Разумевање оштећења ЕСД: врсте, узроци и утицај на поузданост компоненти

Катастрофни, латентни и параметрични модови неуспеха

Када је реч о електроници, електростатички испуштај или ЕСД може стварно да наруши поузданост компоненте на три главна начина. Прво, постоји оно што називамо катастрофалним неуспехом, када нешто погоди високи напон и одмах престане да ради. Затим постоје и тајни латентни неуспехи који се не појављују до много касније. Компоненте могу на први поглед проћи све тестове, али се унутар полако почевају разлагати током времена. Ово постаје велики проблем када се уређаји неочекивано покваре на важним местима као што су болнице, авиони или аутомобили. Трећи тип су параметричке грешке које мењају како ствари раде електрично без њиховог кршења. Размислите о стварима као што су веће струје за цурење или различити нивои напона који постепено чине компоненте лошијим него што би требало. Према недавним бројевима из Удружења ЕОС/ЕСД још 2023. године, око трећине свих неуспјеха полупроводника током производње узрокују проблеми са ЕСД-ом. А када се то деси у производњи напредних интегралних кола, компаније могу изгубити стотине хиљада долара по инциденту.

Физичко разлагање: Разбијање оксида капи, диелектрични разбијање и оштећење споја

Гледајући ствари под микроскопом, електростатички испуштај узрокује структурне проблеме на три главна начина. Када је реч о МОСФЕТ-овима, оно што се дешава се зове пукотина оксида капије. У суштини, испуштање пробива кроз те супер танке изолационе слојеве. Ово постаје већи проблем док технологија постаје мања од 10 нанометра јер су ти слојеви оксида понекад дебели само око 5 до 10 атома. Затим постоји диелектрични колапс, који у основи значи стварање нежељених проводничких путева унутар кондензатора или других изолатора, што обично доводи до кратких кола. Још један проблем је оштећење споја због топлотног стреса. Интензивна топлота топи везе између силицијума и металних делова, мењајући начин на који транзистори заувек раде. Већина ових неуспеха почиње са редовним старим људским контактом. Само хођење по тепиху може да награди око 1,5 киловольта наплате. Други кривици су лоши алати или прљавштина која чини површине превише проводљивим електричним струјом. Колико је нешто рањиво зависи од врсте уређаја о којем говоримо.

• Нисконапонски ИЦ-ови : Порекло при < 100 В
• Дисконти диоде : Обично издржавају 25 кВ
• Напређени процесори : Могуће је оштетити од пускања испод 250 В

Стратегије за заштиту ЕСД: од пројектовања на чипу до имплементације на нивоу система

Ефикасна заштита ЕСД захтева координирани, вишеслојни приступинтегрирајући заштитне мере директно у силицијум, а истовремено их јачајући на нивоу плоче и система. Ова стратегија одбране у дубини осигурава да се прелазне претње пресретну пре него што дођу до осетљивих кола.

Интегрисана заштита ЕСД-а на чипу: диоде, СЦР-и и Снапбацк уређаји

Заштитне структуре на чипу се директно израђују у интегрисане кола како би пресретле ЕСД догађаје на нивоу пина. Кључна решења укључују:

• Zaporni diodni most : Преусмерите транзиторне струје на влакне шине или на земљу када напон пређе безбедно прагове
• СЦР (Силикон контролисани ректификатори) : Активирајте путеве провођења ниске импеданце током догађаја високе струје путем контролисаног затварања
• Уређаји за повраћање : Извука НМОС/ПМОС конфигурација које прелазе на ниже напоне, високе струје након покретања

Ови елементи са наносекундном реакцијом ограничавају превишавање напона на мање од 10% деструктивних нивоакритичних за очување оксида капи и интегритета споја. Проектанти морају пажљиво балансирати снагу заштите од паразитарног капацита, посебно у интерфејсима високе брзине (нпр. ПЦИЕ 6.0, УБС4), где прекомерни капацитанс може искривити интегритет сигнала изнад 5 Гбит / с.

Заштита ЕСД на нивоу система: ТВС диоде, филтрирање и распоред ПЦБ-а за чврстоћу

Заштита на нивоу плоче допуњује одбрану на чипу управљањем транзијентима веће енергије који прелазе толеранције полупроводника. Основни елементи укључују:

• Диоде за TVS (проминуће сузбијање напона) : Постављени у оквиру 2 мм од И/О коннектора за напоне за затварање испод 5 В за мање од 1 нс
• п-филтри : Комбинирајте феритне биљке и декомполаторне кондензаторе за ублажавање високофреквентне ЕСД буке (> 100 МГц)
• Најбоље праксе у распореду ПЦБ-а :
  • Непрекидна, ниска импедансна површина (< 15 mΩ)
  • Минимална дужина трага између ТВС уређаја и заштићених ИЦ-а
  • Стратешко одвајање аналогних, дигиталних и РФ секција како би се спречило спајање

Када се спроводе према смерницама ИЕЦ 61000-4-2, ове мере могу подићи ИСД имунитет на нивоу система за 48 кВ. Најробуснији дизајни интегришу ТВС запљачкање са оптимизованим рутингом како би успоставили предвидиве, нискоимпедансне путеве пуцањауправљање енергије далеко од осетљивих чворова.

ЕСД заштитна паковања и руковање за интегритет компоненте

Да би компоненте биле непокренене током целог процеса од производње вафера све до коначне употребе, потребна је строга контрола на начин на који су упаковане и обрађене. Постоји неколико кључних материјала који се користе за ову сврху. Статичке дисипативне вреће помажу у уклањању површинских наплата јер имају нивои отпора између 10^4 и 10^11 ом. Проводилачки поднос направљен од угљенских полимера заправо одводи све пролазне електричне струје. А онда постоје и те фенси метализоване контејнере који стварају више слојева заштите од спољашњих електростатичких поља. Када се делови померају, посебни носиоци компоненти све држе на месту тако да се ништа не оштети током превоза. Логистичке операције такође имају користи од ЕСД безбедних палета који спречавају досадан трибоелектрични ефекат када ствари стварају статичку електричност само трљањем.

Кључне ствари које људи морају да прате када се баве осетљивим компонентама су ствари као што су осигурање да су чланови особља у земљи користећи оне реме за заплеће које се свакодневно тестирају, постављање јонизатора око радних површина како би се уништио остатак статичког наплате и постављање Све заједно, ова конфигурација држи нивои статичке електричности испод 100 вольта. Истраживања из индустрије показују да одржавање на овом нивоу смањује нешто што се зове параметрички дрифт, што је у основи први знак да се може догодити скривена штета од ЕСД. Истраживања показују да овај приступ може смањити такве проблеме за више од 30 посто, према различитим извештајима из производних сектора.