ESD pažeidimų supratimas: tipai, priežastys ir poveikis komponentų patikimumui

Katastrofiški, latentiniai ir parametriniai gedimo režimai

Kai kalbama apie elektroniką, elektrostatinio iškrovimo (ESD) reiškinys gali rimtai paveikti komponentų patikimumą trimis pagrindiniais būdais. Pirmasis – tai taip vadinamos katastrofinės gedimų formos, kai komponentas patenka į aukštos įtampos smūgius ir iš karto visiškai nustoja veikti. Antrasis – tai nepastebimi uždelstieji gedimai, kurie pasireiškia tik daug vėliau. Komponentai pradžioje gali išlaikyti visus bandymus, tačiau viduje jie laipsniškai pradeda degraduotis. Tai vėliau tampa didelė problema, kai įrenginiai netikėtai sugenda svarbiose vietose, pvz., ligoninėse, lėktuvuose ar automobiliuose. Trečioji rūšis – parametriniai gedimai, kurie keičia komponentų elektrinį veikimą, neatlikdami jų fizinio pažeidimo. Tai, pavyzdžiui, padidėjęs nuotėkio srovės lygis ar kitokie įtampos lygiai, kurie laipsniškai prastina komponentų veikimą prieš tai numatyto lygio. Pagal 2023 m. Elektrostatinio iškrovimo ir elektros pernašos (EOS/ESD) asociacijos paskelbtus duomenis, maždaug viena trečdalio visų puslaidininkių gamybos metu kilusių gedimų sukeliami dėl ESD problemų. Kai tokie gedimai įvyksta sudėtingų integruotų grandynų gamyboje, įmonės vieno incidento metu gali prarasti šimtus tūkstančių dolerių.

Fizinis susidėvėjimas: vartų oksido plyšimas, dielektriko prapūtimas ir sandūros pažeidimas

Nagrinėjant dalykus mikroskopu, elektrostatinio išlydžio poveikis sukelia struktūrinių problemų trimis pagrindiniais būdais. Kas liečia MOSFET tranzistorius, įvyksta tai, kas vadinama šilumos izoliacinės sluoksnio (gate oxide) pertrauka. Paprasčiausiai tariant, išlydis praplešina tuos labai plonus izoliacinio sluoksnio sluoksnius. Ši problema dar labiau susidėtingėja, kai technologijos mažėja iki mažiau nei 10 nanometrų, nes šie oksidiniai sluoksniai kartais būna tik apie 5–10 atomų storio. Kitas reiškinys – dielektrinės medžiagos pralaužimas, kuris esminiu požiūriu reiškia netikėtų laidžių takų susidarymą kondensatoriuose ar kituose izoliatoriuose, dažniausiai sukeliant trumpuosius jungimus. Dar viena problema – sandūros pažeidimas dėl šiluminės apkrovos. Intensyvi šiluma ištirpdo ryšius tarp silicio ir metalo detalių, nuolat pakeisdama tranzistorių veikimą. Dauguma šių gedimų prasideda paprastu žmogaus lietimu. Paprastas vaikščiojimas ant kilimo gali sukurti apie 1,5 kV įtampą. Kitos priežastys – netinkami įrankiai ar nešvarumai, kurie padaro paviršius pernelyg laidžiais elektrai. Objekto jautrumas priklauso daugiausia nuo to, kokio tipo įrenginys yra aptariamas.

• Žemo įtampos integrinės schemos : žūsta esant <100 V
• Atskiri diodai : paprastai atlaiko 2–5 kV
• Pažangūs procesoriai : gali būti pažeisti išlydžių esant mažiau nei 250 V

ESD apsaugos strategijos: nuo įtaisyto į kristalą dizaino iki sisteminio lygio įdiegimo

Veiksminga ESD apsauga reikalauja suderintos, daugiapakopės priemonės – apsaugos mechanizmų integrovimo tiesiogiai į silicio kristalą ir jų stiprinimo plokštės bei sistemos lygiu. Ši giluminės apsaugos strategija užtikrina, kad laikinosios pernagrinėjimo grėsmės būtų sustabdytos dar prieš pasiekdamos jautriąją grandinę.

Integruota į kristalą ESD apsauga: diodai, tiristoriai (SCR) ir „snapback“ įrenginiai

Į kristalą įtaisyti apsaugos elementai gamiami tiesiogiai integruotose schemose, kad būtų užkirstas kelias ESD reiškiniams prie kontaktų lygio. Pagrindinės sprendimo priemonės yra:

• Žnyplių diodai nukreipti laikinusius srovės tekėjimus į maitinimo būsenas ar žemę, kai įtampa viršija saugias ribas
• SCR (silicio valdomieji lygintuvai) aktyvuoti mažos varžos laidumo kelius aukštos srovės įvykių metu, kontroliuojant užrakinimą
• „Snapback“ įrenginiai panaudoti NMOS/PMOS konfigūracijas, kurios po aktyvinimo pereina į žemesnės įtampos, bet didesnės srovės būseną

Šie nanosekundžių atsako elementai įtampų viršukus apriboja mažiau nei 10 % nuo žalingų lygių – tai ypač svarbu šilumos izoliacinėms plėvelėms ir sandūrų vientisumui išsaugoti. Projektuotojai turi atidžiai subalansuoti apsaugos stiprumą ir parazitinę talpą, ypač aukšto dažnio sąsajose (pvz., PCIe 6.0, USB4), kur per didelė talpa gali iškreipti signalo vientisumą esant dažniams virš 5 Gbps.

Sisteminė ESD apsauga: TVS diodai, filtravimas ir spausdintinės plokštės išdėstymas patikimumui užtikrinti

Plokštės lygio apsauga papildo mikroschemų viduje esančią apsaugą, tvarkydama didesnės energijos laikinąsias įtampas, kurios viršija puslaidininkių leistinas ribas. Būtini elementai yra:

• TVS (laikinosios įtampos slopinimo) diodai įdėta 2 mm atstumu nuo įėjimo/išėjimo jungtukų, kad įtampa būtų suvaržoma žemiau 5 V per mažiau nei 1 ns
• π filtrai jungia ferito rutuliukus ir išsklaidymo kondensatorius, kad būtų sumažintas aukštos dažnio elektrostatinio iškrovos triukšmas (>100 MHz)
• SPB išdėstymo geriausios praktikos :
  • Tolydžios, žemo varžos žemės plokštumos (<15 mΩ)
  • Minimalus laidų ilgis tarp TVS įrenginių ir apsaugomų integrinių grandynų
  • Strateginis analoginių, skaitmeninių ir RF skyrių atskyrimas, kad būtų išvengta jų sąveikos

Kai šie priemonės taikomos laikantis IEC 61000-4-2 rekomendacijų, sistemos lygio elektrostatinės iškrovos atsparumas gali būti padidintas 4–8 kV. Patikimiausiuose projektuose TVS įtampų suvaržymas integruojamas su optimizuotu maršrutizavimu, kad būtų sukurti numatyti, žemo varžos iškrovos kelias – energija nukreipiama nuo jautrių mazgų.

Elektrostatinės iškrovos apsauginė pakuotė ir komponentų tvarkymas, užtikrinantis jų vientisumą

Komponentų išlaikymas nepažeistų visuose etapuose – nuo plokštelės gamybos iki galutinio naudojimo – reikalauja griežto kontrolės, kaip jie supakuojami ir tvarkomi. Šiam tikslui naudojama keletas pagrindinių medžiagų. Statinės elektros išsisklaidymo maišeliai padeda pašalinti paviršiaus krūvius, nes jų varža yra tarp 10^4 ir 10^11 omų. Laytinės dėžutės, pagamintos iš anglies priemaišomis apkrautų polimerų, iš tikrųjų nukreipia bet kokius atsitiktinius elektrinius srovės tekėjimus. Be to, yra įdomios metalizuotos talpyklos, kurios sukuria kelių sluoksnių apsaugą nuo išorinių elektrostatinių laukų. Perkeliant komponentus, specialūs laikikliai užtikrina, kad viskas liktų vietoje ir niekas nebūtų pažeista vežant. Logistikos operacijoms taip pat naudingos ESD saugios palletės, kurios neleidžia nepatogiajam triboelektriniam reiškiniui – kai statinė elektros krūvis susidaro dėl daiktų trinties vienas į kitą.

Pagrindiniai dalykai, kuriuos žmonėms reikia laikytis tvarkant jautrius komponentus, yra tokie kaip užtikrinti, kad darbuotojai būtų įžeminti naudojant rankų juostas, kurios kasdien tikrinamos, darbo paviršiuose įrengti jonizatorius, kad pašalintų likusią statinę įtampą, ir visur pritvirtinti standartinius įspėjamuosius ženklus – dažniausiai geltonus trikampius ant pakuotės, kurių reikšmę visi žino. Visos šios priemonės kartu padeda išlaikyti statinės elektra lygį žemiau 100 voltų. Pramonės tyrimai rodo, kad išlaikant šį lygį sumažėja taip vadinamas parametrinis nukrypimas, kuris iš esmės yra pirmasis požymis, kad gali vykti paslėptas ESD (elektrostatinio išlydžio) pažeidimas. Įvairūs gamybos sektoriaus pranešimai nurodo, kad toks požiūris gali sumažinti tokius problemas daugiau nei 30 procentų.