Влияние разрядов статического электричества на программное обеспечение, инсталлированное во встроенную flash-память микроконтроллеров Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОНИКА

А ^ 1

А к

УДК621.3.049.77-048.24:537.2

ВЛИЯНИЕ РАЗРЯДОВ СТАТИЧЕСКОГО ЭЛЕКТРИЧЕСТВА НА ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, ИНСТАЛЛИРОВАННОЕ ВО ВСТРОЕННУЮflash-ПАМЯТЬ МИКРОКОНТРОЛЛЕРОВ

АЛЕКСЕЕВВ.Ф., ПИСКУН Г.А.________________

Рассматривается задача оценки влияния электростатических разрядов (ЭСР) на программное обеспечение (ПО), инсталлированное во встроенную flash-память микроконтроллеров (МК). Предлагается методика проведения испытания flash-памяти МК на чувствительность к ЭСР, в котором учитываются ухудшения функциональных свойств МК при определенных значениях напряжения разряда. Проводятся эксперименты, подтверждающие адекватность разработанной методики.

1. Введение

Обширная номенклатура и богатые функциональные возможности современных МК создают разработчикам радиоэлектронных средств (РЭС) хорошие условия для проектирования конкурентоспособной аппаратуры различного назначения. Однако осуществить эффективную защиту МК от внешних воздействий, особенно от такого дестабилизирующего воздействия как ЭСР, достаточно сложно. Это обусловлено высокой степенью микроминиатюризации компонентов, входящих в состав полупроводникового кристалла МК, что в свою очередь влечет за собой повышение чувствительности к действию разрядов статического электричества. В связи с этим особое значение приобретает проблема обеспечения устойчивости функциональных характеристик МК к воздействию ЭСР.

Наиболее перспективными исследованиями, направленными на решение данной проблемы, являются изыскания в области определения критических (пороговых) значений напряжений воздействующих разрядов статического электричества. Но все же в применяемых методах недостаточное внимание уделяется процессам отказов, протекающим в таком наиболее значимом функциональном блоке МК, как flash-память. В свою очередь, это значительно осложняет проведение технической диагностики функционально-сложной аппаратуры, построенной на базе МК, так как отказы могут происходить не только в части повреждений полупроводникового кристалла, но и в части программного обеспечения, инсталлированного во встроенную flash-память МК [1 - 5].

Актуальность и необходимость проведения исследований в данной области определяется отсутствием

8

адекватных моделей технической диагностики и алгоритмов оценки МК на устойчивость к воздействию ЭСР, а также требованиями потребителей и разработчиков РЭС на базе МК к их высокому качеству [6, 7].

Целью данного исследования является разработка методики проведения испытания МК с инсталлированным во встроенную flash-память программным обеспечением к воздействию ЭСР. Она позволит выявить значения напряжений, при которых начинают происходить изменения в ПО.

2. Влияние окружающей обстановки на формирование электростатического заряда

Статическая электризация охватывает все процессы, ведущие к образованию и разделению положительных и отрицательных электрических зарядов в результате механической деформации, которая имеет место при столкновении или контакте поверхностей двух твердых тел, поверхностей твердого тела и жидкости, а также при разрыве или отделении поверхностей твердых тел или жидкости газами или каким-либо другим агентом, в частности, ионизированными газами [8]. Сюда следует отнести такие процессы, как контактная электризация, явления трибоэлектричества, электризация при разбрызгивании, электризация порошков и во время грозы.

Авторами [9, 10] было установлено, что около 70 % повреждений электронных компонентов, на всех этапах работы (рис. 1) с ними, происходит по вине оператора.

Рис. 1. Схема этапов, где возможно воздействие ЭСР на МК

РИ, 2012, № 3

При выполнении оператором тех или иных операций на его теле может накапливаться статическое электричество до нескольких киловольт [11], генерируемое следующими механизмами [8, 12]:

а) Трибоэлектрическим. При соприкосновении и разделении двух объектов один всегда заряжается положительно, другой - отрицательно, например: контакт обуви с полом при ходьбе приводит к образованию статического потенциала на идущем работнике [13].

б) Индукционным. При перемещении заряженных объектов вблизи незаряженного в последнем генерируется статический заряд с противоположным знаком и, как следствие, возникает индукционный ток. Ярким примером индукционного механизма электризации является случай, когда прикосновение рукой, несущей высокий заряд, к корпусу чувствительной микросхемы вызывает разряд. Стоит отметить, что для повреждения кристалла индукционными токами не обязательно даже прикасаться рукой непосредственно к выводам корпуса микросхемы.

в) Емкостным. Заряд есть произведение напряжения на емкость, поэтому при постоянной величине заряда уменьшение емкости влечет рост потенциалов разъединяемых поверхностей. Данный механизм имеет место при размотке рулона полиэтилена на упаковочном столе [14].

3. Методика проведения эксперимента

Авторами были проведены испытания flash-памяти МК на чувствительность к ЭСР по «модели человеческого тела»[15], которые учитывали результаты, высказанные в [3, 16 - 18], а также требования [15 - 18] климатических условий (испытания проводились при нормальных климатических условиях) и электромагнитной обстановки (электромагнитная обстановка не влияла на результаты испытаний).

Проведение испытания по определению допустимых значений напряжения ЭСР дляflash-памяти МК типа AT89C51RC [19] строилось на основании реализации следующих задач.

а) Формирование партий МК по три штуки в каждой.

Для проведения испытания flash-памяти МК на чувствительность к ЭСР был использован МК фирмы Atmel типа AT89C51RC. Данный выбор обусловлен тем, что набор аппаратных средств и совокупность реализуемых функций (табл. 1) делают данный МК эффективным средством сбора, обработки информации и управления объектами [20] и широко используется разработчиками современных РЭС.

Выбор количества МК в партии обусловлен финансовой стороной.

б) Анализ программного обеспечения МК до воздействия ЭСР.

Для анализа ПО, инсталлированного во flash-память МК, использовался персональный компьютер с подключенным к нему универсальным профессиональ-

ным программатором-тестером ChipStar-Turbo [21], предназначенный для программирования широкого спектра современных микросхем. Данное оборудование работает через «Программу управления программатором», поставляемую производителем в комплекте.

Таблица 1

Номер контактного вывода МК Назначение контактного вывода МК

Port 0 (Р0.0 - Р0.7) Двунаправленный программируемый 8-разрядный параллельный порт ввода/вывода с возможностью установки в высокоимпедансное состояние

Port 1 (Р1.0 - Р1.7) Двунаправленный 8-разрядный параллельный порт ввода/вывода

Port 2 (Р2.0 - Р2.7)

Port 3 (Р3.0 - Р3.7)

Для обеспечения эффективной работы ПО, инсталлированного во flash-память МК, первоначально необходимо осуществить стирание МК с помощью « Программы управления программатором» (рис. 2,

а) , чтобы избежать каких-либо накладок ПО. Данная операция осуществляется в среднем за 3 - 4 с.

После стирания flash-памяти МК записываем эталонное ПО, предоставленное разработчиком (рис. 2,

б) . В случае если МК работоспособен, данная операция происходит на протяжении 1 мин 50 с.

Для подтверждения правильности проделанных ра -нее операций (стирания МК и инсталляция ПО) производится сверка инсталлированного ПО с эталонным.

Таким образом, на основании рис. 2, а , б, убеждаемся в том, что flash-память испытуемых МК не содержит повреждений. Следует отметить, что данные операции были проделаны со всеми МК выборок, на которые в дальнейшем было произведено воздействие ЭСР.

в) Осуществление контактных разрядов на выводы МК с расположением разрядного наконечника генератора ЭСР перпендикулярно к поверхности контактных выводов, что позволит улучшить повторяемость результатов испытаний [16].

Для генерации ЭСР был использован симулятор ЭСР - ESD 3000 [22], так как данное оборудование обладает возможностью генерации импульсов необходимых напряжений, полярностей, соответствующих эпюре разрядного тока, которые полностью отвечают требованиям [15 - 18].

РИ, 2012, № 3

9

а

Первоначальное значение напряжения ЭСР (250 В) выбрано в соответствии с методом 5 02-1.1 а «испытание микросхем по определению допустимых значений статического электричества по модели человеческого тела» [15]. Последующие значения напряжений воздействующих ЭСР составляли: 500 В, 1 кВ, 2 кВ и 4 кВ. При данных значениях никаких изменений не было выявлено.

Дальнейшее напряжение воздействующего ЭСР было взято 6,0 кВ, что обусловлено данными по критическому значению напряжения, приведенному в [19]. Постепенное увеличение на 0,1 кВ вызвано необходимостью получения более точных данных по отказам.

г) Анализ ПО, инсталлированного во flash-память МК, после воздействия ЭСР.

4. Экспериментальные результаты и их обсуждение

В соответствии с методикой, приведенной выше, было произведено тестирование исследуемых МК на наличие ошибок до воздействия ЭСР. Полученные результаты приведены на рис. 1.

Комбинация контактных выводов МК при подаче ЭСР является постоянной для всех МК партий.

Запив о чшсрмиму

[Файл Е4Те*пр DocW-»**i-f'l'A'/cfkPio.bn [Микросхема AT09T51RC ■Запрамено времени 000:0150 [Затранемо времени на байт 1 nnS

Т екущаа операция

- Л I || II

Всего байт DOOOOOQO

Легкий Сайт □ODOEDto

100*

|DtTaj»Cb времени- 0Ш 00.00 Всчге загмсанимлкросяем 1

■ щ'ПрОВ№д ННЯичлй НИвХХве™

Стираете виновной панята ^Быстрое тестирована при UcCcrS.OOY ^Запись оаюитан па№ти без контроля ^ Срвоне7»с ошогпой панята при LKc“5,0QY

✓

£5 Загасать с.івдісіц>Ю Ннкрсюиему !■: І Завершить

і.ІЩІГ. .г -м. .1. ........1J —1.1. «I- „,:1.____________________________

б

Рис. 2. Стирание flash-памяти МК перед осуществлением записи (а); инсталляция ПО во flash-память МК (б)

На каждый контактный вывод МК (табл. 1) производилось попеременно по 10 одиночных разрядов разной полярности с интервалом, между последовательными одиночными разрядами, равным 1 с. Длительность импульса составляет 0,7 - 1 нс [16].

10

Сгенерированный первый ЭСР напряжениями от 6,0 по 6,2 кВ никаким образом не повлиял на МК и ПО, инсталлированное воflash-память.

При ЭСР напряжением 6,3 кВ в ПО, инсталлированном во flash-память МК, нарушений выявлено не было, однако при попытке осуществить перезапись ПО была выявленная ошибка, подтверждающая возникновение скрытого дефекта (рис. 3) [23].

Рис. 3. Ошибка, выявленная при инсталляции ПО во flash-память МК, после воздействия ЭСР напряжением 6,3 кВ

РИ, 2012, № 3

На рис. 3 можно увидеть, что время инсталляции ПО во flash-память МК увеличилось с 1 мин 50 с до 30 мин 57 с. При сравнении ПО при проверочном напряжении (Ucc = 5,00 В) выявлено несоответствие записей.

Последующее повышение напряжения ЭСР до 6,4 кВ привело к тому, что ПО, инсталлированное во flash-память МК, претерпело ряд существенных изменений. Это было выявлено при сверке инсталлированного ПО с эталонным (рис. 4).

r*w«rjnwaiK

«зартный редактор

В]АЗ Е] S Я

ic№tf>na^a-^dfAT63C5{RQb |"конФиррам•УіиуоШЩІВШ B0QQ ООШ 0020

ZIU-Q

0040

0050

0060

0070

ош

0090

□ОАО

оово

оосо

шо

ООЕО

□0F0

0100

оно

01.20

03 01 2F 03 05 9В D1 01 01 DL 01 01 01 01 01 Q1

01 01 01 01 01 01 D1 01 01 01 01 01 01 D1 01 01 .......

СИ 01 01 03 0Э 05 01 01 01 01 01 03 ОВ 03 75 81 ...............

gг ,т о? gc. m п а? 37 7а гг 77 ел лл гр п—ijr-гчг^гд...

01 О! 05 2: 10 0' 49 К 39 9 13 O' 03 С: 13 0‘ GD D: 03 І 75 A< CB

09 4! 05 l: 75 Э1

t »□

j WoikPru.bm

[ганцедгуий редактор

A\" * fefclB A'

s Я

OchasnaflitaftiftTb-wKjkpiiibr [конфидредіа-ітеїідаї.^іл]

0x1690

ОхІбАО

Oxl&BG

ОііІбСС

Dxl6D0

ОхІбЕО

DxlbFC

0x1700

0x1710

0x1720

0x1730

0x1740

0x1750

0xl7&0

0x1770

0x1730

0x1790

0xl7A0

19 18 A7 08 19 13 7E OZ 56 F7 19 18 OE .FA П 20

OB DA A2 'Ll E5 2Z 54 OF C4 03 92 C2 OE 30 07 04 C2 07 02 EQ F7 09 23 23 47 30 09 04 Q2 09 D2 E7 F7 5A DO ED 05 EO 12 62 14 3Q 01 Q5 12 57 5F 20 03 OF BB 24 0B 12 25 60 17 ЗО BB U E7 A2 ЙВ 92 E6 П 74 2S 40 02 74 20 12 01 97 30 03'

08 CG 22 12 5C 6B DO 22 DO 00 AF ^p——3'

C3 QB EF 94 3C FF BE 94 00 FE 50 !?ЖшП7КЙ2

30 01 03 75 5E FF AF 03 7B 08 7E 05 12 OA IE L2 0..r'fll.{.....

OF £0 74 1L C3 9D f5 5B П 30 79 56 12 OA lC 00 .at.fisxXf-yV...?

01 02 13 6D E5 21 54 OF 70 D3 30 07 03 02 14 ЭС ...nelT.p.Q...,<

12 57 CC 12 57 ED 7F 05 12 DO 25 90 69 6F 12 OF .WM.W ..Д&І5,.

CO 1? 5B C6 BA OF 37 12 5B 09 12 5F 54 12 52 77 А.[ЖЄ.7.Х,._T,Rw

60 12 74 2F 7E Fa 30 BB 04 74 EF 7E FI 25 5D E5 '.t/^ijDe.ttrc^Ja

SC ЭЕ 50 07 C2 00 12 0£ BF ВО C5 AC 5D E5 5C LC ч>М...іїЕ-]е\.

ЭС FF 01 14 53 08 40 42 09 D2 09 02 43 EA BA 27 ja. .S.№Л. .Скє1

гМШ $ цД да iQij и t Ий

{М725: FF (в)

Рис. 4. Ошибка, выявленная при сравнении эталонного ПО с ПО, инсталлированным во flash-память МК, после воздействия ЭСР напряжением 6,4 кВ

При выявлении причин отказов при испытании МК на чувствительность к ЭСР учитывалась возможность разрушения разрядным импульсом отдельных элементов их конструкции.

Анализ полученных данных показывает, что ЭСР разноименных полярностей воздействуют на МК одного типа по-разному. На основании методики проведения расчета вероятности возникновения отказа в выборке [24] было установлено, что последовательная подача импульсов накопленного заряда статического электричества разноименных полярностей, эквивалентного 6,4 кВ, приведет к возникновению повреждения в ПО, инсталлированном во flash-память МК.

Можно предложить следующую последовательность операций при проведении испытаний (таблица 2).

Заключение

Научная новизна полученных результатов состоит в том, что впервые установлено, что при напряжении воздействующего ЭСР, эквивалентном 6,3 кВ (меньше критического на 3,08 %), в инсталлированном во встроенную flash-память ПО ошибки возникают у 7,69 % МК, а при напряжении 6,4 кВ (меньше критического на 1,56 %) 95,44 % МК не выполняют своих запрограммированных функций.

РИ, 2012, № 3

Таблица 2

№ операции Описание операции

1 Выбор типа МК. Выбор количества партий МК и штук в партии

2 Стирание ПО, инсталлированного во flash-память МК. Если в партии обнаружен МК, не соответствующий требованиям ТУ, то необходимо его исключить из партии и перевыполнить операцию 1. В случае, если МК соответствуют требованиям ТУ, продолжить выполнение дальнейших операций

3 Осуществление контактного разряда на выводы МК в соответствии с требованиями ТУ

4 Сверка ПО, инсталлированного во flash-память МК, с эталонным. При отсутствии МК, не соответствующих требованиям ТУ, необходимо осуществить дальнейшее постепенное увеличение напряжения ЭСР по п.5. Если в партии обнаружен хотя бы один МК, не соответствующий требованиям ТУ, то необходимо прекратить дальнейшее исследование с обозначением полученного напряжения как критического для исследуемого типа МК

5 Постепенное увеличение напряжения ЭСР

В результате проведенных экспериментальных исследований установлено:

а) в соответствии с рассмотренной методикой экспериментально проверено воздействие ЭСР на flash-память МК типа AT89C51RC [25, 26];

б) накопленный заряд статического электричества, равный 6,4 кВ, приведет к повреждению 94 % информации, хранящейся воflash-памяти микроконтроллеров;

в) предложенная методика проведения испытаний fash-памяти МК на чувствительность к ЭСР позволяет упростить процедуру существующих испытаний и сократить материальные затраты на проведение эксперимента.

Литература: 1. Князев А.Д., Кечиев Л.Н. Конструирование радиоэлектронной и электронно-вычислительной аппаратуры с учетом требований ЭМС. М.: Радио и связь, 1989. 222 с. 2. Волин М.Л. Паразитные процессы в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Радио и связь, 1981. 296 с. 3. Горлов М.И. Электростатические заряды в электронике / М.И. Горлов, А.В. Емельянов, В.И. Плебанович. Мн.: Бел. наука, 2006. 295 с. 4. ГорловМ.И., Строгонов А.В., Адамян А.Г. Воздействие электростатических разрядов на полупроводниковые изделия. Часть 1 // ChipNews. 2001. № 1.5. Кириллов В.Ю. Электростатические разряды и излучаемые электромагнитные помехи // Технологии ЭМС. 2004. №1. С. 43 - 46. 6. Хабигер Э. Электромагнитная совместимость. Основы ее обеспечения в технике: Пер. с нем. И.П.

11

Кужекина; под ред. Б.К. Максимова. М.: Энергоатомиз-дат, 1995. 295 с. 7. ГОСТ 27.310-95 Надежность в технике. Анализ видов, последствий и критичности отказов. Основные положения. 8. Лёб Л. Статическая электризация: Пер. с англ. М.: Л., Госэнергоиздат, 1963,408 с. 9. Кравченко В.И. Грозозащита радиоэлектронных средств: Справочник. М.: Радио и связь, 1991. 264 с. 10. Джоветт Ч.Е. Статическое электричество в электронике: Пер. с англ. М.: Энергия, 1980. 136 с. 11. Пискун Г.А. Численный анализ воздействия электростатического разряда на интегральные схемы // Сучасні проблеми радіотехніки та телекому-нікацій «РТ - 2011»: Матеріали 7-ї міжнар. молодіжної наук.-техн. конф., Севастополь 11 - 15 квітня 2011 р. / М.: Севастополь: СевНТУ, 2011. 479 арк. 12. Казанжи К.К. Статическое электричество. Знание. 1965. 32 с. 13. Gerri G., De Leo R., Mariani Primiani V. Theoretical and experimental evalution of electromagnetic fields radiated by ESD // Proceedings of the IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. Montreal, 2001. P. 93-97 14. Huang J., Deng Q., Liu F. The study of transient fields generated by typical ESD models // Proceedings of the 4-th International Conferences Application Electrostatic. 2001. P.585-588 15. ОСТ 11 073.013 - 2008. Микросхемы интегральные. Методы испытаний. Методы электрических испытаний. Часть 7. 16. СТБ МЭК 61000-4-2-2006 Электромагнитная совместимость. Часть 4-2. Методы испытаний и измерений. Испытания на устойчивость к электростатическим разрядам. 17. IEC 61000-4-2:2008. Electromagnetic compatibility (EMC). Part 4-2: Testing and measurement techniques. Electrostatic discharge immunity test. 18. IEC 61340-3-1:2002. Электростатика. Часть 3-1. Методы моделирования электростатических воздействий. Модель человеческого тела (HBM). Испытания компонентов. 19. Datasheet AT89C51RC [Электронный ресурс]. 2009. Режим доступа: http://datasheet.su. 20. Бродин В.Б., Калинин А.В. Системы на микроконтроллерах и БИС программируемой логики. М.: Издательство ЭКОМ, 2002.

400 с. 21. Универсальный профессиональный программатор-тестер ChipStar-Turbo [Электронный ресурс]. 2010. Режим доступа: http://www.chipstar.ru. 22. ESD 3000 System for Contact Discharge up to 30kV [Электронный ресурс]. 2008. Режим доступа: http://www.emc-partner.com. 23. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. 24. Боровиков С. М. Теоретические основы конструирования технологии и надежности. / С. М. Боровиков. Мн.: ДизайнПРО, 1998. 25. Алексеев В.Ф. Методика испытания микроконтроллеров на чувствительность к электростатическим разрядам / В.Ф. Алексеев, Н.И. Силков, Г.А. Пискун, А.Н. Пикулик / / Доклады БГУИР. 2011. № 5 (59). С.5-12. 26. Алексеев В.Ф. Методика оценки устойчивости микроконтроллеров к воздействию разрядов статического электричества при ступенчатом повышении напряжения / В.Ф. Алексеев, Г.А. Пискун // Вестник РГРТУ. 2012. № 2 (40). С.34-40.

Поступила в редакцию 02.09.2012

Рецензент: д-р техн. наук., проф. Безрук В.М.

Алексеев Виктор Федорович, канд.техн.наук, доцент, доцент кафедры радиоэлектронных средств УО «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники». Научные интересы: температурные эффекты в полупроводниковых приборах при мощных импульсных электрических перегрузках. Адрес: Бела-

русь, 220013, Минск, ул. П.Бровки, 6, тел. 8-10375172932207. Е-mail: alexvikt.minsk@gmail.com

Пискун Г еннадий Адамович, аспирант, ассистент кафедры радиоэлектронных средств УО «Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники». Научные интересы: устойчивость полупроводниковых приборов к воздействию ЭСР. Адрес: Беларусь, 220013, Минск, ул. П.Бровки, 6, тел. 8-1037517-2932207. Е-mail: piskunbsuir@gmail.com.

12

РИ, 2012, № 3