Pochopte poškodenie spôsobené ESD: typy, príčiny a vplyv na spoľahlivosť komponentov

Katasrofálne, latentné a parametrické režimy porúch

Keď ide o elektroniku, elektrostatický výboj (ESD) môže výrazne ovplyvniť spoľahlivosť komponentov tromi hlavnými spôsobmi. Prvým sú takzvané katastrofálne poruchy, pri ktorých sa komponent zasiahne vysokonapäťovými špičkami a okamžite úplne prestane fungovať. Druhým typom sú nenápadné latentné poruchy, ktoré sa prejavujú až oveľa neskôr. Komponenty môžu na prvý pohľad úspešne prejsť všetky testy, no vnútorne sa postupne začínajú degradovať. Toto sa neskôr stáva vážnym problémom, keď zariadenia neočakávane zlyhajú v kritických prostrediach, ako sú nemocnice, lietadlá alebo automobily. Tretím typom sú parametrické poruchy, ktoré menia elektrické správanie komponentov bez ich fyzického poškodenia. Ide napríklad o vyššie únikové prúdy alebo odlišné úrovne napätia, ktoré postupne spôsobujú horšie výkonnostné charakteristiky komponentov, než by mali mať. Podľa najnovších údajov z organizácie EOS/ESD Association z roku 2023 približne jedna tretina všetkých porúch polovodičov počas výroby je spôsobená problémami s ESD. Ak sa to stane pri výrobe pokročilých integrovaných obvodov, firmy môžu pri každom takom incidente stratiť stovky tisíc dolárov.

Fyzické degradácia: prerušenie bránového oxidu, prienik dielektrika a poškodenie prechodu

Ak sa na veci pozrieme pod mikroskopom, elektrostatický výboj spôsobuje štrukturálne problémy tromi hlavnými spôsobmi. V prípade MOSFETov dochádza k javu nazývanému prerušenie oxidového vrstvy brány. V podstate výboj prebijie tieto extrémne tenké izolačné vrstvy. Tento problém sa zväčšuje, keď sa technológia zmenšuje na menej ako 10 nanometrov, pretože tieto oxidové vrstvy sú niekedy hrubé len približne 5 až 10 atómov. Ďalším javom je dielektrický prienik, čo v podstate znamená vytvorenie nežiaducich vodivých ciest vo vnútri kondenzátorov alebo iných izolátorov, čo zvyčajne vedie ku skratom. Ďalším problémom je poškodenie prechodu spôsobené tepelným zaťažením. Intenzívne teplo roztaví spojenia medzi kremíkom a kovovými časťami a trvalo mení spôsob fungovania tranzistorov. Väčšina týchto porúch začína bežným fyzickým kontaktom človeka. Stačí len chodiť po koberci, aby sa nahromadilo približne 1,5 kilovoltu náboja. Medzi ďalšie príčiny patria nevhodné nástroje alebo nečistota, ktorá spôsobuje, že povrchy sa stanú príliš vodivými.

• Integrované obvody nízkeho napätia : Zlyhávajú pri < 100 V
• Diskrétne diódy : Zvyčajne vydržia 2–5 kV
• Pokročilé procesory : Môžu byť poškodené výbojmi nižšími ako 250 V

Stratégie ochrany pred elektrostatickým výbojom (ESD): od návrhu ochrany na čipe až po implementáciu na úrovni systému

Účinná ochrana pred ESD vyžaduje koordinovaný, viacvrstvový prístup – integrovanie ochranných mechanizmov priamo do kremíka a zároveň ich posilnenie na úrovni dosky a systému. Táto stratégiu „ochrany v hĺbke“ zabezpečuje, že prechodné hrozby budú zachytené ešte predtým, než dosiahnu citlivé obvody.

Integrovaná ochrana pred ESD na čipe: diódy, tyristory (SCR) a zariadenia s efektom snapback

Štruktúry ochrany pred ESD na čipe sa vyrábajú priamo v integrovaných obvodoch, aby zachytávali udalosti ESD na úrovni vývodov. Kľúčové riešenia zahŕňajú:

• Zachytávacie diódy odvádza prechodné prúdy na napájacie vodiče alebo uzemnenie, ak napätie presiahne bezpečné hranice
• SCR (silikónové riadené usmerňovače) aktivuje vodivé cesty s nízkym impedančným prechodom počas udalostí s vysokým prúdom prostredníctvom riadeného zapnutia (latch-up)
• Zariadenia typu snapback využívajú konfigurácie NMOS/PMOS, ktoré sa po aktivácii prepnú do stavov s nižším napätím a vyšším prúdom

Tieto prvky s odpoveďou v nanosekundách obmedzujú prekročenie napätia na menej ako 10 % ničivej úrovne – čo je kritické pre zachovanie integritu oxidových vrstiev brán a prechodov. Návrhári musia starostlivo vyvážiť úroveň ochrany voči parazitnej kapacite, najmä v rozhraniach s vysokou rýchlosťou (napr. PCIe 6.0, USB4), kde nadbytočná kapacita môže narušiť integritu signálu pri rýchlostiach vyšších než 5 Gbps.

Systémová ESD ochrana: TVS diódy, filtrovanie a usporiadanie plošného spoja (PCB) pre zvýšenú odolnosť

Ochrana na úrovni dosky dopĺňa ochranu integrovaných obvodov tým, že spravuje prechodné javy s vyššou energiou, ktoré presahujú povolené limity polovodičov. Základné prvky zahŕňajú:

• TVS (ochranné tranzientné napäťové) diódy umiestnené do vzdialenosti 2 mm od I/O konektorov, aby obmedzili napätie pod 5 V za menej ako 1 ns
• π-filtry kombinujú feritové guľôčky a odvádzacie kondenzátory na potlačenie vysokofrekvenčného ESD šumu (> 100 MHz)
• Odporúčané postupy pre usporiadanie plošných spojov (PCB) :
  • Spojité uzemňovacie roviny s nízkou impedanciou (< 15 mΩ)
  • Minimálna dĺžka vodičov medzi zariadeniami TVS a chránenými integrovanými obvodmi
  • Strategické oddelenie analógových, digitálnych a RF častí za účelom predchádzania vzájomnému ovplyvňovaniu

Ak sa tieto opatrenia uplatnia v súlade s pokynmi normy IEC 61000-4-2, môžu zvýšiť úroveň odolnosti systému voči ESD o 4–8 kV. Najodolnejšie návrhy integrujú obmedzovanie napätia pomocou zariadení TVS s optimalizovaným vedením vodičov, čím vytvárajú predvídateľné, nízkoprezové výbojové cesty – odvádzajú energiu od citlivých uzlov.

ESD ochranné obaly a manipulácia s komponentmi na zachovanie ich integrity

Zachovanie neporušenosti komponentov počas celého procesu – od výroby polovodičových platní až po ich konečné použitie – vyžaduje prísne riadenie ich balenia a manipulácie. Na tento účel sa používa niekoľko kľúčových materiálov. Staticky disipatívne vrecúška pomáhajú odstrániť povrchové náboje, pretože majú odpor v rozsahu od 10^4 do 10^11 ohmov. Vodivé podložky vyrobené z polymérov naplnených uhlíkom skutočne odvádzajú akékoľvek náhodné elektrické prúdy. A potom sú tu tie špičkové metalizované obaly, ktoré vytvárajú viacvrstvovú ochranu proti vonkajším elektrostatickým poľom. Pri preprave súčiastok špeciálne držiaky pre komponenty zabezpečujú ich pevné umiestnenie, aby sa počas prepravy nič nepoškodilo. Logistické operácie profitujú aj z ESD-bezpečných paliet, ktoré zabraňujú otravnému triboelektrickému javu, pri ktorom sa statický elektrický náboj vytvára jednoducho trením medzi povrchmi.

Kľúčové veci, ktorým sa ľudia musia pri manipulácii so zvlášť citlivými komponentmi riadiť, zahŕňajú napríklad zabezpečenie uzemnenia personálu pomocou náramkov na zápästie, ktoré sa každodenne testujú, umiestnenie ionizátorov okolo pracovných plôch, aby sa odstránil akýkoľvek zostávajúci statický náboj, a umiestnenie štandardných výstražných značiek všade – zvyčajne žltých trojuholníkov na baleniach, ktorých význam je všetkým známy. Spoločne tento systém udržiava úroveň statickej elektriny pod 100 voltov. Odvetvové štúdie ukazujú, že udržiavanie tejto úrovne znižuje takzvaný parametrický posun, čo je v podstate prvý príznak možného skrytého poškodenia spôsobeného elektrostatickým výbojom (ESD). Podľa rôznych správ z výrobných odvetví sa touto metódou dajú takéto problémy znížiť o viac ako 30 percent.