閃電或火花造成的傷害—這取決于你的身高！

大型鋼結(jié)構(gòu)建筑，汽車，山脈，甚至人類都能在真正的大氣閃電中幸存下來。人類也可以創(chuàng)造自己的微型閃電（火花）并生存下來。然而，當(dāng)這些火花到達(dá)IC時，會產(chǎn)生重大故障。在本教程中，我們將討論保護(hù)印刷電路板（PCB）免受ESD破壞的方法。我們將展示具有較大幾何尺寸的模擬器件是保護(hù)具有較小幾何尺寸的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的最佳選擇。通過采取這些措施，F(xiàn)PGA中的IC可以保持更可靠，并提供一致的質(zhì)量性能。

介紹

閃電可以是有趣和娛樂的，也可以是危險的和破壞性的。也許所有這些事情同時發(fā)生——這取決于你在哪里，你在做什么，以及你的身高。對于IC來說，閃電從來都不是好事。

幾年前，我們在一棟10層高的鋼結(jié)構(gòu)酒店大樓里。下午的閃電風(fēng)暴穿過一大片空地。由于建筑物的鋼框架，我們感到舒適安全。我們的電腦沒有插電，所以這無關(guān)緊要。當(dāng)風(fēng)暴過去時，這是一場壯觀的表演，持續(xù)了大約 10 分鐘。

大型鋼結(jié)構(gòu)建筑，汽車，山脈，甚至人類都能在真正的大氣閃電中幸存下來。人類也可以創(chuàng)造自己的微型閃電（火花）并生存下來。然而，當(dāng)這些火花到達(dá)IC時，會產(chǎn)生重大故障。納米高的晶體管需要保護(hù)才能在人類的火花中生存。在本教程中，我們將討論保護(hù)印刷電路板（PCB）免受ESD破壞的方法。我們將展示具有較大幾何尺寸的模擬器件是保護(hù)具有較小幾何尺寸的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的最佳選擇。通過采取這些措施，F(xiàn)PGA中的IC可以保持更可靠，并提供一致的質(zhì)量性能。

兩個視角的火花

人類產(chǎn)生的火花從何而來？它們是由摩擦電荷引起的。這是一個大詞。當(dāng)兩種材料接觸（摩擦幫助）然后分離時，就會發(fā)生這種情況。一些電子會轉(zhuǎn)移到其中一個項目上。有多少電子移動以及移動到哪個表面取決于材料的成分。這是一種普遍現(xiàn)象，因為幾乎所有材料、絕緣體和導(dǎo)體都表現(xiàn)出摩擦電特性。我們熟悉許多常見的來源。撫摸貓的皮毛，在頭發(fā)上摩擦氣球，在地毯上行走都可以表現(xiàn)出摩擦電效應(yīng)。

靜電放電基礎(chǔ)知識教程1說明了人類在各種活動中產(chǎn)生的電壓。表1列出了這些電壓與相對濕度（RH）的關(guān)系。

難怪當(dāng)我們走過地毯并觸摸門把手時會很痛！一般規(guī)則是，5，000V 可以在 0% RH 空氣中跳躍約 4 厘米（50.<> 英寸）。對于五六英尺高的人來說，這是一個火花;這很痛苦，但我們活了下來?，F(xiàn)在改變你的觀點。這種火花會對幾微英寸高的東西造成什么破壞，比如集成電路（IC）中的晶體管？在這種情況下，厘米的火花是一個巨大的、可怕的閃電顯示。

現(xiàn)在，我們可以轉(zhuǎn)向IC。長期以來，微處理器一直引領(lǐng)著數(shù)字半導(dǎo)體的密度改進(jìn)。制造技術(shù)導(dǎo)致了越來越小的晶體管。1971 年，英特爾? 4004 計算機(jī)處理單元 （CPU） 以 10μm 的幾何形狀推出。在 1980 年代和 1990 年代，該過程制造的零件比細(xì)菌還小。2012年，IC的密度接近1年技術(shù)小000倍，芯片上的功能比病毒還小。1971 年，人們可以在一個封裝中購買具有 2012 納米功能和 28 億個晶體管的 FPGA。2未來有望在未來幾年內(nèi)將這一密度翻一番。小型晶體管緊密封裝在一起，需要在低電壓（通常為1V及以下）下工作以控制產(chǎn)生的熱量。

要透視28nm，請注意零：它是28億分之一米（0.000000028）。設(shè)舊金山和紐約市之間的距離表示一米（約 4000 公里或 2500 英里）?，F(xiàn)在28nm（36萬分之一）是0.11米或4.4英寸。閃電必須有多大才能損壞如此小的幾何設(shè)備，以及如何保護(hù)如此必要且有用的FPGA？

簡單的答案是使用連接數(shù)字和模擬世界的I/O接口設(shè)備。模擬混合信號IC采用相對較大的幾何形狀（比數(shù)字尺寸大10至100倍）和更高的電壓（通常為20V至80V或更高），這使得它們比微型數(shù)字晶體管更堅固。雖然當(dāng)今的模擬混合信號器件通常可以容忍ESD，但它們確實受益于分立式ESD器件。3

了解火花造成的損害

半導(dǎo)體制造商非常重視電氣過應(yīng)力（EOS）和靜電放電（ESD）。首先，出于顯而易見的原因，EOS和ESD會在制造，封裝組裝和測試過程中破壞零件。但更重要的是，這些負(fù)面力量直接影響客戶手中電路的質(zhì)量和壽命。

起初，電應(yīng)力過大的部件可能看起來功能正常。它甚至可能以略微降級的方式運行，但仍通過自動測試設(shè)備（ATE）的檢查，但后來在現(xiàn)場失敗。EOS和ESD故障是可以預(yù)防的，毫無疑問，這是關(guān)鍵的質(zhì)量控制問題。

在制造業(yè)中構(gòu)建IC是EOS和ESD損壞的第一個地方。圖1A顯示了PCB的原理圖。我們可能認(rèn)為IC由串聯(lián)電容器保護(hù)。事實并非如此。損壞的第二個機(jī)會是當(dāng)客戶將IC安裝在PCB上以構(gòu)建產(chǎn)品時。仔細(xì)觀察圖1B，我們發(fā)現(xiàn)電容器的工作電壓為50V，但兩個金屬端連接之間的距離僅為0.28英寸（7mm）。由于火花剛剛跳躍0.4英寸（1厘米），因此電容器周圍的小間隙很容易受到影響。結(jié)果可能是IC付出了壽命（圖1C）。最后，當(dāng)客戶在其環(huán)境中操作產(chǎn)品時，可能會發(fā)生EOS或ESD損壞。

圖1.板級EOS和ESD問題的根源。

當(dāng)然，造成重大損害的機(jī)會很多。我們實際上可以看到IC內(nèi)部EOS和ESD破壞的結(jié)果。為此，必須去除包裝環(huán)氧樹脂材料。這通常是在雙手套隔離盒中使用熱酸完成的。這個過程是非常危險的。煙霧是致命的。一口氣會導(dǎo)致痛苦的死亡;人體皮膚上的一滴酸充其量會導(dǎo)致手或手臂截肢，或者最壞的情況是死亡。

縮微照片圖2A顯示沒有明顯的損壞。提供了標(biāo)有 REF 的鍵合線和焊盤，以便我們可以定位自己并比較照片。液晶材料涂在模具上（粉紅色），類似于情緒戒指和兒童額頭溫度計中使用的液晶。它隨著溫度的微小變化而改變顏色。當(dāng)IC通電時，消耗過電流的區(qū)域（此處用黃色框標(biāo)記）會加熱并改變顏色。這是一個熱點。這很有趣，但是是什么導(dǎo)致了問題？

圖 2A.可見光下的電路沒有明顯的EOS或ESD損壞。電路的液晶區(qū)域（用黃色標(biāo)記）因受熱而損壞。

REF鍵合線（圖2B）表示該圖像旋轉(zhuǎn)了45度。隨著我們逐漸放大，我們看到電遷移。EOS在電應(yīng)力的影響下?lián)p壞越來越大，因此引起了短路。這個過程可能會隨著時間的推移而發(fā)生，并在許多短應(yīng)力期間進(jìn)行，直到零件突然失效

圖 2B.電路的掃描電子顯微鏡照片如圖2A所示。

為了進(jìn)行比較，現(xiàn)在我們研究另一個IC，其中閃電導(dǎo)致快速破壞（圖3）。

圖3.可見光下的電路（左）顯示閃電沒有明顯的損壞。顯微鏡下的同一電路（右）顯示了損壞的熱點。

圖 7 中每個圖像左上角的“3”用于方向。在可見光下看不到太多東西，但在放大鏡下，液晶顯示出溫升和產(chǎn)生的EOS。

圖4繪制了圖3中電路的數(shù)據(jù)，我們看到已知良好的器件呈現(xiàn)出清晰、可重復(fù)的曲線。施加4.5V時，垂直軸上的電流增加。當(dāng)電流接近250μA時，形成拐點;隨著電壓的增加，電流保持在250μA。 圖4還顯示，有缺陷的部分繼續(xù)在膝蓋上方吸收更多的電流。

圖4.圖3所示電路的半導(dǎo)體曲線示圖。曲線示圖器電流/格為 50μA;電壓/格為1V。

仔細(xì)檢查后，部件序列號 1 （SN1） 顯示柵極氧化物上有一個孔（圖 5）。閃電使基板的柵極短路，導(dǎo)致過大的電流流動。當(dāng)然，晶體管付出了生命的代價。典型的柵氧化層厚度為5nm至15nm，具體取決于制造工藝。在致密的數(shù)字微處理器部件中，氧化物的厚度可以是1.2nm至3nm。為了說明這有多薄，在硅中，1.2nm是~5或6個原子厚。因此，對于幾納米高的門來說，幾乎任何火花都是一個巨大的閃電。

圖5.圖3所示電路的掃描電子顯微鏡照片。閃電在柵氧化層上造成一個孔，使電路短路。

對抗火花并保護(hù)電路

我們將快速討論如何保護(hù)IC和PCB免受火花和EOS / ESD的影響。

火花的上升時間非?？?，因此我們可以減慢它的任何方法都會降低峰值電壓。ESD結(jié)構(gòu)（圖6和圖7）通常用于系統(tǒng)中的兩個位置：板級輸入和串聯(lián)電阻輸出;電感器以及接地電容，可用作低通濾波器。因此，通過分立硅（小信號或參考）肖特基二極管、雪崩（齊納二極管）、瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管、氣管放電器件、電阻器、電感器和金屬氧化物壓敏電阻（MOV）的組合，可以保護(hù)PCB免受EOS/ESD。

圖6.建議的分立元件清單，可以防止不必要的電氣漏洞。

圖7.簡化的靜電放電結(jié)構(gòu)。

圖7A至C的ESD結(jié)構(gòu)位于IC內(nèi)部。用于EOS/ESD保護(hù)的外部分立元件往往在物理上更大，并承載更大的電流。除了許多產(chǎn)品內(nèi)置的ESD保護(hù)外，設(shè)計人員還可以使用MAX14541和MAX3203等專用ESD保護(hù)器件。

需要注意的是，許多電路具有內(nèi)置的EOS/ESD保護(hù)功能，盡管這不是它們的主要功能。考慮一下MAX5481系列10位非易失（NV）電位器、MAX5134四通道16位DAC和MAX6001系列低功耗、低成本電壓基準(zhǔn)。仔細(xì)查看數(shù)據(jù)手冊會發(fā)現(xiàn)沒有提到ESD。但ESD規(guī)格取決于IC制造工藝，并在每個部件的可靠性報告中說明。您可以從Maxim網(wǎng)站上每個器件的概覽頁面開始查找ESD信息。頁面底部附近是技術(shù)文檔區(qū)域和可靠性報告。4單擊此處將顯示可靠性報告頁面。如果可靠性報告未聯(lián)機(jī)，則可以請求。

總結(jié)

無論大小，鋼結(jié)構(gòu)建筑、汽車、山脈，甚至人都能在真實的大氣閃電中幸存下來。五到六英尺高的人類可以并且經(jīng)常這樣做，創(chuàng)造自己的微型閃電（火花），甚至幾乎沒有注意到。納米高的晶體管從來不是這種情況。它們需要保護(hù)才能在人類的火花中幸存下來。正如我們所看到的，防止電路板電路和IC的EOS和ESD破壞對于可靠、優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品性能至關(guān)重要。電路設(shè)計人員應(yīng)警惕在其設(shè)計中使用EOS/ESD保護(hù)電路，或確保從一開始就使用具有內(nèi)置ESD保護(hù)的電路。忽視任何看似微不足道的火花都是一個嚴(yán)重的疏忽......不管你有多高...或者不是。

審核編輯：郭婷