Электромагнитная совместимость РЭА Электростатические разряды
Ивко А. М. – начальник лаборатории ЭМС ЗАО «ТЕСТПРИБОР»
С уменьшением размеров микросхем, увеличением скоростей передачи данных, уменьшением потребляемой мощности, растет чувствительность изделий микроэлектроники к электромагнитным воздействиям. На сегодняшний день для особо чувствительных элементов фатальными могут оказаться всплески напряжения уже от 50 В. Такие и более высокие перенапряжения возникают на выводах микросхем в случае воздействия электростатических разрядов на изделие, и без должных мер защиты способны привести к деградации кристаллов микросхем или полному выходу их из строя. Ежегодные потери промышленности от воздействия электростатических разрядов (ЭСР), по некоторым оценкам доходят до нескольких миллиардов долларов. Таким образом, очень важным представляется освещение вопросов возникновения ЭСР, воздействующих факторов, методов испытаний и, самое главное, методов защиты от ЭСР, в том числе для законченных изделий.
Возникновение зарядов
Различают три пути накопления электростатических зарядов: трибоэлектрический, индуктивный, емкостной. Величина заряда и параметры последующего разряда зависят от ряда факторов: диэлектрическая проницаемость материала, его размеров, характеристик поверхности и параметров среды в которой происходит разряд.
Трибоэлектрический заряд – заряд, возникающий при трении двух материалов друг о друга, один из которых или оба являются диэлектриками. При этом один из материалов, отдавая электроны, заряжается положительно, а другой, принимая электроны – отрицательно. Например, тело человека при трении об одежду при низкой влажности воздуха способно накапливать потенциал до 35 кВ (табл. 1).
Индуктивный путь появления электростатического заряда – передача или перераспределение зарядов при сближении тел (предметов), одно из которых уже имеет электростатический потенциал. При этом, если разность потенциалов тел будет достаточно велика (приемник разряда заземлен), то произойдет электростатический разряд.
Емкостной путь появления электростатического заряда – емкость заряженного тела относительно другого тела так же имеет эффект статического поля. Как известно, заряд равен - емкость, умноженная на напряжение Q=C*V. Из этой формулы следует, что если заряд постоянен – напряжение увеличивается при уменьшении емкости и будет расти до тех пор, пока не произойдет разряд. Низкое напряжение заряда на предмете и высокая емкость на землю могут привести к катастрофическому увеличению напряжения при удалении предмета от плоскости заземления (уменьшения емкости между плоскостью заземления и предметом). Например, заряд с напряжением 100 В на обычном пластиковом пакете, лежащем на диэлектрическом столе, может возрасти до нескольких тысяч вольт при поднятии его оператором над плоскостью заземления. Такие ситуации возникают на производстве повсеместно.
Табл. 1. Величина электростатического потенциала при различных условиях его накопления
| Некоторые типичные ситуации, при которых накапливается электростатический потенциал и его величина | Относительная влажность воздуха | |
| 10%~20% | 70%~80% | |
| Хождение по ковру | 35кВ | 1.5кВ |
| Хождение по линолеуму | 12кВ | 0.3кВ |
| Подъем пластикового пакета | 15кВ | 0.5кВ |
| Сдвигание пластиковой коробки по поверхности | 15кВ | 2.0кВ |
| Использование незаземленного оловоотсоса | 8кВ | 1.0кВ |
| Использование пластикового шкафа | 8кВ | 1.0кВ |
Механизмы воздействия
Пробой диэлектрика
Пробой диэлектрика является основной причиной отказов микросхем. При превышении электростатическим разрядом пробивного напряжения диэлектрика происходит пробой. Пробой происходит как в МДП структурах, так и в биполярных, в случае, когда через активную область транзистора проходит металлизация отделенная тонким слоем оксида. Чувствительность к электростатическим разрядам тем выше, чем меньше толщина диэлектрика. В результате пробоя диэлектрик разрушается - появляется паразитная проводимость в месте удара. Рис. 1, 2.
Рис. 1. Разрушение металлизации
Рис. 2. Разрушение диэлектрика
Рис. 3. Появление перемычки на металлизации биполярной структуры
Температурное разрушение
Даже когда напряжения разряда не достаточно для того, чтобы произошел пробой диэлектрика, мощности разряда может хватить для локального разогрева кристалла до температуры плавления кремния (1415°С) и выше, тогда произойдет локальное плавление полупроводника. Разрушение перехода эмиттер-база в n-p-n транзисторе часто связано именно с воздействием ЭСР.
Высокая плотность тока в ограниченной области высокой проводимости база-эмиттер приводит к локальному перегреву и последующей деградации p-n перехода.