Испытания имс на устойчивость к электростатическому разряду, характеристика устойчивости
Для испытаний формируется выборка не менее пяти микросхем. Электростатические разряды (ЭСР) подаются между выводами питания и выводами входов (выходов).
Упрощенная схема стенда показана на рис.8.1 (здесь ±VECC – ЭСР). Разряды (положительной и отрицательной полярности) подаются сериями по 30. Если единичный разряд вызывает изменения в элементах ИМС, но не приводит к отказу, то серия из 30 разрядов "добивает" микросхему до окончательного отказа. Напряжение разряда повышается ступенчато в соответствии с ОСТ II 073.013-83. После воздействия разрядами проводится контроль электрических параметров ИМС. Напряжение разряда повышается до появления первого отказа во всей выборке испытуемых ИМС. Напряжение второй ступени, предшествующей отказу, считается допустимым потенциалом электростатического разряда (ДПЭСР).
Рис.8.1. Схема стенда испытаний ИМС на устойчивость к электростатическому разряду в соответствии с моделью человеческого тела
Элементы защиты от электростатического разряда
Защита ИМС от ЭСР осуществляется введением в схему дополнительных элементов, которые передают ток разряда в цепи питания и ограничивают его во входные и выходные каскады. Самый простой и распространенный элемент зашиты показан на рис.8.2. Схемы, обладающие эффективными элементами защиты, имеют величину ДПЭСР 2000 В и допускают свободную манипуляцию с ними. ИМС с величиной ДПЭСР менее 200 В считаются ненадежными, так как могут отказать даже при использовании антистатических браслетов, и используются в редких случаях.
В быстродействующих ИМС, например ЭСЛ, реальное быстродействие ограничивается емкостями и индуктивностями входных цепей. Введение элементов защиты увеличивает входную и выходную емкости, что ограничивает и быстродействие ИМС. Проектирование элементов защиты проводится совместно с оптимизацией быстродействия входных и выходных каскадов ИМС.
Рис.8.2. Входной элемент защиты от электростатического разряда
Моделирование режима электростатического разряда
Моделирование разряда проведем на примере элемента защиты, показанного на рис.8.2. Для этого потребуется модель защитного диода для больших токов и напряжений. ВАХ диода для больших токов показана на рис.8.3. В системах моделирования электрических характеристик такой модели нет, поэтому используем составную модель (рис.8.4), которая хорошо описывает ВАХ диода. Напряжение пробоя диода задается параметром UDA модели диода. Чтобы задать пробивное напряжение, необходимо экспериментально исследовать аналогичные диодные структуры. Как правило, напряжения пробоя диодов имеют значительный разброс. Выбирается минимальное значение пробивного напряжения, поскольку расчет производится для наихудшего случая.
Момент замыкания конденсатора на вывод ИМС является критическим, так как в этот момент через элементы схемы протекают наибольшие токи.
Рис.8.3. ВАХ диода для режима больших токов и напряжений
Рис.8.4. Модель диода для режима больших токов и напряжений
При моделировании нет необходимости исследовать весь процесс разряда конденсатора через элементы схемы, достаточно рассчитать только начальное состояние.
Постоянная времени перезаряда реактивных элементов во входных и выходных цепях ИМС во много раз меньше (менее 1 нс), чем время разряда конденсатора (более 150 нс). Начальный ток разряда можно рассчитать и в статическом режиме.
В схеме для моделирования процесса разряда конденсатор заменяется источником напряжения, а внутренние логические блоки – резисторами.
Эквивалентная схема для моделирования режима ЭСР, показанная на рис.8.5, включает:
– ограничительный резистор величиной 1,5 кОм;
– элементы защиты ИМС от электростатического разряда;
– входной или выходной каскад ИМС;
– резисторы между цепями питания, которые имитируют внутренние блоки ИМС;
– цепи питания, одна из которых заземлена.
Рис.8.5. Эквивалентная схема для моделирования режима ЭРС через выводы ИМС
Моделирование режима ЭСР осуществляется при положительном и отрицательном напряжении пробойного участка. В элементы защиты во входные (выходные) каскады включены дополнительные диоды, моделирующие пробойные участки ВАХ.
Одновременно с расчетом ЭСР необходимо выполнить и расчет быстродействия входных и выходных каскадов с учетом реактивных параметров корпуса и элементов защиты. Методика расчета быстродействия рассмотрена в лекции, посвященной помехоустойчивости ИМС.