ESD zararini tushunish: Turlari, sabablari va komponentlar ishonchliligiga ta'siri

Falokatli, yashirin va parametrik nosozlik rejimlari

Elektronika sohasida elektrostatik razryad yoki ESD komponentlarning ishonchliligiga uchta asosiy usulda jiddiy zarar yetkazishi mumkin. Birinchisi — biz buni 'katastrofik nosozliklar' deb ataymiz: bu yerda yuqori kuchlanishli impuls bilan komponent uriladi va darhol to'liq ishlamay qoladi. Ikkinchisi — kechikkan nosozliklar: ular birinchi ko'rinishda namoyon bo'lmaydi, lekin keyinchalik paydo bo'ladi. Komponentlar dastlab barcha sinovlardan o'tsa ham, ularning ichki qismida vaqt o'tishi bilan asta-sekin buzilish boshlanadi. Bu kelajakda kasalliklar shifoxonasida, samolyotlarda yoki avtomobillarda kutilmagan holda qurilmalar nosozlikka uchraganda katta muammo tug'diradi. Uchinchisi — parametrik nosozliklar: ular komponentlarni elektr jihatdan ishlashini o'zgartiradi, lekin ularni to'g'ridan-to'g'ri buzmaydi. Masalan, o'tkazuvchanlik oqimining ortishi yoki kuchlanish darajasining o'zgarishi kabi holatlar komponentlarning ishlashini asta-sekin yomonlashtiradi. 2023-yilda EOS/ESD Assotsiatsiyasining so'nggi ma'lumotlariga ko'ra, ishlab chiqarish jarayonida yuzaga keladigan yarimo'tkazgichli komponentlarning nosozliklarining taxminan uchdan bir qismi ESD muammolariga bog'liq. Bunday hodisalar murakkab integratsiyalangan sxemalarni ishlab chiqarishda sodir bo'lganda, kompaniyalar har bir hodisa uchun yuz ming dollarga yaqin pul yo'qotishi mumkin.

Jismoniy degradatsiya: Geyt oksidi uzilishi, dielektrik singari ishlash va perehodning shikastlanishi

Naytron mikroskopi ostida narsalarga qarasak, elektrostatik razryad strukturalarga uchta asosiy yo'nalishda zarar yetkazadi. MOSFETlar bilan bog'liq holda sodir bo'ladigan hodisa — geyt oksidi yorilishi deb ataladi. Asosan, razryad shu juda ingichka izolyatsiya qatlamlarini shikastlaydi. Texnologiya 10 nanometrdan kichikroq hajmda rivojlanishi bilan bu muammo yanada kuchayadi, chunki bu oksid qatlamlari ba'zan faqat 5 dan 10 gacha atom qalinlikda bo'ladi. Keyingi muammo — dielektrik uzilishi, ya'ni kondensatorlar yoki boshqa izolyatorlar ichida noxohishli o'tkazuvchan yo'llar hosil bo'lishi; bu odatda qisqa tutashuvga olib keladi. Yana bir muammo — issiqlik kuchlanishi natijasida hosil bo'ladigan pereyod (birikma) shikastlanishi. Kuchli issiqlik silitsiy va metall qismlar orasidagi ulanishlarni eritib yuboradi va tranzistorlar ishlashini doimiy ravishda o'zgartiradi. Bu aksariyat muvaffaqiyatsizliklar oddiy odamning kontakti bilan boshlanadi. Masalan, gilamda yurishish taxminan 1,5 kilovolt zaryad hosil qiladi. Boshqa sabablarga yomon sifatli asboblar yoki sirtlarni ortiqcha o'tkazuvchan qiladigan chang kirishlari ham kiradi. Biror narsaning qanchalik nozik ekanligi, asosan, qanday turdagi qurilma haqida gap ketayotgani bilan bog'liq.

• Pastki kuchlanishli integral sxemalar : 100 V dan kam kuchlanishda ishlamay qoladi
• Alohida diodlar : Odatda 2–5 kV ga chidash qobiliyatiga ega
• Yukori darajali protsessorlar : 250 V dan past bo'lgan razryadlar natijasida shikastlanishi mumkin

ESD himoya strategiyalari: Chip ichidagi dizayndan tizim darajasidagi amalga oshirishgacha

Samarali ESD himoyasi koordinatsiyalangan, ko'p qatlamli yondashuvni talab qiladi — himoya vositalarini bevosita silitsiyga integratsiya qilish bilan birga, ularni platalar va tizim darajasida mustahkamlash. Bu chuqurlikda himoya strategiyasi o'tish jarayonidagi xavfli signallar nozik elektronika elementlariga yetib borguncha ularga to'sqinlik qilishni ta'minlaydi.

Chip ichidagi integratsiyalangan ESD himoyasi: Diodlar, SCR-lar va Snapback qurilmalari

Chip ichidagi himoya strukturalari ESD hodisalarini chiqish nuqtasida (tishli qismda) ushlash uchun bevosita integratsiyalangan sxemalarga yaratiladi. Asosiy yechimlar quyidagilardir:

• Mahkamlash diodlari kuchlanish xavfsiz chegaralardan oshganda o'tuvchi toklarni quvvat yo'llariga yoki yerlangan joyga yo'naltirish
• SCR (Silitsiydan tayyorlangan boshqariladigan to'g'rilagichlar) yuqori tok hodisalari paytida boshqariladigan qulflanish orqali past impedansli o'tkazuvchanlik yo'llarini faollashtirish
• Snapback qurilmalari uyqu holatidan keyin past kuchlanishli, yuqori tokli holatlarga o'tadigan NMOS/PMOS konfiguratsiyalaridan foydalanish

Bu nanosekund javob beradigan elementlar kuchlanishning ortiqcha ko'tarilishini vayron qiluvchi darajaning 10% dan kam miqdorga cheklash imkonini beradi — bu geyt oksidlarini va o'tishlar butunligini saqlash uchun juda muhim. Loyihalashchilar himoya kuchi bilan parazit sig'imi o'rtasidagi muvozanatni e'tibor bilan saqlashlari kerak, ayniqsa yuqori tezlikdagi interfeyslarda (masalan, PCIe 6.0, USB4), chunki ortiqcha sig'im 5 Gbps dan yuqori tezlikda signallarning butunligini buzishi mumkin.

Tizim darajasidagi ESD himoyasi: TVS diodlari, filtratsiya va ishonchli PCB joylashuvi

Plata darajasidagi himoya yarimo'tkazgichlarning chidash doirasidan oshib ketadigan yuqori energiyali o'tuvchi hodisalarni boshqarish orqali chip ichidagi himoyaga qo'shimcha qiladi. Asosiy komponentlar quyidagilardir:

• TVS (O'tuvchi kuchlanishni bosib turgan) diodlari i/O ulagichlaridan 2 mm masofada o‘rnatilgan; 1 ns dan kamroq vaqtda kuchlanishni 5 V dan pastga cheklaydi
• π-filtrlar yuqori chastotali ESD shovqini (>100 MHz) ni pasaytirish uchun ferrit dumalaklar va dekoupling kondensatorlarini birlashtiradi
• PCB joylashtirish bo‘yicha eng yaxshi amaliyotlar :
  • Doimiy, past qarshilikli yer tekisliklari (<15 mΩ)
  • TVS qurilmalari va himoyalangan integral sxemalar (IC) lar orasidagi trassalarning minimal uzunligi
  • Analog, raqamli va RF bo‘limlarini bir-biriga ta’sir qilmaslik uchun maqsadli ajratish

Agar ushbu choralarni IEC 61000-4-2 yo‘riqnomalariga muvofiq amalga oshirilsa, tizim darajasidagi ESD immuniteti 4–8 kV ga oshirilishi mumkin. Eng mustahkam dizaynlar TVS cheklovini optimal yo‘nalish bilan birlashtirib, bashorat qilinadigan, past qarshilikli to‘kilib ketish yo‘llarini yaratadi — energiyani nozik tugunlardan uzoqlashtirib.

Komponentlarning butunligini saqlash uchun ESD himoya qiluvchi qadoqlash va ishlash

Komponentlarni plastinka ishlab chiqarishdan boshlab oxirgi foydalanishgacha bo'lgan butun jarayonda butunligida saqlash uchun ularning qadoqlanishi va ularga munosabati ustidan qat'iy nazorat o'rnatilishi kerak. Buning uchun bir nechta asosiy materiallardan foydalaniladi. Statik tarqatuvchi sumkalar yuzaki zaryadlarni yo'q qilishga yordam beradi, chunki ularning qarshiligi 10^4 dan 10^11 omgacha bo'ladi. Uglerod bilan to'ldirilgan polimerlardan tayyorlangan o'tkazuvchan traylar haqiqatan ham ortiqcha elektr toklarini o'tkazib yuboradi. Shundan so'ng, tashqi elektrostatik maydonlarga qarshi ko'p qatlamli himoya yaratadigan metallizatsiyalangan idishlar mavjud. Qismlarni ko'chirishda maxsus komponent ushlagichlari hamma narsani o'rnida saqlaydi, shunda transportda hech narsa shikastlanmaydi. Logistika operatsiyalari ham ESD xavfsiz palatalardan foydalanishdan foyda oladi — bu esa narsalarning bir-biri bilan ishqalanish natijasida statik elektr to'planishiga sabab bo'ladigan noqulay triboelektr effektni oldini oladi.

Sensitiv komponentlar bilan ishlashda odamlar qilishi kerak bo'lgan asosiy narsalar — xodimlarni har kuni tekshiriladigan qo'l barmog'i simlari yordamida yerlash, ish sirtlarini atrofida qolgan statik zaryadni neytrallash uchun ionizatorlar o'rnatish va standart ogohlantirish belgilari — odatda hamma tomonidan ma'lum bo'lgan paketlardagi sariq uchburchaklar — joylashtirish kabi narsalardir. Barcha ushbu choralarning birgalikda qo'llanilishi statik elektrlik darajasini 100 voltdan pastga tushirib turadi. Sanoat tadqiqotlari shuni ko'rsatadiki, bu darajada saqlash parametrik siljish deb ataladigan hodisani kamaytiradi; bu esa ESD zararining yashiringan ekanligining dastlabki belgisi hisoblanadi. Turli ishlab chiqarish sohalari tomonidan taqdim etilgan hisobotlarga ko'ra, bu yondashuv bunday muammolarni 30 foizdan ortiq kamaytirishi mumkin.