Стандарты испытаний на устойчивость к электростатическому разряду

Существует множество различных стандартов тестирования электростатического разряда и то, какой конкретно из них выбирается, зависит от приложения. Электростатический разряд определяется как «внезапное и мгновенное протекание электрического тока между двумя объектами с разными электрическими потенциалами». Электростатический разряд приводит к сбою работы оборудования и простою сети и, в конечном итоге, к потерям производства, ежегодно исчисляемым многими миллиардами долларов. Все производители электроники должны при проектировании системы учитывать возможность электростатического разряда.
Защита от электростатического разряда опирается на широкий ряд схем. Какая бы ни выбиралась схема защиты, вся система в целом проходит испытания защиты от электромагнитных помех.

Модель человеческого тела

Тест на уровне устройства по модели человеческого тела (МЧТ) — наиболее распространенное испытание на устойчивость к электростатическому разряду. Оно выявляет способность электронных компонентов к повреждению в результате электростатического разряда. Тест имитирует разряд, возникающий при касании рукой электронного устройства. Отказом при МЧТ-тестировании микросхем, как правило, является разрушение p-n-перехода, проникновение металла, расплавление металлических слоев, образование выступов на контактных площадках и разрушение оксидного слоя затвора.
Процедура испытания состоит в том, что на резистор 1 МОм и 100-пФ конденсатор подается высокое напряжение (см. рис. 1). После того как конденсатор полностью зарядится, цепь переключается, и он оказывается в одной цепи с 1,5-кОм резистором и тестируемым устройством, на который поступает накопленный заряд. Величина высоковольтного напряжения варьирует в зависимости от требований в диапазоне 0,5–15 кВ.

Рис. 1. Испытание с использованием электрической модели человеческого тела

На рисунке 2 представлена типичная осциллограмма, из которой видно, что в момент разряда конденсатора выброс тока достигает 1,4–1,5 А, после чего кривая через 500 нс асимптотически приближается к нулевому значению. Таким образом, через тестируемое устройство проходит мощность величиной 22,5 кВт.

Рис. 2. Ток электростатического разряда при МЧТ-тестировании

Машинная модель

Популярное в 1990-е гг. испытание на уровне устройства на основе машинной модели (ММ) в настоящее время перестало применяться. Промышленное оборудование после включения в электросеть накапливает электрический заряд, который может повредить электронные компоненты. Модель ММ позволяет испытать устройства на защиту от такого вида разряда, в результате которого могут расплавиться металлические слои, разрушиться p-n-переход и повредиться оксидный слой затвора.
Процедура испытаний по модели ММ заключается в том, что на резистор, последовательно соединенный
с 200-пФ конденсатором, подается высоковольтное напряжение (см. рис. 3). После того как конденсатор полностью зарядится, он последовательно подключается к дросселю с индуктивностью 0,5 мкГн и испытуемому устройству. Как правило, величина подаваемого на конденсатор напряжения составляет 50–400 В.

Рис. 3. Машинная модель испытаний

Анализируя осциллограмму тока (см. рис. 4), видно, что в цепи R-L-C происходит колебательный переходный процесс, в котором величина тока достигает ±3 А, что в четыре раза больше размаха тока в модели МЧТ. Таким образом, во второй модели рассеивание мощности занимает более продолжительное время. Видно также, что кривая тока начинает асимптотически приближаться к нулю через 900 нс. Максимальная рассеиваемая на тестируемом устройстве мощность в этом случае составляет около 1,2 кВт.

Рис. 4. Ток электростатического разряда в модели тестирования ММ

Следует заметить, что в модели ММ требуется, чтобы каждый вывод тестируемого устройства проверялся на соответствие стандарту. Кристалл устанавливается на специальным образом спроектированную плату, оснащенную интерфейсом для подключения к автоматизированному измерителю. Каждый вывод испытуемого устройства тестируется отдельно, тогда как остальные выводы заземляются на плате. Эта процедура осуществляется до тех пор, пока не будут проверены все выводы.

Модель заряженного устройства

Процедура испытаний на уровне устройства с помощью модели заряженного устройства (МЗУ) имитирует ситуацию, которая часто происходит с оборудованием на автоматизированном производстве. Известно, что микросхемы включенного оборудования накапливают электрический заряд. При контакте этих ИС с заземленным проводником внутрисхемные емкости разряжаются. В тесте МЗУ испытуемое устройство помещается на плату основанием кверху.
Металлическая пластина и испытуемое устройство разделены изолирующим материалом. Эта пластина подключается к высоковольтному источнику питания. На ней устанавливается требуемый уровень напряжения. Этот тест повторяется для каждого вывода, на который подаются по три разрядных импульса положительной и отрицательной полярности (см. рис. 5).

Рис. 5. Модель заряженного устройства

На рисунке 6 представлена осциллограмма разряда при испытании устройства по МЗУ. Видно, что переходный процесс занимает очень короткое время (не более 2 нс), что затрудняет моделирование на практике. Из осциллограммы также видно, что ток в 5–6 А протекает менее чем за 1 нс. В результате такого электростатического разряда разрушается оксидный слой затвора, происходит захват заряда, и повреждается p-n-переход.

Рис. 6. Разрядный ток при тестировании по МЗУ

Сравнение методов испытаний на уровне устройства

Методы моделирования электростатического разряда по схемам МЧТ, ММ и МЗУ являются наиболее известными процедурами испытаний электронных компонентов на уровне устройства. В таблице 1 сравниваются эти модели.

Устойчивость к электростатическому разряду

Испытание на устойчивость к электростатическому разряду (см. рис. 7) представляет собой тест на системном уровне, который имитирует электростатический разряд между человеком и электронным компонентом. Этот заряд накапливается на теле человека в одежде из искусственных тканей, а также в условиях низкой относительной влажности в помещении с коврами. Для имитации разряда импульсы на тестируемое устройство поступают с генератора двумя способами. В первом из них осуществляется физический контакт с этим устройством. Во втором разряд происходит по воздуху. Данный тест определяется спецификацией IEC61000-4-2 Международной электротехнической комиссии (МЭК).

Рис. 7. Защита от электростатического разряда в соответствии с IEC61000-4-2

В этом испытании требуется, чтобы время нарастания импульса составляло менее 10 нс, а его длительность — 100 нс. В испытании на устойчивость к электростатическому разряду необходимо обеспечить как минимум 10 разрядов разной полярности с промежутком в 1 с. В соответствии со спе­ци­фикацией устройство испытывается как минимум 20 раз (см. рис. 7).
На рисунке 8 проиллюстрировано различие между стандартами испытаний на уровне устройства и системы. В стандарте МЭК, который часто называют золотым стандартом по тестированию компонентов, испытательное напряжение в 8 раз выше, чем в методе МЗУ, и в 20 раз больше, чем в МЧТ.

Рис. 8. Сравнение между испытаниями на уровнях устройства и системы

Устойчивость к быстрому переходному процессу

Стандарт тестирования IEC61000-4-4 на системном уровне называется испытанием на устойчивость к быстрому переходному процессу (БПП) (см. рис. 9). В этом тесте имитируются переходные процессы, которые происходят в обычных условиях эксплуатации при выключении индуктивных нагрузок, дребезге контактов реле и при функционировании универсальных электродвигателей. Тест выполняется на всех силовых, сигнальных и земляных выводах.

Рис. 9. Тест на устойчивость к БПП в соответствии с IEC61000-4-4

Его называют также испытанием на устойчивость к выбросам напряжения, которые определяются как последовательность импульсов конечной длительности. В этом испытании генератор создает пачки импульсов, амплитуда которых затухает вдвое относительно максимальной величины менее чем за 100 нс. Длительность каждого последующего импульса, как правило, на 1 мкс больше. Типичная длительность импульса составляет 15 нс. Время между двумя последовательными импульсами — 300 мс. Этот цикл повторяется 10 с, после чего устанавливается пауза.
Такие последовательности импульсов повторяются 6 раз в течение 110 с. В этом испытании время нарастания импульса очень короткое, частота следования высокая, а мощность невелика.
Если по скорости нарастания импульса и невысокой энергоемкости это испытание отчасти схоже с другими, то его отличие — в числе импульсов на один цикл тестирования. Считая, что между двумя соседними фронтами интервал составляет 1 мкс, в тесте на устойчивость к БПП 15-мс последовательность содержит 15000 импульсов. Умножив это число на количество пачек, содержащихся в 10-с интервале, т.е. на 10 с/300 мс = 33,3, получим 500000 импульсов. Таким образом, в шести 10-с интервалах с паузой между каждым из них длительностью 10 с содержится 3 млн импульсов.
Поскольку в испытании на устойчивость к БПП контакт происходит через емкость, промышленный кабель с внутренним экранированием может значительно облегчить подключение к испытуемому устройству благодаря значительному ослаблению энергии импульсов, поступающей в проводники через емкостную развязку между ними и экраном кабеля.

Устойчивость к всплескам напряжения

Тест на устойчивость к всплескам напряжения (ВН), IEC61000-4-5 (см. рис. 10), является наиболее строгим испытанием на устойчивость к неустановившемуся напряжению по таким параметрам как ток и длительность импульсов. Однако применение этого метода часто ограничивается длиной силовых и сигнальных линий (L > 30 м). Испытание на устойчивость к ВН называют «тестом-молнией», т.к. оно имитирует переходные процессы, вызванные разрядом молнии (прямой удар или напряжения и токи, наведенные непрямым ударом), либо переходные процессы при коммутации источников питания, в т.ч. изменения нагрузки и короткие замыкания.

Рис. 10. Испытание на устойчивость к всплескам напряжения в соответствии с IEC61000-4-5

Выходные сигналы генератора импульсов задаются для условий холостого хода и короткого замыкания. Отношение между пиковым напряжением холостого хода и пиковым током короткого замыкания является выходным импедансом генератора. Это испытание характеризуется высоким током за счет малого импеданса генератора и большой длительностью импульсов (примерно в 1000 раз больше, чем в тестах на устойчивость к электростатическому разряду и БПП).
В этом тесте генерируются пять импульсов положительной и отрицательной полярности. Интервал между двумя последовательными импульсами составляет менее 1 мин. При укорачивании этих пауз до 12 с общее время тестирования уменьшается до 2 мин.

Сравнение методов тестирования на уровне системы

Стандарты испытаний на системном уровне перечислены в спецификации IEC61000-4. Среди 25 стандартов тестирования из этого семейства спецификаций к испытаниям на устойчивость к неустановившемуся напряжению относятся ESD (IEC61000-4-2), EFT/Burst (IEC61000-4-4) и Surge/Lightning (IEC61000-4-5). Таблица 2 позволяет сравнить эти стандарты.

Из-за ужесточения требований к испытаниям на системном уровне такие тесты на уровне устройства как МЧТ, ММ и МЗУ при небольших значениях напряжения и тока нельзя считать пригодными.
Необходимо учитывать большое различие между испытаниями на устойчивость к электростатическому разряду, а также всплескам напряжения на уровне промышленного оборудования и потребительских изделий. При разработке потребительской электроники испытание на устойчивость к электростатическому разряду имеет высокий приоритет из-за высокой вероятности контакта между человеком и электронными компонентами через кабельные разъемы.
Напротив, разработчики промышленного оборудования оценивают тесты на устойчивость к всплескам напряжения выше, чем испытания на устойчивость к электростатическому разряду. В промышленном оборудовании переходные процессы, связанные с коммутацией электродвигателей и других индуктивных нагрузок, представляют для системы намного большие риски, чем воздействие электростатики, т.к. человек контактирует с промышленным оборудованием только при его монтаже и ремонте.

1. Dwight Byrd and Thomas Kugelstadt. Electrostatic discharge testing standards — understanding & comparing the differences//www.eetimes.com.
2. www.ti.com/esd-ca.