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巧妙減少ESD(靜電放電）引起的停機(jī)問題
日期：2024-10-18 20:17
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摘要：
巧妙減少ESD(靜電放電）引起的停機(jī)問題
半導(dǎo)體器件常常因靜電放電而失效。弄清楚失效的根源并遵守設(shè)計(jì)規(guī)則，就有助于避免這種失效?！ SD（靜電放電）是導(dǎo)致電子器件失效的主要原因，它可以在任何階段——從制造到測試、組裝、生產(chǎn)、現(xiàn)場
半導(dǎo)體器件常常因靜電放電而失效。弄清楚失效的根源并遵守設(shè)計(jì)規(guī)則，就有助于避免這種失效?！ SD（靜電放電）是導(dǎo)致電子器件失效的主要原因，它可以在任何階段——從制造到測試、組裝、生產(chǎn)、現(xiàn)場
半導(dǎo)體器件常常因靜電放電而失效。弄清楚失效的根源并遵守設(shè)計(jì)規(guī)則，就有助于避免這種失效。
ESD（靜電放電）是導(dǎo)致電子器件失效的主要原因，它可以在任何階段——從制造到測試、組裝、生產(chǎn)、現(xiàn)場運(yùn)行以及現(xiàn)場PC裝配等——影響電子器件的功能。專家估計(jì)，1994年全世界電子行業(yè)因ESD造成的損失超過900億美元（參考文獻(xiàn)1）。ESD的發(fā)生原因是電荷在某一表面的累積，如摩擦生電。但是，由于電子產(chǎn)品的快速小型化，導(dǎo)致器件的幾何尺寸縮小，其中包括層厚度，因此這些高密度器件就很容易受到很小ESD造成的損壞。
造成ESD的人為原因包括人造地毯、人造地板、羊毛服裝、尼龍服裝、塑料家具、塑料扇葉的風(fēng)扇、普通塑料容器、帶塑料吸嘴的去焊器、不導(dǎo)電的鞋、人造地板墊、玻璃纖維容器、普通塑料袋以及類似的材料。使用塑料零件的機(jī)器也可以成為靜電的來源，因?yàn)樗芰喜考g的相互摩擦?xí)e累電荷。設(shè)備產(chǎn)生的高強(qiáng)度電磁場也會在鄰近元件中感應(yīng)產(chǎn)生靜電荷。
靜電是一種看不見的破壞力，會對電子元器件產(chǎn)生影響。ESD未必總造成元器件的完全失效；它會造成一般測試無法檢測到的元器件潛在缺陷。這種“脆弱”的元器件在系統(tǒng)工作期間，在惡劣環(huán)境條件下，更可能在現(xiàn)場發(fā)生失效。在制造、儲存、運(yùn)輸、包裝、組裝、測試階段采取一些簡單的預(yù)防措施，再適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)電路，就可以減少由ESD造成的損壞影響。
對于半導(dǎo)體器件來說，如果有一個強(qiáng)電場施加在器件結(jié)構(gòu)中的氧化物薄膜上，則該氧化物薄膜就會因介質(zhì)擊穿而損壞。很細(xì)的金屬化跡線會由于大電流而損壞，并會由于浪涌電流造成的過熱而形成開路。PN結(jié)的失效可能是由于“電流擁塞”效應(yīng)而引起的，這種效應(yīng)在大電流通過PN結(jié)造成大電流密度時發(fā)生。ESD造成的潛在缺陷可能使器件在以后更容易損壞，并且可能使器件時好時壞。
ESD與閂鎖效應(yīng)
ESD和相關(guān)的電壓瞬變都會引起閂鎖效應(yīng)（latch-up），這是半導(dǎo)體器件的主要失效之一。在閂鎖情況下，器件在電源與地之間形成短路，造成大電流、EOS（電過載）和器件損壞。CMOS器件之所以因閂鎖效應(yīng)而特別容易損壞，乃是因?yàn)殡姼袝谄骷募纳娙葜欣鄯e。另外，氧化物材料中任何原子**的缺陷都會降低氧化物層的介電強(qiáng)度，使器件很容易因靜電電壓而失效（見本文網(wǎng)頁版的附文《ESD閂鎖效應(yīng)的模型》）。
電子系統(tǒng)中常見的ESD問題是通信接口器件，如RS-232驅(qū)動器和接收器的失效。這些器件在ESD脈沖通過人們頻繁插拔的電纜互聯(lián)傳播時，在電纜接觸到未端接連接器的帶電表面時，就會損壞。當(dāng)這些ESD脈沖的頻率超過1GHz時，PC電路板的印制線和小段電纜就會像天線一樣，接收這些干擾信號。
在某些情況下，IC封裝帶電，并燒毀了下面的電路板。為了確定故障的原因，用一臺記錄儀器監(jiān)視電源和RS-232收發(fā)器的輸入端。記錄的波形顯示出在收發(fā)器器件的輸入端和電源腳有短時的電壓瞬變。當(dāng)這些瞬變電壓迫使寄生PNPN結(jié)構(gòu)導(dǎo)通時，就發(fā)生閂鎖效應(yīng)。一旦寄生的SCR導(dǎo)通，SCR就是電源通過器件到地的一條低阻通路。在這樣的條件下，通路中的電流很大，從而導(dǎo)致器件中因熱過載而熱耗散異常。過度的熱過載會使塑封外殼升溫并開裂。
從設(shè)計(jì)開始控制ESD
防止由ESD引起的失效的**步是電路設(shè)計(jì)。要從ESD出發(fā)，選用適合于應(yīng)用需求的器件。對采用不易受ESD損壞的元器件的電路進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，就可減少電路板和系統(tǒng)現(xiàn)場失效的發(fā)生率。例如，決不因其速度較快而選用某個器件，而要按所需的工作速度來挑選合適的器件。高速邏輯轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生高頻電磁場，干擾電路板上的其它器件。高速器件使用不當(dāng)，會因開關(guān)引起的有害輻射而添麻煩。
在實(shí)驗(yàn)室中按規(guī)格測試和驗(yàn)證合格的設(shè)備在實(shí)際現(xiàn)場條件下可能會出現(xiàn)問題。只有預(yù)計(jì)到現(xiàn)場可能出現(xiàn)的問題，才能按照在各種工作環(huán)境中正常工作這一要求來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。這種情況對處理ESD問題特別適用，因?yàn)檫@樣的問題可能會因現(xiàn)場搬運(yùn)PC組件時不遵守注意事項(xiàng)而發(fā)生。為了解決ESD問題，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時采取預(yù)防ESD損壞的措施是必要的。即使某個器件具有內(nèi)置的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)來防止ESD損壞，也應(yīng)在為受損壞的應(yīng)用場**用外部元器件進(jìn)行更**別的防護(hù)。
一種眾所周知的ESD能量抑制技術(shù)是在電路的關(guān)鍵部位使用瞬變抑制二極管。這樣的器件基本上是快速響應(yīng)的電壓箝位器件。當(dāng)ESD或其它因素產(chǎn)生一個過壓瞬變脈沖時，瞬變抑制器就按照其額定值將電壓箝位于一個**電壓值，以保護(hù)瞬變抑制器后面連接的器件。應(yīng)根據(jù)器件能承受的預(yù)計(jì)瞬時功耗，仔細(xì)地選擇瞬變抑制器的功率承受大小。
一種可在電路輸入級使用的簡單的ESD瞬變抑制技術(shù)，就是將一個磁珠串在輸入引線上，并在輸入引線和地之間接一只容量很小的電容器。圖2示出了磁珠的等效電路。輸入端的LC電路起濾波器的作用，將ESD瞬變的能量分流入地。當(dāng)使用瞬變抑制二極管保護(hù)任何輸入端或輸出端時，要使瞬變抑制器盡量靠近這些端子。很長的導(dǎo)線和電路板印制線都有寄生電感，當(dāng)ESD瞬變脈沖進(jìn)入電路時，寄生電感就會產(chǎn)生電壓過沖與振鈴問題。
你可使用CMOS布局技術(shù)來防止閂鎖效應(yīng)，因?yàn)镃MOS布局技術(shù)可監(jiān)控ESD瞬變會進(jìn)入器件的各部位：器件的電源引腳、輸入引腳和輸出引腳。你應(yīng)降低晶體管（PNP和NPN）的增益，并提高閂鎖效應(yīng)的閾值，方法是加大器件結(jié)構(gòu)中P溝道Tub與P溝道漏極之間的間隔。在電源和p-tub上連接p+和n+保護(hù)環(huán)也可以降低晶體管增益，提高閂鎖效應(yīng)的閾值（圖3）。防止閂鎖效應(yīng)的其他工藝技術(shù)有：提高阱深度以減少寄生晶體管的增益；采用絕緣襯底（如藍(lán)寶石硅）以降低tub和襯底中的電流，；在每個阱下面采用埋層或外延層（圖4）。
你也可以用良好的電路設(shè)計(jì)技術(shù)來減少ESD危害和與ESD有關(guān)的電子器件失效。元器件選用得當(dāng)和關(guān)鍵部位使用電路級技術(shù)（保護(hù)網(wǎng)絡(luò)）均可減少ESD的種種影響。良好的接地與電路板布線技術(shù)；在裝配、生產(chǎn)和測試時小心取放對ESD敏感的器件；在包裝和運(yùn)輸器件和組裝電路板時采用適當(dāng)?shù)姆漓o電包裝材料，這些措施都可減少失效。電路屏蔽得當(dāng)也可以減少ESD的影響。
電路板布局會影響ESD
你如果使用布局和布線都很好的電路板，就可以顯著減少ESD問題的發(fā)生率（見附文《實(shí)現(xiàn)ESD故障*小化的電路設(shè)計(jì)原則》）。每一電路都因?yàn)橛胁煌愋偷脑骷碗娏鞫嬖谟徐o電通量線和磁通量線。如果電路板布線圍住很大的環(huán)形區(qū)，則導(dǎo)電通路就會圍住較大的磁通量，由于環(huán)路起天線的作用，較大的磁通量又會在環(huán)路中感應(yīng)產(chǎn)生電流。這種環(huán)路電流會產(chǎn)生影響電路中元器件的干擾電磁場。減小環(huán)路區(qū)的方法是使電源線和地線盡量靠近在一起。圖5示出了典型的電源線和地線形成的環(huán)路區(qū)。
要在電路板設(shè)計(jì)中采用低阻抗地線，以便任何ESD電流都能很容易地流入地，而不是經(jīng)過電子器件的其他低阻通路流入地。一個接地區(qū)域，*好是一個接地層，均可降低ESD的影響，因此，你應(yīng)將電路板上未用區(qū)域都變成接地層。使信號線靠近地線也可減小環(huán)路面積，并可將大環(huán)路引起的ESD問題減至*少。具有獨(dú)立接地層的多層電路板則更為可取。
在電路板布局時，敏感電子元件要遠(yuǎn)離潛在的ESD源，如變壓器、線圈和連接器。這些潛在的ESD源會積累電荷或產(chǎn)生雜散的電磁場，從而導(dǎo)致元件損壞。對線圈、變壓器和類似元件進(jìn)行屏蔽，以抑制這些元件輻射的電磁場，這是明智之舉。要在很長的信號線之間布放一根地線，以減小環(huán)路面積。你把敏感電子元器件放在遠(yuǎn)離電路板邊緣的地方，就可避免ESD偶然損壞這些元器件；因?yàn)檫@樣做可避免人體接觸和可能由ESD引起的損壞。
ESD（靜電放電）是導(dǎo)致電子器件失效的主要原因，它可以在任何階段——從制造到測試、組裝、生產(chǎn)、現(xiàn)場運(yùn)行以及現(xiàn)場PC裝配等——影響電子器件的功能。專家估計(jì)，1994年全世界電子行業(yè)因ESD造成的損失超過900億美元（參考文獻(xiàn)1）。ESD的發(fā)生原因是電荷在某一表面的累積，如摩擦生電。但是，由于電子產(chǎn)品的快速小型化，導(dǎo)致器件的幾何尺寸縮小，其中包括層厚度，因此這些高密度器件就很容易受到很小ESD造成的損壞。
造成ESD的人為原因包括人造地毯、人造地板、羊毛服裝、尼龍服裝、塑料家具、塑料扇葉的風(fēng)扇、普通塑料容器、帶塑料吸嘴的去焊器、不導(dǎo)電的鞋、人造地板墊、玻璃纖維容器、普通塑料袋以及類似的材料。使用塑料零件的機(jī)器也可以成為靜電的來源，因?yàn)樗芰喜考g的相互摩擦?xí)e累電荷。設(shè)備產(chǎn)生的高強(qiáng)度電磁場也會在鄰近元件中感應(yīng)產(chǎn)生靜電荷。
靜電是一種看不見的破壞力，會對電子元器件產(chǎn)生影響。ESD未必總造成元器件的完全失效；它會造成一般測試無法檢測到的元器件潛在缺陷。這種“脆弱”的元器件在系統(tǒng)工作期間，在惡劣環(huán)境條件下，更可能在現(xiàn)場發(fā)生失效。在制造、儲存、運(yùn)輸、包裝、組裝、測試階段采取一些簡單的預(yù)防措施，再適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)電路，就可以減少由ESD造成的損壞影響。
對于半導(dǎo)體器件來說，如果有一個強(qiáng)電場施加在器件結(jié)構(gòu)中的氧化物薄膜上，則該氧化物薄膜就會因介質(zhì)擊穿而損壞。很細(xì)的金屬化跡線會由于大電流而損壞，并會由于浪涌電流造成的過熱而形成開路。PN結(jié)的失效可能是由于“電流擁塞”效應(yīng)而引起的，這種效應(yīng)在大電流通過PN結(jié)造成大電流密度時發(fā)生。ESD造成的潛在缺陷可能使器件在以后更容易損壞，并且可能使器件時好時壞。
ESD與閂鎖效應(yīng)
ESD和相關(guān)的電壓瞬變都會引起閂鎖效應(yīng)（latch-up），這是半導(dǎo)體器件的主要失效之一。在閂鎖情況下，器件在電源與地之間形成短路，造成大電流、EOS（電過載）和器件損壞。CMOS器件之所以因閂鎖效應(yīng)而特別容易損壞，乃是因?yàn)殡姼袝谄骷募纳娙葜欣鄯e。另外，氧化物材料中任何原子**的缺陷都會降低氧化物層的介電強(qiáng)度，使器件很容易因靜電電壓而失效（見本文網(wǎng)頁版的附文《ESD閂鎖效應(yīng)的模型》）。
電子系統(tǒng)中常見的ESD問題是通信接口器件，如RS-232驅(qū)動器和接收器的失效。這些器件在ESD脈沖通過人們頻繁插拔的電纜互聯(lián)傳播時，在電纜接觸到未端接連接器的帶電表面時，就會損壞。當(dāng)這些ESD脈沖的頻率超過1GHz時，PC電路板的印制線和小段電纜就會像天線一樣，接收這些干擾信號。
在某些情況下，IC封裝帶電，并燒毀了下面的電路板。為了確定故障的原因，用一臺記錄儀器監(jiān)視電源和RS-232收發(fā)器的輸入端。記錄的波形顯示出在收發(fā)器器件的輸入端和電源腳有短時的電壓瞬變。當(dāng)這些瞬變電壓迫使寄生PNPN結(jié)構(gòu)導(dǎo)通時，就發(fā)生閂鎖效應(yīng)。一旦寄生的SCR導(dǎo)通，SCR就是電源通過器件到地的一條低阻通路。在這樣的條件下，通路中的電流很大，從而導(dǎo)致器件中因熱過載而熱耗散異常。過度的熱過載會使塑封外殼升溫并開裂。
從設(shè)計(jì)開始控制ESD
防止由ESD引起的失效的**步是電路設(shè)計(jì)。要從ESD出發(fā)，選用適合于應(yīng)用需求的器件。對采用不易受ESD損壞的元器件的電路進(jìn)行恰當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，就可減少電路板和系統(tǒng)現(xiàn)場失效的發(fā)生率。例如，決不因其速度較快而選用某個器件，而要按所需的工作速度來挑選合適的器件。高速邏輯轉(zhuǎn)換會產(chǎn)生高頻電磁場，干擾電路板上的其它器件。高速器件使用不當(dāng)，會因開關(guān)引起的有害輻射而添麻煩。
在實(shí)驗(yàn)室中按規(guī)格測試和驗(yàn)證合格的設(shè)備在實(shí)際現(xiàn)場條件下可能會出現(xiàn)問題。只有預(yù)計(jì)到現(xiàn)場可能出現(xiàn)的問題，才能按照在各種工作環(huán)境中正常工作這一要求來進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。這種情況對處理ESD問題特別適用，因?yàn)檫@樣的問題可能會因現(xiàn)場搬運(yùn)PC組件時不遵守注意事項(xiàng)而發(fā)生。為了解決ESD問題，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時采取預(yù)防ESD損壞的措施是必要的。即使某個器件具有內(nèi)置的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)來防止ESD損壞，也應(yīng)在為受損壞的應(yīng)用場**用外部元器件進(jìn)行更**別的防護(hù)。
一種眾所周知的ESD能量抑制技術(shù)是在電路的關(guān)鍵部位使用瞬變抑制二極管。這樣的器件基本上是快速響應(yīng)的電壓箝位器件。當(dāng)ESD或其它因素產(chǎn)生一個過壓瞬變脈沖時，瞬變抑制器就按照其額定值將電壓箝位于一個**電壓值，以保護(hù)瞬變抑制器后面連接的器件。應(yīng)根據(jù)器件能承受的預(yù)計(jì)瞬時功耗，仔細(xì)地選擇瞬變抑制器的功率承受大小。
一種可在電路輸入級使用的簡單的ESD瞬變抑制技術(shù)，就是將一個磁珠串在輸入引線上，并在輸入引線和地之間接一只容量很小的電容器。圖2示出了磁珠的等效電路。輸入端的LC電路起濾波器的作用，將ESD瞬變的能量分流入地。當(dāng)使用瞬變抑制二極管保護(hù)任何輸入端或輸出端時，要使瞬變抑制器盡量靠近這些端子。很長的導(dǎo)線和電路板印制線都有寄生電感，當(dāng)ESD瞬變脈沖進(jìn)入電路時，寄生電感就會產(chǎn)生電壓過沖與振鈴問題。
你可使用CMOS布局技術(shù)來防止閂鎖效應(yīng)，因?yàn)镃MOS布局技術(shù)可監(jiān)控ESD瞬變會進(jìn)入器件的各部位：器件的電源引腳、輸入引腳和輸出引腳。你應(yīng)降低晶體管（PNP和NPN）的增益，并提高閂鎖效應(yīng)的閾值，方法是加大器件結(jié)構(gòu)中P溝道Tub與P溝道漏極之間的間隔。在電源和p-tub上連接p+和n+保護(hù)環(huán)也可以降低晶體管增益，提高閂鎖效應(yīng)的閾值（圖3）。防止閂鎖效應(yīng)的其他工藝技術(shù)有：提高阱深度以減少寄生晶體管的增益；采用絕緣襯底（如藍(lán)寶石硅）以降低tub和襯底中的電流，；在每個阱下面采用埋層或外延層（圖4）。
你也可以用良好的電路設(shè)計(jì)技術(shù)來減少ESD危害和與ESD有關(guān)的電子器件失效。元器件選用得當(dāng)和關(guān)鍵部位使用電路級技術(shù)（保護(hù)網(wǎng)絡(luò)）均可減少ESD的種種影響。良好的接地與電路板布線技術(shù)；在裝配、生產(chǎn)和測試時小心取放對ESD敏感的器件；在包裝和運(yùn)輸器件和組裝電路板時采用適當(dāng)?shù)姆漓o電包裝材料，這些措施都可減少失效。電路屏蔽得當(dāng)也可以減少ESD的影響。
電路板布局會影響ESD
你如果使用布局和布線都很好的電路板，就可以顯著減少ESD問題的發(fā)生率（見附文《實(shí)現(xiàn)ESD故障*小化的電路設(shè)計(jì)原則》）。每一電路都因?yàn)橛胁煌愋偷脑骷碗娏鞫嬖谟徐o電通量線和磁通量線。如果電路板布線圍住很大的環(huán)形區(qū)，則導(dǎo)電通路就會圍住較大的磁通量，由于環(huán)路起天線的作用，較大的磁通量又會在環(huán)路中感應(yīng)產(chǎn)生電流。這種環(huán)路電流會產(chǎn)生影響電路中元器件的干擾電磁場。減小環(huán)路區(qū)的方法是使電源線和地線盡量靠近在一起。圖5示出了典型的電源線和地線形成的環(huán)路區(qū)。
要在電路板設(shè)計(jì)中采用低阻抗地線，以便任何ESD電流都能很容易地流入地，而不是經(jīng)過電子器件的其他低阻通路流入地。一個接地區(qū)域，*好是一個接地層，均可降低ESD的影響，因此，你應(yīng)將電路板上未用區(qū)域都變成接地層。使信號線靠近地線也可減小環(huán)路面積，并可將大環(huán)路引起的ESD問題減至*少。具有獨(dú)立接地層的多層電路板則更為可取。
在電路板布局時，敏感電子元件要遠(yuǎn)離潛在的ESD源，如變壓器、線圈和連接器。這些潛在的ESD源會積累電荷或產(chǎn)生雜散的電磁場，從而導(dǎo)致元件損壞。對線圈、變壓器和類似元件進(jìn)行屏蔽，以抑制這些元件輻射的電磁場，這是明智之舉。要在很長的信號線之間布放一根地線，以減小環(huán)路面積。你把敏感電子元器件放在遠(yuǎn)離電路板邊緣的地方，就可避免ESD偶然損壞這些元器件；因?yàn)檫@樣做可避免人體接觸和可能由ESD引起的損壞。
