ESD Hasarını Anlamak: Türleri, Nedenleri ve Bileşen Güvenilirliği Üzerindeki Etkisi

Katastrofik, Gizli ve Parametrik Arıza Modları

Elektronik konusunda, elektrostatik deşarj (ESD), bileşen güvenilirliğini üç ana yoldan ciddi şekilde etkileyebilir. İlk olarak, yüksek gerilim darbeleriyle etkilenen ve hemen tamamen çalışmaz hâle gelen durumlara 'katastrofik arızalar' denir. İkinci olarak, çok daha sonra ortaya çıkan bu gizli 'gizli arızalar' vardır. Bileşenler ilk bakışta tüm testleri geçebilir; ancak iç yapılarında zamanla yavaş yavaş bozulma başlar. Bu durum, hastaneler, uçaklar veya otomobiller gibi kritik alanlarda cihazların beklenmedik şekilde arızalanmasına neden olduğunda ilerleyen dönemlerde büyük bir sorun haline gelir. Üçüncü tip ise bileşenleri fiziksel olarak kırmadan elektriksel davranışlarını değiştiren 'parametrik arızalardır'. Örneğin, sızıntı akımlarının artması ya da gerilim seviyelerindeki değişiklikler gibi durumlar, bileşenlerin performansını giderek beklendiği düzeyin altına düşürür. 2023 yılında EOS/ESD Derneği tarafından yayımlanan son verilere göre, üretim sırasında yaşanan tüm yarı iletken arızalarının yaklaşık üçte biri ESD kaynaklıdır. Bu durum gelişmiş entegre devre üretimi sırasında gerçekleştiğinde şirketler, her olayda yüz binlerce dolar kaybedebilir.

Fiziksel Bozulma: Kapı Oksit Patlaması, Dielektrik Kısmın Delinmesi ve Eklem Hasarı

Bir mikroskop altında inceleyince, elektrostatik deşarj üç ana yoldan yapısal sorunlara neden olur. MOSFET’ler söz konusu olduğunda gerçekleşen olaya 'kapı oksit patlaması' denir. Temelde deşarj, bu son derece ince yalıtım katmanlarının içinden geçer. Teknoloji 10 nanometreden daha küçük boyutlara ulaştıkça bu sorun daha da büyüyebilir; çünkü bu oksit katmanları bazen yalnızca yaklaşık 5 ila 10 atom kalınlığındadır. Ardından 'dielektrik kırılması' gelir; bu, kondansatörler veya diğer yalıtkanlar içinde istemsiz iletken yollar oluşturmayı ifade eder ve genellikle kısa devrelere yol açar. Başka bir sorun ise ısı stresi kaynaklı eklem hasarıdır. Yoğun ısı, silisyum ile metal parçalar arasındaki bağlantıları eritir ve transistörlerin çalışma şeklini kalıcı olarak değiştirir. Bu arızaların çoğu sıradan insan temasıyla başlar. Örneğin bir halı üzerinde yürümek yaklaşık 1,5 kilovoltluk bir yük birikimine neden olabilir. Diğer etkenler arasında uygun olmayan aletler veya yüzeyleri fazla kolay iletken hâle getiren kirler yer alır. Bir cihazın ne kadar savunmasız olduğu, söz konusu cihazın türüne büyük ölçüde bağlıdır.

• Düşük gerilimli entegre devreler : 100 V altındaki gerilimlerde arızalanır
• Ayrık diyotlar : Genellikle 2–5 kV’luk gerilimlere dayanır
• Gelişmiş işlemciler : 250 V altındaki deşarjlara karşı hassastır ve zarar görebilir

ESD Koruma Stratejileri: Entegre Devre Düzeyinden Sistem Düzeyine Uygulamaya Kadar

Etkili ESD koruması, entegre devre içi korumaları doğrudan silisyum üzerine yerleştirirken aynı zamanda bu korumaları baskı devresi ve sistem düzeyinde de güçlendiren koordine edilmiş, çok katmanlı bir yaklaşım gerektirir. Bu derinlikli savunma stratejisi, geçici tehditlerin hassas devre elemanlarına ulaşmadan önce engellenmesini sağlar.

Entegre Devre İçindeki ESD Koruma Yapıları: Diyotlar, SCR’ler ve Snapback Cihazları

Entegre devre içi koruma yapıları, ESD olaylarını bağlantı bacak seviyesinde engellemek amacıyla doğrudan entegre devrelere işlenir. Temel çözümler şunlardır:

• Klep Diyotları gerilim güvenli eşikleri aştığında geçici akımları güç hatlarına veya toprağa yönlendirir
• SCR'ler (Silisyum Kontrollü Doğrultucular) yüksek akım olayları sırasında kontrollü kilitlenme ile düşük empedanslı iletim yollarını etkinleştirir
• Snapback cihazları tetiklendikten sonra daha düşük gerilimli, yüksek akımlı durumlara geçen NMOS/PMOS yapılarından yararlanır

Bu nanosaniye-cevaplı elemanlar, aşırı gerilimi yıkıcı seviyelerin %10’undan daha az düzeyde sınırlandırır—bu, kapı oksitlerini ve birleşim bölgelerinin bütünlüğünü korumak açısından kritiktir. Tasarımcılar, özellikle sinyal bütünlüğünü 5 Gbps üzeri hızlarda bozabilecek fazla kapasitans nedeniyle, koruma gücünü parazitik kapasiteye karşı dikkatlice dengelemelidir (örneğin, PCIe 6.0, USB4 gibi yüksek hızlı arayüzlerde).

Sistem Düzeyi ESD Koruması: TVS Diyotları, Filtreleme ve Dayanıklı PCB Düzeni

Tahta düzeyi koruma, yarı iletken toleranslarını aşan daha yüksek enerjili geçici olayları yöneterek entegre devre içi korumayı tamamlar. Temel unsurlar şunlardır:

• TVS (Geçici Gerilim Bastırma) diyotları i/O bağlayıcılarına 2 mm mesafe içinde yerleştirilir; gerilimleri 1 ns'den kısa sürede 5 V altına sınırlar
• π-filtreler yüksek frekanslı ESD gürültüsünü (>100 MHz) bastırmak için ferrit boncuklar ve geçiş kapasitörleri birleştirilir
• PCB yerleşiminde en iyi uygulamalar :
  • Sürekli, düşük empedanslı toprak düzlemleri (<15 mΩ)
  • TVS cihazları ile korunan entegre devreler (IC'ler) arasındaki iz uzunluğunun minimum tutulması
  • Analog, dijital ve RF bölümlerinin, kuplajı önlemek amacıyla stratejik olarak ayrılması

IEC 61000-4-2 yönergelerine uygun şekilde uygulandığında bu önlemler, sistem seviyesindeki ESD dayanıklılığını 4–8 kV artırabilir. En sağlam tasarımlar, enerjiyi hassas noktalardan uzaklaştıran, öngörülebilir ve düşük empedanslı deşarj yolları oluşturmak amacıyla TVS sınırlamasını optimize edilmiş yönlendirmeyle birleştirir.

Bileşen Bütünlüğü İçin ESD Koruyucu Ambalaj ve İşleme Yöntemleri

Yarı iletkenlerin üretiminden (wafer üretimi) son kullanımına kadar tüm süreç boyunca bileşenlerin bütünlüğünü korumak, ambalajlanmaları ve taşınmaları üzerinde sıkı bir kontrol gerektirir. Bu amaçla kullanılan birkaç temel malzeme vardır. Statik dağıtıcı torbalar, yüzeydeki elektrik yüklerini gidermeye yardımcı olur çünkü direnç değerleri 10^4 ile 10^11 ohm arasındadır. Karbonla dolgulanmış polimerlerden üretilen iletken tepsiler, kaçak elektrik akımlarını gerçekten iletebilir. Ayrıca, dış elektrostatik alanlara karşı çok katmanlı koruma sağlayan bu özel metalize kaplar da bulunmaktadır. Parçalar taşınırken özel bileşen tutucuları, her şeyi yerinde tutarak taşıma sırasında herhangi bir hasar oluşmasını önler. Lojistik operasyonları da ESD güvenli paletlerden faydalanır; bu paletler, nesnelerin yalnızca birbirleriyle sürtünmesiyle statik elektrik birikimine neden olan ve sinir bozucu olan triboelektrik etkiyi engeller.

Hassas bileşenlerle çalışırken kişilerin uymaları gereken temel hususlar şunlardır: Personelin her gün test edilen bilek kayışları kullanılarak topraklanması, çalışma yüzeylerinin etrafına kalan statik yükü nötralize eden iyonlayıcıların yerleştirilmesi ve standart uyarı işaretlerinin her yere konulması – genellikle paketlerde görülen ve herkesin anlamını bildiği sarı üçgenlerdir. Tüm bu önlemler bir araya getirildiğinde, statik elektrik seviyeleri 100 volttan aşağıda tutulur. Sektör araştırmaları, bu seviyede tutulmasının "parametrik kayma" adı verilen bir sorunu azalttığını göstermektedir; bu kayma, gizli ESD (elektrostatik deşarj) hasarının başlangıcının ilk belirtisidir. Çeşitli üretim sektörlerinden raporlara göre, bu yaklaşımın bu tür sorunları %30’tan fazla azaltabileceği belirtilmektedir.