28

Podstawy

E l ek t r on i ka d l a Wszys t k i chKwiecie 2002

Ukady elektroniczne, a zwaszcza mikroskopijnej wielkoci struktury ukadw scalonychatwo mog zosta uszkodzone przez due napicia i prdy, wystpujce podczas rozadowania adunkw elektrostatycznych (ESD electrostatic discharge). adunki statycznepowstaj wskutek tak zwanego efektu tryboelektrycznego. Przykadowo, chodzc po dywanie lub wykadzinie ze sztucznego wkna,czy nawet posugujc si najzwyklejszymi torebkami z polietylenu moemy naadowaswoje ciao czy dotykane przedmioty do wysokiego napicia rzdu kilkuset woltw lubnawet kilkunastu tysicy woltw. Z punktuwidzenia elektrycznoci chodzi tu o naadowanie pojemnoci i zgromadzenie w niejenergii. Cho wchodzce tu w gr pojemnocis stosunkowo mae, ze wzgldu na due napicie, zmagazynowana ilo energii jestznaczna. Energia ta moe bardzo atwo doprowadzi do nienaprawialnego uszkodzeniastruktury pprzewodnika. Potny impulsprdu rozadowania moe po prostu stopipoczenie, natomiast wysokie napicie moenieodwracalnie przebi zcze lub dielektryk.

Wikszoci elektronikw problem adunkw statycznych kojarzy si z uszkodzeniamiukadw CMOS i maych tranzystorw MOSFET. Problem dotyczy take caych moduw, na przykad kart i pamici komputerowych. Mniej brana pod uwag jest moliwostopniowej degradacji parametrw, prowadzca w kocu do uszkodzenia, dotyczca wszelkich delikatnych ukadw analogowych,w tym take bipolarnych. Nieprzypadkowoproducenci ukadw analogowych, na przykad wzmacniaczy operacyjnych, umieszczajna opakowaniach i w specyfikacjach stosowneostrzeenia oraz zalecenia przechowywaniai montau, dotyczce ukadw bipolarnych.

Konstruktorzy wspczesnych ukadwscalonych woyli wiele trudu, by zmniejszy ich podatno na uszkodzenie. Na przykad we wszystkich ukadach CMOS na wejciach s umieszczone obwody zabezpieczajce. Jednak umieszczenie skutecznych obwodw ochronnych na wejciach ukadw

analogowych, na przykad ultraprecyzyjnychwzmacniaczy operacyjnych mijaoby siz celem, poniewa kady taki obwd pogarsza w jaki sposb waciwoci ukadu. Alenawet ukady scalone z zabezpieczeniami nies cakowicie bezpieczne. W wyjtkowo niesprzyjajcych warunkach rozadowanie adunkw statycznych moe uszkodzi niemalkady ukad scalony, ktry przecie zawieradelikatne struktury mikroskopijnej wielkoci.

Cho dla wielu elektronikw temat wydaje si bardzo tajemniczy, oglna zasada jestoczywista: naadowana do wysokiego napicia pojemno rozadowuje si po zaistnieniusprzyjajcych okolicznoci przez kocwkukadu scalonego. Prd zawsze pynie w zamknitym obwodzie. Ilustruje to w uproszczeniu rysunek 1.

W praktyce jest wielernych moliwocii trudno byoby je wszystkie wymieni. Jednz czciej wystpujcychsytuacji jest rozadowanie pojemnoci ciaaludzkiego przez kocwk ukadu scalonego. Generalnie nie chodzio sam moment dotknicia do kocwki, tylkoo powstanie sytuacji umoliwiajcej przepywprdu w zamknitym obwodzie przez strukturi przez ewentualne obwody zabezpieczajce.

Na przykad po dotkniciu palcami przezosob naadowan (wzgldem ziemi) kilkuwyprowadze ukadu scalonego zwykle niedzieje si jeszcze nic strasznego. Malekapojemno tych kocwek i caego ukaduscalonego szybko aduje si do napicia, doktrego naadowana jest osoba. Problem pojawia si w chwil pniej, przy wkadaniukostki do podstawki. Przypumy, e najpierw kontakt z podstawk maj kocwki,ktre nie s dotknite palcami. I waniew tym krtkim uamku sekundy moe popyn duy prd rozadowania pojemnoci ciaa przez palce, dotknite kocwki i dalejprzez wewntrzne struktury ukadu, do innych kocwek, do podstawki i do masy.

Oczywicie w praktyce zazwyczaj sytuacja nie jest a tak jasna, obwd masy niejest jednoznacznie okrelony (zwykle chodzio uziemienie), niemniej prd zawsze pyniew zamknitym obwodzie, by moe przez jakie dodatkowe pojemnoci. Generalnie mona tu mwi najpierw o adowaniu pojemnoci, a potem o jej rozadowaniu przez element.Prd przepywa pomidzy kocwkami elementu pprzewodnikowego przez struktur.Ten sam prd rozadowania pynie te przezinne obwody, np. rezystancj ciaa itp. Na dokadniejszym schemacie zastpczym naleaoby wic uwzgldni wystpujce dodatkowe rezystancje i indukcyjnoci. Ilustruje torysunek 2 w pozycji A przecznika S pojemno C jest adowana do wysokiego napicia. Potem, po przeczeniu S do pozycjiB, pojemno rozadowuje si przez rezystancj R, indukcyjno L i przez struktur pprzewodnikow naraanego elementu.

Aby w powtarzalny sposb okreli odporno ukadw na uszkodzenia, wprowadzono standardowe sposoby i warunki pomiaru wanie wedug rysunku 2. Ju w pnychlatach 60. na potrzeby armii amerykaskiejwprowadzono tzw. Human Body Model, czyli model ludzkiego ciaa. Kondensator o pojemnoci 100pF jest adowany do wysokiegonapicia (zwykle 400V ... 2kV) i potem rozadowywany przez rezystor i badany element.Schemat HBM z wartociami wedug amerykaskiej normy (MILSTD883) pokazanyjest na rysunku 3a, a ksztat wyjciowegoimpulsu prdowego na rysunku 3b. W zalenoci od napicia, przy ktrym badany element nie ulega uszkodzeniu, okrela si klasy

HHHHBBBBMMMM,,,, MMMMMMMM,,,, CCCCDDDDMMMM,,,, czyliaaaadddduuuunnnnkkkkiiii ssssttttaaaattttyyyycccczzzznnnneeee wwww nnnnaaaattttaaaarrrrcccciiiiuuuu

Rys. 1

Rys. 2

i oznaczenia, ewentualnie podaje si napicieprby, w zakresie kilkuset woltw do kilkukilowoltw. Tylko zupenie niezorientowani,natrafiwszy w katalogu na wzmiank typu:ESD 2kV sdz, e element wytrzyma bezuszkodzenia dowolny impuls o napiciu 2kV.Tymczasem dotyczy to zwykle sytuacji z rysunku 3a, gdzie prd jest relatywnie may.Trzeba wiedzie, e model HBM odwzorowuje przecitne, inaczej rednie warunki spotykane w praktyce. Do dua rezystancjaograniczajca prd, brak indukcyjnoci, stwarzaj stosunkowo agodne warunki testu, cosabo odzwierciedla sytuacje skrajne wystpujce w rzeczywistych warunkach. Abysprawdza odporno dla takich skrajnychprzypadkw wprowadzono w 1976 nowymodel, nazwany MM (machine model). Maon zwizek z sytuacjami wystpujcymi podczas automatycznych testw ukadw scalonych za pomoc maszynautomatw, aleodzwierciedla te skrajne przypadki zwizane z dotkniciem przez czowieka. W modelu MM rezystancj ograniczajc prdzmniejszono do zera, a za to wprowadzonoindukcyjno, przez co impuls prdowy macharakter tumionych oscylacji sinusoidalnych. Schemat MM i ksztat impulsu testowego s pokazane na rysunku 4. Jak wida,testy z pomoc modelu MM stawiaj badanemu elementowi duo wysze wymagania, niprzy modelu HBM.

W pewnym uproszczeniu mona powiedzie, e modele HBM i MM dotycz sprawdzania odpornoci ukadu scalonego nauszkodzenie na drodze midzy kocwkamiwejciowymi, a mas. Niewiele maj natomiast wsplnego z samym dotkniciem przezczowieka do kocwek. Tymczasem nie tylko amatorzy intuicyjnie czuj, e ju samodotknicie kocwek, bez adnego poczenia z mas, niesie pewne zagroenie. W takim intuicyjnym podejciu jest sporo prawdy. W tym wypadku jednak nie chodzio przepyw prdu przez struktury scalone,tylko przepyw prdu zwizany z adowaniem si pojemnoci struktury scalonej. Chodzi o pojemno struktury wzgldem masy(ziemi), ktra nie jest staa i wynosi zwykle1...20pF. Rysunek 5 ilustruje adowanie tejpojemnoci, oznaczonej Cs. W chwili dotknicia dowolnej kocwki przez naado

wanego czowieka, w krtkim uamku sekundy popynie prd i zostanie naadowanamaleka pojemno Cs (zamiast rda napicia HV mona byoby te narysowa pojemno ciaa ludzkiego, ktra jest znaczniewiksza ni pojemno elementu Cs).

Uwzgldniajc takie zagroenie, zwizane z adowaniem pojemnoci elementuwzgldem ziemi, opracowano kolejny model,zwany CDM (charged device model). Rysunek 6 ilustruje sposb przeprowadzania pomiarw i uzyskiwany impuls prdu.

Naley mie wiadomo, e omwionemodele i prowadzone przy ich pomocy cileokrelone normami testy stosowane s gwnie wzgldem elementw o specjalnym przeznaczeniu (wojskowe, lotnicze, kosmiczne,ewentualnie medyczne). Elementom powszechnego uytku powica si znaczniemniej uwagi. Czsto w podstawowych katalogach nie ma adnej informacji dotyczcejESD, ewentualnie wystpuje tylko krtkawzmianka lub zalecenie ostronoci.

Warto jeszcze zwrci uwag, jakie parametry maj impulsy testowe oraz te wystpujce w realnych warunkach. I wanie takiekrciutkie impulsy potrafi w uamku sekundy zniszczy kosztowny ukad scalony. Przykadowo w metodzie HBM ze wzgldu nadu warto rezystancji impuls prdu jeststosunkowo niewielki, zwykle nie przekracza1A, a czas trwania jest rzdu dziesitych czci mikrosekundy. Przy modelu MM nawetprzy napiciu 400V szczytowy prd przekracza 5A, czas narastania pierwszego impulsuprdowego wynosi typowo 14ns, a gasncedrgania maj czstotliwo 10...15MHz. Przymetodzie CDM (400V) impuls prdu ma nawet ponad 2 ampery, a jego czas trwania wynosi tylko okoo 2 nanosekund.

Poniewa uszkodze wynikajcychz ESD nie mona naprawi ani skompensowa, jedynym ratunkiem jest ZAPOBIEGANIE. Praktyka pokazuje, e uszkodzeniazwizane z ESD nie s czste, co po czciwynika z zastosowania obwodw ochronnych, a po czci z przypadkowo sprzyjajcych warunkw przechowywania i montau.Omiela to amatorw do zupenego lekcewaenia niebezpieczestwa. O ile zdarzajce sisporadycznie przypadki uszkodzenia ukadw logicznych CMOS (raz na kilkadziesitkostek) mona pomin choby ze wzglduna cen traconych ukadw, o tyle nie naleylekceway szkodliwego wpywu ESD naprecyzyjne ukady analogowe. Kolejne rozadowania nie uszkodz ukadu cakowicie,tylko na przykad zwiksz prdy upywuczy obni precyzj poniej granicy podanejw katalogu. Powinni o tym pamita zwaszcza konstruktorzy, bowiem o takie trudnedo uchwycenia przypadki najatwiej waniepodczas eksperymentw i budowania prototypw.

Aby radykalnie zmniejszy prawdopodobiestwo uszkodzenia podczas pracy warto: uziemi grot lutownicy, pracowa na metalowym, uziemionym bla

cie stou przechowywa delikatne ukady w antysta

tycznych szynach, torebkach lub wetknitew czarn gbk

nie nosi ubra z tworzyw sztucznych (np.z polaru)

Przy pracy z najdelikatniejszymi i kosztownymi ukadami analogowymi i cyfrowymi warto te uziemi nie tylko lutownic,masy i obudowy przyrzdw pomiarowych,ale i wasne ciao oraz zwikszy wilgotnopowietrza, np. z rozpylajc w pomieszczeniutroch wody.

Piotr Grecki

29

Podstawy

E l ek t r on i ka d l a Wszys t k i ch Kwiecie 2002

Rys. 3Rys. 6

Rys. 4

Rys. 5

a)

b)