電子機器の静電気耐性改善に要するESD保護素子モデリング技術の発展

研究課題

研究課題/領域番号	22K04623
研究種目	基盤研究(C)
配分区分	基金
応募区分	一般
審査区分	小区分25020:安全工学関連
研究機関	東京理科大学
研究代表者	吉田孝博東京理科大学, 工学部電気工学科, 教授 (10385544)
研究期間 (年度)	2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス	交付 (2023年度)
配分額 *注記	4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円) 2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円) 2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円) 2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
キーワード	静電気放電 / ESD保護素子 / TVSダイオード / 静電気耐性 / ESDストレスシミュレーション
研究開始時の研究の概要	電子機器メーカが製品を開発する際，故障や誤動作の原因となる静電気放電（ESD）に強い回路設計を確実かつ効率的に行うためには，電子機器にESDが加わった際に機器内部の半導体部品が受けうる電気的ストレスを推定する回路シミュレーション技術が必要である．そのため本研究では，そのシミュレーションの実現に必要不可欠な，電子機器で多用される静電気対策部品（ESD保護素子）の現実的な特性のモデリング方法の開発と改良を行う．
研究実績の概要	本研究は、電子機器の静電気耐性改善のために電子機器に多く実装されるTVSダイオードなどの静電気放電(ESD)保護素子に対して、同一仕様の保護素子間の特性や保護性能の差までも表現できる、保護素子の計測・評価技術、ならびに保護素子のモデリング手法の実現が目的である。そのため、2022年度からの3年間で(1)動的応答特性モデリング手法の改良ならびに他種の保護素子への対応と、(2)モデリング手法の精度改善に伴うESDストレスシミュレーションの精度改善効果の検証を行う計画である。前者(1)の他種の保護素子であるバリスタのモデリングに関しては、2022年度にベクトルネットワークアナライザ（VNA）を用いて動作状態と非動作状態のモデリングを行うアプローチを試行したが実現への障壁が判明したことから、モデリング手法の改良に必要となる、保護素子の動的応答特性を実測検討するアプローチへ変更した。 2023年度には、より現実的な回路構成を考慮した追加検討として、保護素子に接続される周辺回路素子のインピーダンスが変化した場合の特性変化を実測した。この測定は、TVSダイオードの複数種に対して周辺回路の抵抗値を変化させた様々な水準の評価基板を製作し、ESD試験器にてESDを印加したときの線路の電位差の時間変化を、高電圧差動プローブとオシロスコープで計測する方法で行った。その結果、TVSダイオードの動的応答特性がインピーダンスに依存して変化することを確認し、以下の知見を得た。(1)保護動作時間はインピーダンスが高くなるにつれて長くなるが、インピーダンスが十分に高くなると動作時間の変化は一定になる。(2)インピーダンスは、保護動作が終了した後の電圧低下にも影響を及ぼし、インピーダンスが高いほど電圧低下の時定数が大きくなる。(3)これらの特性は、インピーダンスが高いと保護素子間で差違がより顕著になる。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 3: やや遅れている理由上記の研究実績に記した研究項目については、電子機器の設計時の参考となる有効な知見が得られるとともに、国際学会での採択・成果発表に至ったため、おおむね順調に進展していると考えている。一方、研究実施計画では、この研究項目に加えて、他種の保護素子であるバリスタに提案手法を対応させるための装置構造の試作について掲げていたが、2022年度に多くの時間を割いて装置を試作して挑戦したにもかかわらず、計測の実現には及ばず、実現への障壁が判明したために、アプローチを変更することとなり、時間的なロスが生じた。このアプローチ変更に伴い、2024年度には、2023年度に行った保護素子の動的応答特性のインピーダンス依存性の検討を通じて発見した追加調査すべき水準（後述）を調査することとしたために、一層の時間を要することとなった。そのため、研究実施計画で掲げた、得られた知見をESD保護素子のモデリング手法に反映させて行うESDストレスシミュレーションの精度改善に関する実施が遅れることから、総合的な進捗状況を「（3）やや遅れている。」とした。
今後の研究の推進方策	2023年度に行った、ESD保護素子に接続される周辺回路素子のインピーダンスが変化した場合の特性変化に関する実測検討を元として、2024年度には、近年急速に発展するウェアラブル機器やIoT機器などのように、機器がバッテリーで動作しており、電源やケーブルなどを介して接地されていないフローティング状態にある機器における、TVSダイオードのESD応答特性の回路インピーダンス依存性を実測検討する。そのために、評価基板のGNDを接地せずフローティング状態とした上で2023年度と同様の測定を行ってゆく。なお、この実測には、2023年度に構築した測定系と測定方法が利用できるが、フローティング状態の機器に対してESD試験器を用いてESDを印加する際に予想される問題とその回避法についても併せて検討を進める。また、この測定調査と並行して、これらで得られた知見をESD保護素子のモデリング手法に反映させて行うESDストレスシミュレーションの精度改善についても実施してゆく。