CC BY
38
DOI 10.25987/VSTU.2019.15.6.012 УДК 621.396.6.001.63;621.396.001.66
ПРИНЦИПЫ ЗАЩИТЫ ПЕЧАТНЫХ МОДУЛЕЙ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ ОТ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО РАЗРЯДА НА ЭТАПАХ ПРОИЗВОДСТВА
И ТЕСТИРОВАНИЯ
М.А. Ромащенко1, Д.С. Сеимова1, С.Н. Рожненко2
воронежский государственный технический университет, г. Воронеж, Россия 2АО ВЦКБ «Полюс», г. Воронеж, Россия
Аннотация: защита от статического электричества в настоящее время является одной из важнейших задач любой деятельности в области конструирования и производства электронных средств. Осознание рисков, связанных с влиянием импульсных перенапряжений, в том числе и от электростатического разряда, и применение методик защиты от их воздействия становятся все более актуальными для многих предприятий, работающих в области электронной промышленности. Растущие тенденции к миниатюризации приводят к тому, что корпуса некоторых элементов печатного модуля достигают таких небольших размеров, что даже минимальное воздействие электростатического импульса может привести к необратимым повреждениям устройства в целом. Одного электростатического разряда может быть недостаточно для вывода печатного модуля из строя, однако повторяющиеся со временем разряды приведут к ухудшению функционирования, а в дальнейшем и к его полному отказу. Электростатический разряд является одним из основных факторов, способствующих снижению надежности и производительности электронных устройств. В данной статье представлена методика внедрения механизмов защиты печатных модулей электронных средств от электростатического разряда в технологиях CMOS
Ключевые слова: электростатический разряд (ЭСР), печатная плата (ПП), электронное средство (ЭС), печатный модуль
Введение
Электростатический разряд (ЭСР) вызывает лавинообразный поток электричества между двумя объектами при их контакте друг с другом, что приводит к электрическим или термическим повреждениям, а в дальнейшем и к сбою в работе печатного модуля. Каждая часть печатного модуля ра^читана для работы в определенных условиях. В случае, когда порог нормального функционирования превышается, то компонент, плата или соединительная цепь повреждаются. Одного электростатического разряда может быть не достаточно для полного разрушения устройства, однако повторяющиеся со временем разряды приведут к ухудшению функционирования, а в дальнейшем и к его полному отказу [1]. Таким образом, защита от статического электричества является одной из задач, которые разработчики и производители электроники должны учитывать в своей деятельности.
ЭСР воздействует на электронные 1ком-поненты различными способами. Высоковольтные статические напряжения могут попасть в устройство и повредить его сложные внутренние структуры. Влияние электростатического
© Ромащенко М.А., Сеимова Д.С., Рожненко С.Н., 2019
разряда стало более значимым, поскольку высокие входные импедансы технологии МОП (металл-оксид-полупроводник) во всех ее видах означают, что напряжения не рассеиваются, а небольшие размеры проводников и изолирующих прокладок могут быть легко повреждены высокими напряжениями. С уменьшением размеров компонентов печатного модуля увеличивается их восприимчивость к повреждениям от ЭСР. Таким образом, полупроводниковое устройство может выйти из строя, если оно находится на пути прохождения разряда от ЭСР. В радиоэлектронной промышленности ЭСР рассматривается подобно типу отказа, который известен как электрическое перенапряжение, включающее в себя условия вне проектной рабочей среды, такие как напряжение, ток и температура [2]. Кроме того, ЭСР может также влиять на интегральные схемы (ИС) на разных этапах их жизненного цикла: от процесса изготовления пластин (первый этап процесса изготовления микросхемы) с последующим отказом в нормальном функционировании (жесткий сбой) или вызвать частичное повреждение (мягкий сбой). Следовательно, важно понимать явление ЭСР и разрабатывать схемы защиты, которые способны предотвращать такие сбои. Основной целью методов защиты от ЭСР является минимизация
генерирования разрядов на проводящей части устройства.
Процесс ЭСР в печатном модуле состоит из четырех этапов: накопление заряда, передача заряда, реакция и отказ устройства. Первый этап, накопление заряда, приводит к дисбалансу электронов между двумя телами, которые образуют электрическое поле. Когда два объекта с двумя различными потенциальными зарядами вступают в контакт, происходит вторая стадия ЭСР, при которой заряд переходит от объекта с более высоким потенциалом к объекту с более низким потенциалом, пока напряжения между ними не станут равными
[3].
Последствия электростатического разряда зависят от большого числа переменных. Большинство из них трудно определить количественно. Уровень статики, который создается, варьируется в зависимости от используемых материалов и условий окружающей среды. Способ разряда также различается. Часто заряд рассеивается достаточно быстро: обычно менее чем за сто наносекунд. За это время пиковый ток может подняться до 20 - 30 мкА [4]. Пиковый ток и время разряда обусловливаются широким спектром факторов. Однако, если используется металлический предмет, например пинцет или тонкие плоскогубцы, пик тока выше и достигается за более короткое время, чем если бы разряд происходил через конечность человека. Это достигается за счет того, что металл обеспечивает гораздо низкий путь сопротивления для разрядки.
Материалы 1111 могут заряжаться различными способами: трибоэлектрическим зарядом, контактом с другим заряженным материалом и индукцией. Трибоэлектрический заряд является наиболее распространенным способом, и это происходит, когда два материала вступают в контакт, а затем разделяются. При таком воздействии электроны переходят от одного объекта к другому в зависимости от электрических их характеристик. При разделении двух материалов, являющихся проводниками, электроны между ними перераспределяются и уравновешиваются, а в случае материалов- изоляторов они заряжаются. Существует несколько факторов, которые влияют на величину трибоэлектрического заряда, такие как площадь контакта, скорость разделения, относительная влажность, химический состав материалов и другие.
Контакт с другим заряженным материалом - это случай, когда заряженный объект
вступает в контакт с изолированным объектом с более низким потенциалом. Пока эти два объекта находятся в контакте, заряд переходит к объекту с более низким потенциалом, пока напряжение не будет сбалансировано между ними. После разделения оба объекта будут иметь заряд с одинаковой полярностью, но величина заряда будет пропорциональна емкости каждого объекта. Индуктивный заряд, напротив, не требует физического контакта между двумя объектами. Данное событие происходит, когда заряженный объект находится достаточно близко к проводящему объекту. Электрическое поле, создаваемое заряженным объектом, приводит к внутреннему разделению зарядов в проводящем объекте.
Возникновение ЭСР при производстве печатных плат
Автоматизированные производственные линии имеют несколько этапов обработки, на которых могут образовываться электростатические заряды. Измерения на производственных линиях демонстрируют накопление ЭСР на следующих этапах обработки: нанесение паяльной пасты, сборка (автоматическая и ручная, установка), маркировка, а также оптические и электрические испытания.
На этапе установки печатных модулей в корпус также необходимо учитывать возможность возникновения ЭСР. Это может произойти вследствие того, что подавляющее большинство современных корпусов изготавливается из пластмасс и пластиков, способных накапливать статические заряды.
Таким образом, производитель должен предусмотреть комплекс мероприятий по защите от ЭСР на протяжении всего производственного процесса, во время тестирования изделий, а также его будущей эксплуатации. Комплекс мероприятий в обязательном порядке должен распространятся на SMD резисторы и конденсаторы, NEMS (наноэлектромехани-ческие системы) и MEMS (микроэлектромеханические системы).
Известно, что в процессах нанесения покрытия электростатические заряды могут накапливаться на подложке из-за различных предшествующих операций. Это приводит к накоплению электрического поля в пленке с последующим покрытием, что, в свою очередь, вызывает образование дефектов из-за электростатически управляемых потоков. Тонкопленочное плавление происходит ввиду того, что
высокая плотность тока создает Джоулев нагрев, который может расплавить область структуры печатного модуля. Кроме того, при высокой плотности тока может произойти образование проводящего канала в диэлектрике с определенной величиной сопротивления, крайним случаем которого является короткое замыкание. Таким образом, для получения высококачественных покрытий желательно сохранять устойчивость материалов к электростатической дестабилизации [5].
Нанесение покрытий и печать являются межфазными процессами, которые распространены в промышленности. Прецизионные покрытия придают функциональность и повышают производительность изделий. С другой стороны, рулонная печать с высоким разрешением все больше используется для создания плотной и гибкой печатной электроники на высоких скоростях. Электростатические эффекты в значительной степени влияют на оба этих процесса.
В перспективе целесообразно иметь программно-аппаратный комплекс, который анализирует выравнивающие свойства жидких покрытий в присутствии электростатических зарядов, чтобы обеспечить выполнение руководящих принципов при проектировании современных печатных модулей. Большинство связанных с этим исследований сосредоточено на том, как электрические поля могут быть использованы для создания поверхностных структур в тонких пленках жидкости.
Способы подавления ЭСР
Значительно снизить вероятность возникновения проблем с ЭСР позволяет качественно спроектированный печатный модуль. Для создания такого модуля необходимо понимание показателей качества, которые используются для сравнения различных методов защиты от электростатического разряда. Необходимо создать определенные места электростатического разряда при помощи металлизированных участков печатной платы, чтобы обеспечить низкоомный путь разряда, который приводит к защите всего печатного модуля. Такой механизм защиты от ЭСР должен иметь следующие характеристики:
- низкое сопротивление;
- низкий ток утечки;
- его входное напряжение должно быть больше, чем напряжение питания (VDD);
- действует сразу же, когда происходит явление ЭСР;
- способен выдерживать большие токи;
- занимает наименьшую область макета;
- невосприимчив к ложному срабатыванию, а также к шуму источника питания.
Для достижения адекватных характеристик из приведенного выше списка были разработаны различные виды механизмов защиты от ЭСР, которые подразделяются на следующие категории:
- статический источник питания ЭСР;
- кратковременный источник питания ЭСР.
Выбор типа защиты для использования в конструкциях печатного модуля зависит от многих критериев. Первым критерием является то, какие элементы схемы используются при разработке. Второй связан со средой, в которой будет использоваться устройство. Последний критерий - это пропускная способность и время срабатывания защитного элемента.
Статический механизм защиты включается, когда напряжение на шинах источника питания превышает напряжение срабатывания, после чего происходит электростатическая разрядка. Статические механизмы защиты можно разделить на три категории: на основе диодов, на основе MOSFET (полевой транзистор на основе оксида металла и полупроводника) и на основе SCR (кремниевый выпрямитель).
Антистатические элементы на диодной основе. Поскольку диод может выдерживать очень высокий ток, когда он работает в прямом смещенном состоянии, предлагается диодная цепочка, как показано на рис. 1,а [6].
„ТС, Ь, £>„., Д.,
I hi_Ы_____Ы—(----v"°
ijjtl » фи ■ фу »- ыи
■ 1- л .1 л
--------- "
^ ' (в) Лол\ирск>дннковкй
Рис. 1. Антистатические элементы на диодной основе: а - диодная цепочка; б - консольная диодная цепочка; в - полупроводниковый стабилитрон
Напряжение срабатывания конструкции можно отрегулировать, увеличив число диодов, используя следующее уравнение:
VHanp.cpa6.Cl) = тХУ0([)-ПХУтХ X 1п(8 + 1),
где m - количество диодов, VD - напряжение срабатывания, п - коэффициент идеально-
сти, а в - коэффициент усиления по току PNP-транзисторов, которые используются для шунтирования тока ЭСР. Основными недостатками этой конструкции являются:
- ток утечки, который увеличивается при увеличении количества диодов;
- установка большего количества диодов не приводит к линейному увеличению напряжения срабатывания;
- напряжение срабатывания уменьшается, а ток утечки увеличивается с увеличением температуры.
Чтобы преодолеть проблему утечки, предложена консольная диодная цепочка, показанная на рис. 1,б. Транзистор УТ1 используется для блокировки диодной цепи от VSS, когда схема работает в нормальных рабочих условиях - как следствие, ток утечки уменьшается. Когда происходит явление ЭСР, VT1 включается и реализует проводящий путь между шинами электропитания. Транзисторы VT2 и VT5 с конденсатором С используются для обнаружения ЭСР и включения транзистора УГ1, в то время как VT3 и VT4 используются для распределения тока между цепочкой диодов, таким образом, происходит снижение напряжения. Консольная диодная цепочка была разработана для уменьшения тока утечки в диодных схемах защиты от ЭСР, работающих в высокотемпературной среде. Однако площадь конструкции полупроводникового стабилитрона является большой по сравнению с диодной цепочкой, поскольку транзистор М1 должен быть большим, чтобы поглощать значительную часть тока во время явления ЭСР.
Кроме того, статические механизмы защиты от электростатического разряда могут быть разработаны с использованием различных видов диодов, таких как стабилитроны, как показано на рис. 1,в. Когда происходит явление ЭСР, стабилитрон работает в области лавинного пробоя. Следовательно, напряжение пробоя стабилитрона должно быть больше напряжения питания; кроме того, использование стабилитрона может быть недоступно во многих конструкциях печатного модуля, поскольку требует дополнительных этапов обработки.
Статические механизмы защиты на основе MOSFET
^канальный МОП-прибор (NMOS) с заземленным затвором (GGNMOS) был одним из первых предложенных механизмов защиты на
основе МОП, как показано на рис. 2, а, в котором ширина транзистора обычно составляет 800 мкм [7]. Преимущество этой конструкции в том, что она не требует большой площади кремния. В результате такой механизм имеет медленный отклик на явление ЭСР, и некоторые транзисторы в ядре схемы могут иметь меньший интервал, чтобы они могли включиться до GGNMOS.
а б в
Рис. 2. Статический механизм защиты от электростатического разряда на основе MOSFET: а - GGNMOS; б - полупроводниковый стабилитрон; в - диодная цепочка
Для увеличения скорости отклика GGNMOS предложена конструкция стабилитрона с диодом, как показано на рис. 2,б. Следовательно, время запуска уменьшается по сравнению с GGNMOS, но эта конструкция имеет те же недостатки, что и полупроводниковый стабилитрон. Другой вариант был предложен в [7] для преодоления медленного отклика, как показано на рис. 2,в. Конструкция состоит из поликремниевой диодной цепочки с утечкой порядка мкА, которая на три порядка ниже по сравнению с кремниевыми диодами при напряжении питания 5 В. Чтобы уменьшить ток утечки, количество диодов должно составлять от 6 до 9.
Статические механизмы защиты на основе SCR
Устройства с кремниевым выпрямителем (SCR) могут выдерживать высокие напряжения от ЭСР с небольшой площадью компоновки по сравнению с другими традиционными элементами защиты от электростатического разряда. Тем не менее, обычно они имеют низкий пусковой и удерживающий ток и напряжение, что вызывает их срабатывание из-за внешнего шума при работе схемы в нормальных рабочих условиях. Конструкция состоит из SCR, NMOS-транзистора с заземленным затвором (GGNMOS) и внешнего сопротивления.
Для запуска SCR требуется более высокий базовый ток, что приводит к более высоким токам удержания и запуска. Удерживающий ток такой конструкции в три раза больше, чем у обычного низковольтного кремниевого выпрямителя.
Для увеличения напряжения срабатывания низковольтного кремниевого выпрямителя используется диодная цепочка. В этой архитектуре, когда число диодов увеличивается, напряжение срабатывания также увеличивается. Обычно используются 2-3 диода, однако при этом удерживающее напряжение должно быть выше напряжения питания, чтобы обеспечить защиту от защелкивания [8].
Переходные механизмы защиты
Переходные механизмы защиты от ЭСР имеют следующие преимущества: они включаются очень быстро и очень медленно выключаются, остаются включенными для электростатической разрядки в течение фиксированного периода времени, который определяется сетью RC и цепью задержки. Также обеспечивают защиту от электростатического разряда на низком напряжении запуска и не требуют каких-либо дополнительных операций. Тем не менее, переходной механизм защиты может сработать, когда главная цепь находится в нормальном рабочем режиме, что приведет к замыканию источника питания на землю. Переходные механизмы могут быть классифицированы как на основе MOSFET, так и на основе SCR [9].
Заключение
Таким образом, механизм защиты от ЭСР должен обеспечивать низкоомный путь в обоих направлениях, чтобы иметь возможность работать с режимами переключения. Конструкция на основе SCR не обеспечивает наилучшую защиту от ЭСР для режима переключения положительного напряжения элек-
тростатического разряда с заземленным узлом напряжения питания, поскольку она имеет два паразитных сопротивления и один паразитный диод (коллектор к базовому соединению) диод из PNP-транзистора на пути от шин питания до «земли». Кроме того, механизмы защиты на основе SCR не подходят для конструкций, которые подвергаются множественным переключениям или ионизирующему излучению.
Литература
1. Сеимова Д.С., Ромащенко М.А. Повышение эффективности методик тестирования электронных средств на устойчивость к электростатическому разряду // Сборник трудов победителей конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов ВГТУ по приоритетным направлениям развития науки и технологий. 2019. С. 236 - 238.
2. Glotov V.V., Ostroumov I.V., Romashchenko M.A. Development of models simulating operation of elements of radio devices, for solving problems of ensuring electromagnetic compatibility of radio electronic means // Journal of Physics: Conference Series. 2018. Т. 1015. С. 032172.
3. Ромащенко М.А., Сеимова Д.С. Основные принципы проведения исследований влияния электростатических разрядов на элементную базу // Радиотехника. 2019. Т. 83. № 6 (8). С. 133-137.
4. Жаднов В.В. Влияние электростатических разрядов на показатели ремонтопригодности электронных средств // Технологии электромагнитной совместимости. 2015. № 4. С. 29-34.
5. Procedure of complex analysis of mechanical properties of printed circuit boards in electronic modules / A.V. Turetsky, O.Y. Makarov, M.A. Romashchenko, P.P. Chura-kov, I.S. Bobylkin // International Journal of Control Theory and Applications. 2016. Т. 9. № 30. С. 227-239.
6. Analysis of Snubber-clamped Diode-string Mixed Voltage Interface ESD Protection Network for Advanced Microprocessors/ S. Voldman, G. Gerosa, V. Gross, N. Dickson, S. Furkay, J. Slinkman // Journal of Electrostatics. 1995. Т. 38. С. 3-31.
7. Ker M., Chen T. Design on the Turn-on Efficient Power-rail ESD Clamp Circuit with Stacked Poly-silicon Diodes // ISCAS. 2001. С. 758-761.
8. Study of ESD Behavior of Different Clamps Configuration in a 0.35 ^m CMOS Technology/ C. Richer, N. Mae-ne, G. Mabboux, R. Bellens // EOS/ESD Symposium. 1997. С. 240-245.
9. Кечиев Л.Н., Пожидаев Е.Д. Защита электронных средств от воздействия статического электричества. М.: Изд. дом «Технологии», 2005. С. 265-291.
Поступила 15.10.2019; принята к публикации 10.12.2019 Информация об авторах
Ромащенко Михаил Александрович - д-р техн. наук, профессор, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: kipr@vorstu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5629-6056
Сеимова Дарья Сергеевна - студент, Воронежский государственный технический университет (394026, Россия, г. Воронеж, Московский проспект, 14), e-mail: dashyli98@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4946-5426 Рожненко Сергей Николаевич - технический директор АО ВЦКБ «Полюс» (394019, Россия, г. Воронеж, ул. Краснодонская, 16Б), e-mail: rsn@vckb.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2796-2886
PRINCIPLES OF PROTECTION OF PRINTED ELECTRONIC MODULES FROM ELECTROSTATIC DISCHARGE AT THE STAGES OF PRODUCTION AND TESTING
M.A. Romashchenko1, D.S. Seimova1, S.N. Rozhenko2
'Voronezh State Technical University, Voronezh, Russia 2JSC VCCB "Pole", Voronezh, Russia
Abstract: protection from static electricity is currently one of the most important tasks of any activity in the field of design and production of electronic devices. Awareness of the risks associated with the influence of surge voltages, including electrostatic discharge, and the application of methods of protection from their effects are becoming increasingly important for many enterprises working in the field of electronic industry. Structures of electronic components become more sensitive to the occurrence of electrostatic discharges with the modernization of technology. 5 volts of electrostatic discharge is enough to change the internal structures of small electronic components. Growing trends towards miniaturization lead to the fact that the cases of some elements of the printed module are so small that even a minimal exposure to an electrostatic pulse can cause permanent damage to the device as a whole. Electrostatic discharge is a known factor contributing to a decrease in the reliability and performance of electronic devices. This article presents a methodology for implementing mechanisms for protecting printed modules of electronic devices from electrostatic discharge in CMOS technologies
Key words: electrostatic discharge (ESD), printed circuit board (PCB), electronic devices (ED), printed module
References
1. Seimova D.S., Romashchenko M.A. "Improving the effectiveness of methods for testing electronic devices for resistance to electrostatic discharge", Proc. of the winners of the research competition of students and postgraduates of VSTU in priority areas of development of science and technology (Sbornik trudov pobediteley konkursa nauchno-issledovatel'skikh rabot studentov i aspiran-tov VGTUpo prioritetnym napravleniyam razvitiya nauki i tekhnologiy), 2019, pp. 236-238.
2. Glotov V.V., Ostroumov I.V., Romashchenko M.A. "Development of models simulating operation of elements of radio devices, for solving problems of ensuring electromagnetic compatibility of radio electronic means", Journal of Physics: Conference Series, 2018, vol. 1015, pp. 032172.
3. Romashchenko M.A., Seimova D.S. "The basic principles of research on the effect of electrostatic discharges on the element base", Radio Engineering (Radiotekhnika), 2019, vol. 83, no. 6 (8), pp. 133-137.
4. Zhadnov V.V. "The effect of electrostatic discharges on the maintainability of electronic devices", Technologies of Electromagnetic Compatibility (Tekhnologii elektromagnitnoy sovmestimosti), 2015, no. 4, pp. 29-34.
5. Turetsky A.V., Makarov O.Y., Romashchenko M.A., Churakov P.P., Bobylkin I.S. "Procedure of complex analysis of mechanical properties of printed circuit boards in electronic modules", International Journal of Control Theory and Applications, 2016, vol. 9, no. 30, pp. 227-239.
6. Voldman S., Gerosa G., Gross V., Dickson N., Furkay S., Slinkman J. "Analysis of snubber-clamped diode-string mixed voltage interface ESD protection network for advanced microprocessors", Journal of Electrostatics, 1995, vol. 38, pp. 3-31.
7. Ker M., Chen T. "Design on the turn-on efficient power-rail ESD clamp circuit with stacked poly-silicon diodes", ISCAS, 2001, pp. 758-761.
8. Richer C., Maene N., Mabboux G., Bellens R. "Study of ESD behavior of different clamps configuration in a 0.35 ^m CMOS technology", EOS/ESD Symposium, 1997, pp. 240-245.
9. Kechiev L.N., Pozhidaev E.D. "Protection of electronic means from the effects of static electricity" ("Zashchita el-ektronnykh sredstv ot vozdeystviya staticheskogo elektrichestva"), Moscow, Tekhnologiya, 2005, pp. 265-291.
Submitted 15.10.2019; revised 10.12.2019
Information about the authors
Mikhail A. Romashchenko, Dr. Sc. (Technical), Professor, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia) e-mail: kipr@vorstu.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5629-6056
Dar'ya S. Seimova, Student, Voronezh State Technical University (14 Moskovskiy prospekt, Voronezh 394026, Russia), e-mail: dashyli98@mail.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-4946-5426
Sergey N. Rozhenko, Technical Director, JSC VCCB "Pole" (16B Krasnodonskaya st., Voronezh 394019, Russia), e-mail rsn@vckb.ru, ORCID: https://orcid.org/0000-0003-2796-2886
