ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2023, № 1 · РАДИОТЕХНИКА

Влияние ёмкости посадочного места транзистора на его устойчивость к воздействию электростатического разряда

А.А. Дроздова1, И.И. Николаев1, М.Е. Комнатнов1

1 Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2023.1.12 УДК 621.382.323 EDN ZTUFRR

Аннотация

В работе представлена оценка устойчивости полевых транзисторов к воздействию электростатического разряда. Она выполнена для двух полевых транзисторов разного типа проводимости, IRFZ46N и IRF4905 SPbF, в разных корпусах ТО-220 и ТО-263, с учётом и без учёта ёмкости посадочного места. Представлены аналитическая и квазистатическая модели посадочных мест корпусов транзисторов и с их помощью выполнен анализ собственных и взаимных ёмкостей с учётом и без учёта слоя припоя. Анализ показал, что слой припоя на электродах транзистора увеличивает ёмкость затвор-исток и сток-исток в 1,7 раза для транзистора IRFZ46N и в 2,2 раза для транзистора IRF4905 SPbF. На основе вычисленных ёмкостей создана схемотехническая модель транзистора, учитывающая корпус и посадочное место со слоем припоя. Приведены схема и модель для оценки устойчивости транзисторов к воздействию электростатического разряда в схемотехническом симуляторе. Анализ результатов моделирования и экспериментов показал, что ёмкость посадочного места с учётом слоя припоя оказывает значительное влияние на пробивное напряжение подзатворного диэлектрика транзистора при воздействии электростатического разряда. Показано, что критичными амплитудами напряжения электростатического разряда для работоспособности транзисторов IRFZ46N в корпусе ТО-220 и IRF4905 SPbF в корпусе ТО-263 с учётом ёмкости посадочного места являются 3,05 и 4,75 кВ, а без учёта эти значения выше на 0,2-0,25 кВ. Сравнение результатов моделирования и эксперимента показало различие не более 2%.

  • электромагнитная совместимость
  • электростатический разряд
  • электронные компоненты
  • транзистор
  • напряжение пробоя
Abstract (in English)

Influence of the transistor seat capacitance on its immunity to electrostatic discharge

The paper presents an assessment of the resistance of field-effect transistors to the effects of an electrostatic discharge. It is made for two field-effect transistors of different types of conductivity, IRFZ46N and IRF4905 SPbF, in different TO-220 and TO-263 packages, with and without taking into account the seat capacitance. Analytical and quasi-static models of transistor package seats are presented, and with their help, an analysis of intrinsic and mutual capacitances is carried out with and without allowance for the solder layer. The analysis showed that the solder layer on the transistor electrodes increases the gate-source and drain-source capacitance by 1.7 times for the IRFZ46N transistor and by 2.2 times for the IRF4905 SPbF transistor. Based on the calculated capacitances, a circuit model of the transistor was created, taking into account the packages and seat with a solder layer. A circuit and a model are presented for assessing the resistance of transistors to the effects of an electrostatic discharge in a circuit simulator. An analysis of the results of simulating and experiments showed that the seat capacitance, taking into account the solder layer, has a significant effect on the breakdown voltage of the gate dielectric of the transistor when exposed to an electrostatic discharge. It is shown that the critical amplitudes of the electrostatic discharge voltage for the performance of the IRFZ46N transistors in the TO-220 package and IRF4905 SPbF in the TO-263 package, taking into account the capacitance of the seat, are 3.05 and 4.75 kV, and without taking into account these values are higher by 0.2-0.25 kV. A comparison of the simulation and experimental results showed a difference of no more than 2%.

Для цитирования

Дроздова А.А., Николаев И.И., Комнатнов М.Е. Влияние ёмкости посадочного места транзистора на его устойчивость к воздействию электростатического разряда // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – № 1. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.1.12

Литература

  1. Кечиев Л.Н., Пожидаев Е.Д. Защита электронных средств от воздействия статического электричества. Москва, Издательский дом "Технологии". 2005. 352 с.
  2. Lin N., Liang Y., Wang P. Evolution of ESD process capability in future electronic industry. 15th Int. conf. on electronic packaging technology. Chengdu, China. 2014. Р.1556-1560. https://doi.org/10.1109/ICEPT.2014.6922951
  3. Горлов М.И. Статическое электричество и полупроводниковая электроника. Природа. 2006. №12. С.27-36.
  4. Xijun Z., Zhancheng W., Xuejun S., Wenwu S. Study on effect experiment of ESD EMP to single chip microcontroller. IEEE Int. Symp. on microwave, antenna, propagation and EMC tech. Beijing. 2005. P.631-634. https://doi.org/10.1109/MAPE.2005.1617990
  5. Алексеев В.Ф., Силков Н.И., Пискун Г.А., Пикулик А.Н. Методика испытания микроконтроллеров на чувствительность к электростатическим разрядам. Электроника, радиофизика, радиотехника, информатика. 2011. №5(59). С.5-11.
  6. Горлов М.И., Андреев А.В., Воронцов И.В. Воздействие электростатических зарядов на изделие полупроводниковой электроники и радиоэлектронной аппаратуры. Воронеж, Изд. Воронежского государственного университета. 1997. 160 с.
  7. Konstantinov U.A., Pozhidaev E.D., Tumkovskiy S.R. Investigation of electrostatic discharge effect on high-power MOSFET-transistors considering the influence of PCB.Int. seminar on elec. dev. design and prod. (SED). Prague, Czech Republic. 2019. P.1-4. https://doi.org/10.1109/SED.2019.8798468
  8. Структуры интегральных МОП-транзисторов [web]. Helpiks. Дата обращения: 11.06.2022. URL: https://helpiks.org/7-69025.html
  9. White paper 2: A case for lowering component level CDM ESD specifications and requirements, industry council on ESD target levels. Industry Council on ESD Target Levels Revision 2.0. 2010. 173 p.
  10. Константино Ю.А., Горланов Е.С., Пожидаев Е.Д., Тумковский С.Р. Компьютерное моделирование воздействия электростатических разрядов на мощные МОП-транзисторы с учетом влияния ёмкости печатной платы. Системный администратор. 2018. №9 (190). С.84-89.
  11. Комнатнов М.Е., Почуев М.И. Предварительный анализ причин аномальной работы автогенератора Пирса. Научно-техническая конференция молодых специалистов ОАО "ИСС". 2014. С.90-92.
  12. PackageDetails - TO-220 [web]. Central Semiconductor Corp. Дата обращения: 15.06.2022. URL: https://www.centralsemi.com/PDFS/CASE/TO_220_PD.PDF
  13. ТО-263AB [web]. Diodes Incorporated. Дата обращения 15.06.2022. URL: https://www.diodes.com/assets/Package-Files/TO263AB%20(D2PAK).pdf
  14. Schneider M.V. Microstrip lines for microwave integrated circuits. Bell Syst. Tech. 1969. V.48. №5. P.1421-1444.
  15. Wheeler H.A. Transmission line properties of a strip on a dielectric sheet on a plane. IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1977. V.MTT-25. №8. P.631. https://doi.org/10.1109/TMTT.1965.1125962
  16. Левицкий А.С., Балящук Л.И. Расчёт электрической ёмкости конденсаторов с компланарными электродами. Техн. Электродинамика. 2008. №1. С.64-70.
  17. Куксенко С.П., Заболоцкий А.М., Мелкозеров А.О. Новые возможности системы моделирования электромагнитной совместимости TALGAT. Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2015. Т.36. №2. С.45-50.
  18. Shichman H., Hodges А. Modeling and simulation of insulated-gate field-effect transistor switching circuits. IEEE Journal of solid-state circuits. 1968. V.3. №3. P.285-289. https://doi.org/10.1109/JSSC.1968.1049902
  19. LTspice [web]. Analog devices. Дата обращения 1.07.2022. URL: https://www.analog.com/ru/design-center/design-tools-andcalculators/ltspice-simulator.html
  20. IRFZ46NPbF [web]. HEXFET Power MOSFET. Дата обращения 25.06.2022. URL: https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-IRFZ46N-DataSheet-v01_01-EN.pdf?fileId=5546d462533600a40153563b734b
  21. IRF4905SPb [web]. HEXFET Power MOSFET. Дата обращения 25.06.2022. URL: https://alltransistors.com/adv/pdfdatasheet_international_rectifier/irf4905lpbf_irf4905spbf.pdf
  22. Модели транзисторов, диодов, микросхем и т.д. [web]. Musatoffcv. Дата обращения 4.07.2022. URL: http://musatoffcv.narod.ru/Libs/Models.htm
  23. Yousaf J., Shin J., Lee H., Nah W. Efficient circuit and EM model of electrostatic discharge generator. IEEE Int. symp. on electromagn. сompat. and signal/power integrity (EMCSI). 2017. P.164-168. https://doi.org/10.1109/ISEMC.2017.8077860
  24. ГОСТ Р 51317.4.2-2010 (МЭК 61000-4-2:2008). Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний. 2010. 26 с.
  25. International IOR rectifier, IR Application Note AN-986. ESD Testing of MOS Gated Power Transistors. 1998. 20 p.