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ESD如何影响电子产品:静电效应
发布时间:2020-08-14 09:40浏览次数:

静电放电以多种不同方式影响电子组件。较大的静态电压会进入设备并损坏复杂的内部电路。ESD的影响变得更加明显,因为MOS技术的所有形式的高输入阻抗都意味着不会消散电压,而且极高的电压很容易损坏导体和绝缘屏障的小尺寸。随着集成电路特征尺寸的减小,这意味着设备变得更容易受到静电损坏。

ESD敏感度

在研究ESD对电子设备的影响时,值得一看的是设备本身,以及它们如何受到ESD的影响。发现某些电子设备比其他电子设备对ESD更敏感。但是,从问题的角度来看,值得将静态电平与电源电压相关联。人们不会考虑向逻辑器件施加甚至五十伏的电压。在没有采取任何ESD保护措施的情况下,通过处理它们,可以向它们施加几千伏的静态电压。

对ESD敏感的设备通常是那些包括MOS-金属氧化物半导体技术的设备。这些设备具有很高的阻抗,不允许电荷以更受控的方式消散。但是,这并不意味着双极器件不受损坏。

最低250V的静态电压可能会损坏标准CMOS芯片。其中包括74HC和74HCT逻辑系列,因为它们的电流消耗较低,因此在许多使用“胶粘逻辑”的设计中被广泛使用。但是,许多新的微处理器和LSI芯片使用的特征尺寸要小得多,并且无法承受此类电压,因此它们对ESD非常敏感。通过在5 V的电源电压下运行它们会破坏许多新设备,并且它们更容易受到ESD的损坏。

逻辑设备并不是唯一需要采取防静电措施的设备。用于射频应用的GaAsFET极易损坏,并可能被低至100V的静态电压破坏。ESD也会影响其他形式的分立FET。再次经常用于许多RF应用的MOSFET非常敏感。

即使是普通的双极型晶体管也可能会被约500V的电势损坏。对于较新的晶体管而言尤其如此,其可能具有更小的内部几何形状以提供更高的工作频率。这仅是很少的ESD敏感性水平的广泛指示。但是,这表明所有半导体设备都应被视为静电敏感设备,即SSD。

如今,不仅半导体设备被视为SSD。在某些地区,甚至无源组件也开始被视为对静电敏感。随着小型化的趋势,单个电子元件变得越来越小。这使它们对ESD损坏的影响更加敏感。

静电放电机制

静电放电(ESD)的影响取决于大量变量。其中大多数很难量化。累积的静电水平会根据所涉及的材料,一天中的湿度甚至人的身材而有所不同。每个人都代表一个电容器,在其上保持电荷。一般人代表一个约300 pF的电容器,但是一个人与另一个人的电容差异很大。

放电发生的方式也不同。通常,电荷会很快消散:通常不到100纳秒。在这段时间内,峰值电流可能会上升到二十或三十安培。峰值电流和放电时间取决于多种因素。但是,如果使用金属物体(例如镊子或尖嘴钳),则与通过手指放电相比,电流峰值更高,并且在更短的时间内即可达到。这是因为金属为放电提供了低得多的电阻路径。但是,无论采用哪种放电方式,都会消耗相同量的电荷。

IEC61000-4-2和其他模拟波形

为了消除ESD并防止由此造成的损坏,有必要查看可能发生的不同情况并对其进行表征。这些情况将表现出不同的电压累积水平,不同的充电水平和不同的放电特性。当前,有许多方法可以在制造环境中对集成电路的ESD性能进行评级。三种常见方法包括:

HBM:人体模型-该模型模拟被充电的人,然后通过裸露的手指通过被测电路对地面进行放电。

MM:机器模型-此模型模拟带电的制造机器,通过设备放电到地面。机器将具有导电表面,因此产生的电流水平可能更高,但时间更短。

CDM:带电设备模型-这模拟集成电路被充电然后放电到接地的金属表面。增益短,但可能会遇到高电流水平。这些方法在制造环境中测试IC时效果很好,但不适用于系统级应用。为此,具有外接功能的电子产品(包括手机,MP3播放器,数码相机等)必须能够承受静电放电。

IEC61000-4-2标准定义了电子设备应承受的标准测试条件。它假定用户不会采取任何预防措施来防止ESD损坏,并且它定义了设备应承受的各种等级。

IEC61000-4-2定义的静电放电典型曲线的上升时间约为1 ns,峰值电流约为30A。该波形被用作测试电子设备对静电放电敏感性的一部分。

IEC 61000-4-2脉冲波形用于ESD仿真IEC 61000-4-2脉冲波形用于ESD仿真

设备灵敏度分类

ESD人体模型和带电设备模型ESD测试模拟方法包括分类系统,这些系统定义了组件对指定模型的敏感性。

这些ESD分类根据其ESD敏感度提供了易于分组和比较的组件。该分类大致指示了组件所需的ESD保护级别。

ESDS组件灵敏度分类-人体模型(ESD STM5.1-2007)类    电压范围0级    <250伏1A级    250伏至<500伏1B级    500伏至<1,000伏1C级    1000伏至<2,000伏2级    2000伏至<4,000伏3A级    4000伏至<8000伏3B级    ≥8000伏 

ESDS组件灵敏度分类-充电设备模型(ESD STM5.3.1-2009)类    电压范围C1级    <125伏C2级    125伏至<250伏C3级    250伏至<500伏C4级    500伏至<1,000伏C5级    1,000伏至<1,500伏C6级    1,500伏至<2,000伏C7级    ≥2,000伏

ESD损坏和故障机制

IC因ESD导致故障的方式也各不相同,并且还取决于许多因素,包括电荷向IC内部拓扑耗散的方式。

当以非常高的电压表示的静电荷产生较高的峰值电流而导致烧毁时,IC可能会由于ESD失效而出现故障,这是明显的方法之一。即使电流通过的时间很短,IC内的微小尺寸也可能意味着小的互连链路或芯片本身中的设备可能会因散热量而熔化。在某些情况下,连接或组件可能无法完全销毁。相反,它只能被部分破坏。发生这种情况时,该设备将继续运行,并且性能可能不会降低。在其他时候,操作可能会稍有下降。对于模拟设备而言尤其如此,在模拟设备中,损坏区域的小碎片会散布在芯片表面。

ESD可能导致故障的另一种方式是电压本身导致IC内部击穿。电压很有可能击穿绝缘氧化层而使IC永久损坏。再次,这可能会立即损坏芯片,或留下潜在损坏的部分损坏区域。

电荷也可能以其他方式转移到电子组件并造成损坏。它可能因电压击穿或产生电流流入设备而导致损坏。之所以会发生这种情况,是因为高电荷的物品会在附近的任何物品中产生相反的电荷。塑料饮料杯很容易携带高静电电压,如果将它们放在敏感电子设备旁边的工作表面上,它们会感应出电荷,从而可能导致损坏。尽管良好的实验室和工作场所惯例禁止在工作区域内喝酒,但这些杯子甚至绝对不能用作小螺钉,零件等小容器的容器。

潜在的ESD损坏

当对设备造成损坏但仍可使用时,该缺陷会留下潜在的缺陷。这种形式的ESD损坏可能会导致其使用寿命后期失效。由于打开设备或什至由于正常操作而导致的后续浪涌电流可能会给缺陷造成压力并导致其故障。在某些情况下,这也可能是由振动引起的。

IC内部导体潜在损坏的图示,显示了由静电放电引起的变窄导体的面积IC内部导体上的ESD潜在损坏图这些潜在的缺陷尤其令人担忧,因为这种形式的ESD损坏可能会导致设备寿命后期出现故障,从而降低其可靠性。实际上,由于这一点,抗静电保护能力差的制造工厂可能会生产出可靠性低的设备。实际上,据估计,对于每个遭受即时损坏的设备,至少有十个受潜在损坏的影响,并在以后失效。

当大电流脉冲穿过金属-半导体触点时,会发生另一种潜在的ESD损坏。由此产生的热量可能足以引起铝和硅的局部合金化。这可能会形成所谓的合金尖峰,它们可以从接触垫水平或垂直传播。最终,这些可能会导致与附近路口的短路。

除此之外,还发现集成电路中扩散阱的角非常容易受到潜在的ESD破坏。这是由这些区域中发生的场增强引起的。

ESD调查

尽管确定设备损坏的原因并不容易,但是一些专业实验室也可以进行这些调查。他们通过移除IC的顶部以露出下面的硅芯片来实现这一点。使用显微镜对其进行检查以显示损坏区域。这些调查是相对昂贵的。对于常规故障,通常不采取这些措施。而是仅在有必要确定故障的确切原因时才采取这些措施。

ESD是制造电子设备的任何公司所关注的主要问题。静电放电造成的损坏可能导致组件立即失效,也可能导致潜在的失效发生,并在以后显现出来,从而大大降低了产品的整体可靠性。

静电效应

 

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