кВ

0.5кВ

Сдвигание пластиковой коробки по поверхности

15кВ

2.0кВ

Использование незаземленного оловоотсоса

8кВ

1.0кВ

Использование пластикового шкафа

8кВ

1.0кВ

Механизмы воздействия


Пробой диэлектрика

Пробой диэлектрика является основной причиной отказов микросхем. При превышении электростатическим разрядом пробивного напряжения диэлектрика происходит пробой. Пробой происходит как в МДП структурах, так и в биполярных, в случае, 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, 2.

Рис. 1. Разрушение металлизации

Разрушение-металлизации

Рис. 2. Разрушение диэлектрика

Разрушение-диэлектрика

Рис. 3. Появление перемычки на металлизации биполярной структуры

Появление-перемычки-на-металлизации-биполярной-структуры

Температурное разрушение

Даже когда напряжения разряда не достаточно для того, чтобы произошел пробой диэлектрика, мощности разряда может хватить для локального разогрева кристалла до температуры плавления кремния (1415°С) 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 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

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


Система-испытаний-на-устойчивость-к-электростатическим-разрядам

Система-испытаний-на-устойчивость-к-электростатическим-разрядам1

Система-испытаний-на-устойчивость-к-электростатическим-разрядам-6Система-испытаний-на-устойчивость-к-электростатическим-разрядам-7

ЭМС




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.

Увеличение импеданса в сигнальных линиях

В цепях медленных внешних интерфейсов (таких как RS232) 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 рассчитаны для применения при воздействии напряжений и энергий ЭСР, поэтому для предотвращения пробоя одиночных резисторов или катушек их необходимо устанавливать несколько, друг за другом. В этом случае увеличивается общее пробивное напряжение и общая энергия, которую может 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

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

На сегодняшний день ведущие мировые производители полупроводниковых компонентов выпускают широкий спектр поглотителей переходных процессов от ЭСР, встречаются как готовые решения для некоторых стандартных интерфейсов (например, TPD4S014 компании Texas Instruments), так и дискретные компоненты (например, RClamp0521Z компании Semtech). При выборе компонентов для защиты высокоскоростных цепей необходимо помнить о паразитной емкости, которую неизбежно вносят стабилитроны или диоды, а так же 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

Схема-с-использованием-фильтра-нижних-частот-9

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

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

Использование синфазных дросселей

Рис. 7. Схема с использованием синфазного дросселя

Схема-с-использованием-синфазного-дросселя10

Синфазные дроссели для дифференциального тока (сигнала) работают как простой проводник, а для синфазного тока (шума) – как индуктивность. Эти дроссели практически не влияют на высокоскоростные сигналы и имеют большое сопротивление для синфазных помех. Например, компания MURATA выпускает синфазный дроссель DLP11R размером 1,5х1мм, который имеет импеданс на частоте 11МГц 10 Ом для синфазных сигналов и 2 Ом для дифференциальных.

Ещё большего подавления помех можно достигнуть, используя конденсаторы, подключенные к полигону земли.

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

Схема-с-использованием-синфазного-дросселя-совместно-с-конденсаторами-11

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

Кроме схемотехнических методов, которые предохраняют от уничтожения сами микросхемы, необходимо применять программные методы коррекции ошибок в передаче данных, потому что схемотехнические методы, даже понизив уровни помех до приемлемых значений, 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 применяется экранирование и гальваническая изоляция.

Гальваническая изоляция

Наилучшим решением для сохранения высоких скоростей передачи данных и избегания 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 обеспечивался непреднамеренных контакт двух устройств посредством, например металлической брони оптического кабеля, или соприкосновением других металлических частей.

Заключение

Несмотря на повсеместное применение антистатических материалов на 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 требований (ГОСТ РВ, КТ-160, ОСТ и др.) 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 так же 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.

Список литературы:

1. ГОСТ Р 51317.4.2 -99

2. ГОСТ Р 53734.5.1-2009

3. http://www.semtech.com/images/datasheet/rclamp0521z.pdf

4. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tpd4s014.pdf

5. “Noise reduction techniques in electronic systems” Henry W. Ott 1988.