درک آسیب‌های ناشی از تخلیه الکترواستاتیک (ESD): انواع، علل و تأثیر آن بر قابلیت اطمینان اجزا

حالت‌های شکست فاجعه‌بار، پنهان و پارامتریک

وقتی صحبت از الکترونیک می‌شود، تخلیه الکترواستاتیک یا ESD می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی روی قابلیت اطمینان اجزا تأثیر منفی بگذارد که این امر عمدتاً به سه روش اتفاق می‌افتد. اولین نوع، خرابی‌های فاجعه‌بار نام دارد که در آن یک جزء تحت تأثیر پالس‌های ولتاژ بالا قرار گرفته و بلافاصله و به‌طور کامل از کار می‌افتد. سپس خرابی‌های پنهان وجود دارند که در ابتدا ظاهری ندارند و تنها مدت‌ها بعد خود را نشان می‌دهند. اجزا ممکن است در ابتدا تمام آزمون‌ها را با موفقیت پشت سر بگذارند، اما در درون خود به‌تدریج و در طول زمان دچار تخریب می‌شوند. این موضوع در آینده مشکل بزرگی ایجاد می‌کند، زیرا دستگاه‌ها در مکان‌های حیاتی مانند بیمارستان‌ها، هواپیماها یا خودروها به‌صورت غیرمنتظره‌ای از کار می‌افتند. سومین نوع، خرابی‌های پارامتریک است که عملکرد الکتریکی اجزا را بدون اینکه آن‌ها را به‌طور فیزیکی از کار بیندازد، تغییر می‌دهد. مثال‌هایی از این نوع خرابی شامل افزایش جریان نشتی یا تغییر سطوح ولتاژ است که به‌تدریج باعث کاهش عملکرد اجزا نسبت به حد استاندارد می‌شوند. بر اساس آخرین آمار ارائه‌شده توسط انجمن EOS/ESD در سال ۲۰۲۳، حدود یک‌سوم تمام خرابی‌های نیمه‌هادی در طول فرآیند تولید، ناشی از مشکلات مربوط به ESD است. و هنگامی که این اتفاق در تولید مدارهای مجتمع پیشرفته رخ می‌دهد، شرکت‌ها ممکن است در هر حادثه از دست صدها هزار دلار درآمد بیفتند.

تخریب فیزیکی: پارگی اکسید گیت، شکست دی‌الکتریک و آسیب به اتصال

با بررسی اشیا تحت میکروسکوپ، تخلیه الکترواستاتیک باعث ایجاد مشکلات ساختاری به سه روش اصلی می‌شود. در مورد ترانزیستورهای اثر میدانی فلز-اکسید (MOSFET)، پدیده‌ای رخ می‌دهد که «پارگی لایه اکسید گیت» نامیده می‌شود. اساساً، این تخلیه از طریق لایه‌های عایق فوقالعاده نازک عبور می‌کند. این مسئله با کوچک‌تر شدن فناوری‌ها به زیر ۱۰ نانومتر، جدی‌تر می‌شود؛ زیرا ضخامت این لایه‌های اکسیدی گاهی تنها حدود ۵ تا ۱۰ اتم است. سپس پدیده‌ای به نام «شکست دی‌الکتریک» وجود دارد که اساساً به معنای ایجاد مسیرهای هدایتی ناخواسته درون خازن‌ها یا سایر عایق‌هاست و معمولاً منجر به اتصال کوتاه می‌شود. مشکل دیگری «آسیب به اتصال‌ها» است که ناشی از تنش حرارتی است. گرمای شدید، اتصالات بین قطعات سیلیکونی و فلزی را ذوب کرده و عملکرد ترانزیستورها را برای همیشه تغییر می‌دهد. بیشتر این خرابی‌ها از تماس عادی انسان آغاز می‌شوند. حتی راه رفتن روی فرش نیز می‌تواند حدود ۱٫۵ کیلوولت بار الکتریکی ایجاد کند. سایر عوامل مؤثر شامل ابزارهای نامناسب یا آلودگی‌هایی هستند که باعث می‌شوند سطوح بیش از حد راحت الکتریسیته را هدایت کنند. میزان آسیب‌پذیری یک قطعه به شدت به نوع دستگاهی که در نظر گرفته می‌شود بستگی دارد.

• آیسی‌های ولتاژ پایین : در ولتاژ کمتر از ۱۰۰ ولت از کار می‌افتند
• دیودهای گسسته : معمولاً تا ۲–۵ کیلوولت مقاومت می‌کنند
• پردازنده‌های پیشرفته : ممکن است توسط تخلیه‌های زیر ۲۵۰ ولت آسیب ببینند

راهبردهای محافظت در برابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD): از طراحی روی تراشه تا اجرای سطح سیستم

محافظت مؤثر در برابر تخلیه الکترواستاتیک نیازمند رویکردی هماهنگ و چندلایه است — که در آن اقدامات امنیتی مستقیماً در سیلیکون تعبیه شده و در عین حال در سطح برد و سیستم نیز تقویت می‌شوند. این استراتژی «دفاع در عمق» اطمینان حاصل می‌کند که تهدیدهای گذرا پیش از رسیدن به مدارهای حساس، شناسایی و خنثی‌سازی می‌شوند.

محافظت روی تراشه در برابر ESD: دیودها، SCRها و دستگاه‌های افت فشار (Snapback)

ساختارهای محافظتی روی تراشه مستقیماً در مدارهای مجتمع ساخته می‌شوند تا رویدادهای ESD را در سطح پین‌ها جلوگیری کنند. راهکارهای کلیدی شامل موارد زیر هستند:

• دیودهای کلامپ : جریان‌های گذرا را به ریل‌های تغذیه یا زمین هدایت می‌کند، زمانی که ولتاژ از آستانه‌های ایمن فراتر رود
• SCRها (یکسوکننده‌های کنترل‌شده سیلیکونی) : با استفاده از قفل‌شدن کنترل‌شده، مسیرهای هدایت با امپدانس پایین را در رویدادهای جریان بالا فعال می‌کند
• دستگاه‌های اسنپ‌بک (Snapback) : از پیکربندی‌های NMOS/PMOS بهره می‌برد که پس از فعال‌شدن، به حالت‌های ولتاژ پایین‌تر و جریان بالاتر منتقل می‌شوند

این عناصر واکنش‌سریع نانوثانیه‌ای، افزایش ولتاژ را به کمتر از ۱۰٪ سطح مخرب محدود می‌کنند — که برای حفظ یکپارچگی اکسید گیت و اتصالات بسیار حیاتی است. طراحان باید به‌دقت بین قدرت محافظتی و ظرفیت خازنی ناخواسته تعادل ایجاد کنند، به‌ویژه در رابط‌های پرسرعت (مانند PCIe 6.0 و USB4)، که در آن‌ها ظرفیت خازنی اضافی می‌تواند یکپارچگی سیگنال را در فرکانس‌های بالاتر از ۵ گیگابیت بر ثانیه مخدوش کند.

محافظت سیستمی در برابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD): دیودهای TVS، فیلترینگ و چیدمان PCB برای اطمینان از مقاومت

محافظت در سطح برد، دفاع‌های روی تراشه را تکمیل می‌کند، زیرا رویدادهای گذرا با انرژی بالاتری را مدیریت می‌کند که از تحمل‌پذیری نیمه‌هادی‌ها فراتر می‌رود. عناصر ضروری شامل:

• دیودهای TVS (سرکوب ولتاژ گذرا) : در فاصله‌ی ۲ میلی‌متری از اتصال‌دهنده‌های ورودی/خروجی قرار می‌گیرد تا ولتاژ را در زمان کمتر از ۱ نانوثانیه به زیر ۵ ولت محدود کند
• فیلترهای پی‌سی‌بی (Π) : ترکیبی از دانه‌های فریت و خازن‌های شنت‌کننده برای تضعیف نویز الکترواستاتیک (ESD) با فرکانس بالا (>۱۰۰ مگاهرتز)
• بهترین روش‌های طراحی صفحه مدار چاپی (PCB) :
  • صفحه‌های زمین پیوسته با امپدانس پایین (<۱۵ میلی‌اهم)
  • حداقل طول ردیاب (تریس) بین دستگاه‌های TVS و آی‌سی‌های محافظت‌شده
  • جداسازی استراتژیک بخش‌های آنالوگ، دیجیتال و رادیوفرکانس (RF) به‌منظور جلوگیری از ایجاد اثرات القایی

هنگامی که این اقدامات مطابق با دستورالعمل‌های استاندارد IEC 61000-4-2 اجرا شوند، می‌توانند مقاومت سیستم در برابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD) را ۴ تا ۸ کیلوولت افزایش دهند. مستحکم‌ترین طرح‌ها ترکیبی از محدودکننده‌های TVS با مسیریابی بهینه‌شده را به‌کار می‌برند تا مسیرهای تخلیه‌ی قابل‌پیش‌بینی و با امپدانس پایین ایجاد کنند— و انرژی را از گره‌های حساس دور سوق دهند.

بسته‌بندی و رویه‌های مقاوم در برابر ESD برای حفظ سلامت اجزا

حفظ سلامت اجزا در طول کل فرآیند، از ساخت ویفر تا استفاده نهایی، نیازمند کنترل دقیق روی نحوه بسته‌بندی و دستکاری آن‌هاست. چندین ماده کلیدی برای این منظور به کار می‌روند. کیسه‌های پراکنده‌کننده استاتیک به دلیل داشتن مقاومتی در محدوده ۱۰^۴ تا ۱۰^۱۱ اهم، به زدودن بارهای سطحی کمک می‌کنند. جعبه‌های هادی ساخته‌شده از پلیمرهای حاوی کربن، جریان‌های الکتریکی نامطلوب را واقعاً هدایت و دور می‌کنند. و سپس ظرف‌های فلزپوشانده‌شده پیشرفته‌ای وجود دارند که با ایجاد چندین لایه محافظتی در برابر میدان‌های الکترواستاتیک خارجی، امنیت اجزا را افزایش می‌دهند. هنگام جابه‌جایی قطعات، نگهدارنده‌های ویژه اجزا همه چیز را در جای خود نگه می‌دارند تا در طول حمل‌ونقل آسیبی وارد نشود. همچنین عملیات لجستیک نیز از پالت‌های ایمن در برابر ESD بهره می‌برند که اثر تریبوالکتریک آزاردهنده — یعنی تجمع بار استاتیک صرفاً در اثر اصطکاک بین اجسام — را جلوگیری می‌کنند.

مهم‌ترین نکاتی که افراد باید هنگام کار با قطعات حساس رعایت کنند، شامل مواردی مانند اطمینان از اتصال زمین‌شدن کارکنان با استفاده از نوارهای مچی که هر روز مورد آزمون قرار می‌گیرند، قرار دادن یونیزاتورها در اطراف سطوح کار برای از بین بردن هرگونه بار الکتریکی ساکن باقی‌مانده و نصب تابلوهای هشدار استاندارد در سراسر محیط — معمولاً مثلث‌های زرد روی بسته‌بندی‌ها که معنایشان برای همه آشکار است. این مجموعه اقدامات به‌طور کلی سطح برق‌سایی ساکن را زیر ۱۰۰ ولت نگه می‌دارد. پژوهش‌های صنعتی نشان می‌دهد که حفظ این سطح، پدیده‌ای به نام «انحراف پارامتری» را کاهش می‌دهد؛ این انحراف اولین نشانه‌ای است که ممکن است آسیب ناشی از تخلیه الکترواستاتیک (ESD) به‌صورت پنهان در حال رخ دادن باشد. گزارش‌های مختلفی از بخش‌های تولیدی نشان می‌دهند که این رویکرد می‌تواند چنین مشکلاتی را بیش از ۳۰ درصد کاهش دهد.