Nota de aplicación 4491
Los daños causados por un rayo o una chispa que depende de tu altura!
Por:
Bill Laumeister, Ingeniero de aplicaciones estratégicas
12 de septiembre 2012
Resumen: Los grandes edificios de acero, los automóviles, las montañas, incluso las personas sobreviven a un rayo atmosférico real. Los seres humanos también pueden crear sus propios pernos de relámpago en miniatura (chispas) y sobrevivir. Cuando esas chispas llegar a un CI, sin embargo, los resultados de problemas más importantes. En este tutorial, vamos a discutir la manera de proteger a tarjetas de circuitos impresos (PCB) en contra de la destrucción de la EDS. Vamos a demostrar que las partes analógicas con grandes geometrías son los mejores para usar para proteger a un arreglo de compuertas programables en campo (FPGA) con sus geometrías pequeñas. Al tomar estas medidas, los circuitos integrados en una FPGA permanecer más fiables y ofrecen un rendimiento de calidad consistente.
Una versión similar de este artículo apareció en el 27 de julio 2012 cuestión de la tecnología Power Electronics revista.
Introducción
Un rayo puede ser divertido y entretenido, o peligrosas y destructivas. Tal vez todas estas cosas a la vez, sólo depende de dónde se encuentra, lo que está haciendo, y su altura. Para un IC, rayos nunca es bueno.
Hace unos años estábamos en una de 10 pisos, edificio del hotel, de estructura de acero. Una tormenta eléctrica por la tarde se acercó a través de un campo abierto grande. Debido a la estructura de acero del edificio, nos sentimos confortablemente a salvo. Nuestros ordenadores no estaban conectados, por lo que no era asunto. Fue un show espectacular durante unos 10 minutos cuando la tormenta pasó.
Los grandes edificios de acero, los automóviles, las montañas, incluso las personas sobrevivir rayo atmosférico real. Los seres humanos también pueden crear sus propios pernos de relámpago en miniatura (chispas) y sobrevivir. Cuando esas chispas llegar a un CI, sin embargo, los resultados de problemas más importantes. Altos nanómetros transistores necesitan protección para sobrevivir incluso chispas humanos. En este tutorial, vamos a discutir la manera de proteger a tarjetas de circuitos impresos (PCB) en contra de la destrucción de la EDS. Vamos a demostrar que analógicas piezas con geometrías más grandes son los mejores para usar para proteger a un arreglo de compuertas programables en campo ( FPGA ) con sus geometrías pequeñas. Al tomar estas medidas, los circuitos integrados en una FPGA permanecer más fiables y ofrecen un rendimiento de calidad consistente.
Una chispa desde dos perspectivas
¿De dónde salen las chispas generadas por los humanos Estas son causadas por una carga triboeléctrica. Esa es una palabra grande. Esto sucede cuando dos materiales en contacto (frotando ayuda) y se separan a continuación.Algunos electrones se transfiere a uno de los artículos. ¿Cuántos electrones se mueven y que a la superficie depende de la composición del material. Este es un fenómeno común debido a que casi todos los materiales, aislantes y conductores exhiben propiedades triboeléctricas. Estamos familiarizados con muchas fuentes comunes. Acariciar la piel del gato, frotando un globo en el cabello, y caminar sobre una alfombra todos pueden exhibir el efecto triboeléctrica.
Un tutorial sobre los fundamentos de la descarga electrostática 1 ilustra las tensiones que producen los seres humanos durante diversas actividades. Tabla 1 lista los voltajes frente a la humedad relativa (HR).
| Tabla 1. La actividad humana y la carga estática generada | ||
| Los niveles típicos de tensión | ||
| Medios de Generación | 10% a 25% de HR | 65% a 90% de HR |
| Caminar sobre una alfombra | 35.000 V | 1.500 V |
| Caminando por baldosas de vinilo | 12.000 V | 250V |
| Trabajo en un banco sin conexión a tierra | 6.000 V | 100V |
| Captura de una bolsa de plástico de un banco | 20.000 V | 1.200 V |
| Sentado en una silla con espuma de uretano | 18.000 V | 1.500 V |
No es de extrañar que duele cuando caminamos sobre una alfombra y tocar el pomo de la puerta! Una regla general es que 5.000 V puede saltar sobre un centímetro (0,4 pulgadas) en el 50% de humedad relativa del aire. Para alguien de cinco o seis pies de altura, se trata de una chispa, es doloroso, pero que sobrevivir. Ahora cambia tu perspectiva. ¿Qué estragos que causa la chispa de algo algunos micro-pulgadas de alto, como un transistor en un circuito integrado (IC)? En esta situación, una chispa centímetro es una enorme pantalla aterrador rayo.
Ahora, podemos recurrir a circuitos integrados. Los microprocesadores han liderado desde hace tiempo las mejoras de densidad de los semiconductores digitales. La tecnología de fabricación ha resultado en transistores más pequeños y más pequeños. En 1971, el Intel ® 4004 unidad de procesamiento de computadora (CPU) se introdujo en una geometría de 10 micrones. En los años 1980 y 1990, el proceso de hacer piezas más pequeñas que una bacteria. En 2012, los circuitos integrados se acercan a la densidad de 1.000 veces más pequeño que la tecnología de 1971 y las características del chip son más pequeños que un virus. En el año 2012 se pueden comprar con características 28nm FPGAs y 6,8 millones de transistores en un solo paquete 2 y el futuro promete duplicar esa densidad en los próximos años. Los transistores pequeños están estrechamente empaquetados juntos y necesitan funcionar a tensiones bajas (típicamente por debajo de 1 V y) para controlar el calor generado.
Para poner en perspectiva de 28nm, tenga en cuenta los ceros: que es de 28 mil millonésimas de metro (0,000000028).Deje que la distancia entre San Francisco y Nueva York representan un metro (unos 4000 kilómetros o millas 2500). Ahora 28nm (una parte en 36 millones) es 0,11 metros o pulgadas 4.4. ¿Qué tan grande debe ser un rayo de dañar estos dispositivos pequeños de geometría y cómo se protegen esos FPGAs necesarias y útiles?
La respuesta fácil es usar las mismas E / S de dispositivos de interfaz que unen los mundos digital y analógico.Analógicas de señal mixta CIs se hacen en geometrías relativamente grandes (10 a 100 veces más grande que digital) y con un voltaje más alto (típicamente 20V a 80V y superiores), lo que los hace más robusto que los transistores diminutos digitales. Aunque hoy en día analógicos de señales mixtas dispositivos son generalmente tolerante de la EDS, que se benefician de los discretos dispositivos ESD. 3
Comprender el daño de un Spark
Los fabricantes de semiconductores tomar sobreesfuerzo eléctrico (EOS) y la descarga electrostática (ESD) muy en serio. En primer lugar, por la razón obvia, que EOS y ESD puede destruir las piezas durante la fabricación, el montaje del paquete, y prueba. Pero lo más importante, estas fuerzas negativas afectan directamente la calidad y la vida útil del circuito en las manos del cliente.
En una primera parte que está eléctricamente tensión excesiva puede parecer que funciona correctamente. Incluso podría funcionar de una manera ligeramente degradado pero todavía pasar el equipo de prueba automático de (ATE) examen, sólo para fallar después en el campo. Fracasos y EOS ESD se pueden prevenir y son, sin duda, importantes cuestiones de control de calidad.
La construcción de un circuito integrado de fabricación es el primer lugar donde el daño EOS y ESD puede ocurrir. Figura 1A muestra un diagrama esquemático de la PCB . Podríamos pensar que la IC está protegido por la serie de condensadores . Este no es el caso. La segunda oportunidad de daño es cuando el cliente monta la IC en una PCB para construir un producto. Mirando más de cerca en la Figura 1B se observa que el condensador tiene una tensión de 50V de trabajo, pero la distancia entre las dos conexiones finales metálicos es de sólo 0,28 pulgadas (7 mm). Dado que la chispa saltó 0,4 pulgadas (1 cm), el pequeño espacio alrededor del condensador es fácilmente deducible. El resultado puede ser que la IC paga con su vida ( Figura 1C ). Finalmente, el daño EOS o ESD puede ocurrir cuando el cliente opera el producto en su entorno.
Figura 1. Fuentes de EOS a nivel de placa y los problemas de ESD.
Sin duda hay muchas oportunidades para que un daño considerable. De hecho, podemos ver el resultado de la destrucción y la EOS ESD dentro de un IC. Para ello, el material epoxi paquete debe ser eliminado. Esto se hace generalmente con ácidos calientes en una caja de aislamiento doble guante. Este proceso es increíblemente peligroso.Los vapores son mortales. Un aliento provocará una muerte dolorosa, una gota de ácido sobre la piel humana resultaría en el mejor de los casos, la amputación de una mano o un brazo, o en el peor, la muerte.
Microfotografía Figura 2A muestra ningún daño aparente. El cable de unión y REF almohadilla etiquetado se proporciona para que podamos orientarnos y comparar fotos. El material de cristal líquido está pintado en la matriz (color rosa) y es similar a la del cristal líquido utilizado en los anillos del estado de ánimo y los termómetros de la frente del niño. Cambia de color con pequeños cambios en la temperatura . Cuando se aplica energía a la IC, el área de dibujo exceso de corriente, marcado aquí con un recuadro amarillo, se calienta y cambia de color. Se trata de un punto caliente. Esto es interesante, pero lo que causó el problema?
Figura 2A. Un circuito de la luz visible no muestra daños evidentes a partir de EOS o EDS. El área de cristal líquido (en amarillo) del circuito está dañado por el calor.
El cable de unión REF ( Figura 2B ) indica que esta imagen se gira 45 grados. Al acercar progresivamente, vemos electromigración. La EOS ha causado un cortocircuito como el daño creció bajo la influencia de la tensión eléctrica. Este proceso puede ocurrir a través del tiempo y el progreso durante muchos esfuerzos cortos hasta que, de repente, la parte falla.
Figura 2B. Escaneo de fotografías de microscopio electrónico del circuito en la Figura 2A.
Para la comparación, ahora examinamos otro IC donde un rayo causó una destrucción rápida ( Figura 3 ).
Figura 3. Un circuito (izquierda) con luz visible no muestra daños visibles desde el rayo. El mismo circuito (derecha) con un microscopio muestra un punto caliente con daños.
El "7" en la esquina superior izquierda de cada imagen en la Figura 3 es para la orientación. No hay mucho de ver bajo la luz visible, pero con una lupa de cristal líquido muestra el aumento de la temperatura y la consiguiente EOS.
La Figura 4 representa los datos del circuito de la Figura 3 y lo vemos que la parte buena conocida exhibe una trama limpia, repetible. La corriente aumenta en el eje vertical con 4.5V aplicada. Cuando los enfoques actuales 250μA, una rodilla está formada, como la tensión aumenta, las estancias actuales en 250μA. La figura 4 también muestra que la parte defectuosa continúa más corriente arriba de la rodilla.
Figura 4. Semiconductor trazador de curvas parcelas para el circuito de la Figura 3. Curva rastreador de corriente / div.is 50μA; tensión / div. es 1V.
Bajo un examen más detallado, parte de serie número 1 (SN1) muestra un agujero en el óxido de puerta ( Figura 5 ). El rayo cortocircuito de la puerta al sustrato, causando el exceso de corriente a fluir. Por supuesto, el transistor pagado con su vida. Óxido de puerta típico es 5 nm a 15 nm de espesor, dependiendo del proceso de fabricación. En densas las partes del microprocesador digital, el óxido puede ser 1.2nm a 3 nm de espesor. Para ilustrar lo delgada que es, en 1.2nm silicio es de ~ 5 o 6 átomos de espesor. Por lo tanto, a una puerta que es de unos pocos nanómetros de altura, casi cualquier chispa es un rayo gigante.
Figura 5. Escaneo de fotografías de microscopio electrónico de circuito en la Figura 3. El rayo causó un agujero en el óxido de la puerta, que en corto circuito.
Lucha contra el Spark y proteger el circuito
Rápidamente nos hablará de cómo proteger los circuitos integrados y el PCB de una chispa y EOS / ESD.
El tiempo de subida de una chispa es muy rápido, por lo que cualquier forma que podamos reducir la velocidad se reducirá la tensión de pico. Estructuras ESD ( Figuras 6 y 7 ) se utilizan normalmente en dos lugares en un sistema: en las entradas de la tarjeta de nivel y salidas con resistencias en serie, y los inductores junto con condensadores a tierra que pueden actuar como un filtro de paso bajo. PCB tanto, están protegidos de EOS / ESD mediante una combinación de silicio discreto (pequeña señal o referencia) diodos Schottky, aludes (Zener) diodos, supresión de tensión transitoria ( TVSdiodos), tubo de gas dispositivos de vaciado, resistencias, inductores, y el óxido de metal varistores (MOV).
Figura 6. Un inventario de componentes discretos sugiere que pueden proteger contra las vulnerabilidades no deseados eléctricos.
Figura 7. Simplificado las estructuras de EDS.
Las estructuras de ESD de la Figura 7A a C son internos a los circuitos integrados. Externos componentes discretos utilizados para EOS / ESD protección tienden a ser físicamente más grandes y llevar a corrientes más grandes. Además de la protección contra ESD incorporado en muchos productos, dispositivos especializados de protección ESD como el MAX14541 y MAX3203 están disponibles para los diseñadores.
Es importante señalar que muchos circuitos se han incorporado en EOS / ESD protección, a pesar de que no es su función principal. Pensemos por un momento en el MAX5481 familia de 10-bit no volátil (NV) potenciómetros, el MAX5134 quad 16-bit DAC , y el MAX6001 familia de bajo consumo y bajo costo referencias de tensión. Una mirada cercana a las hojas de datos muestra que la EDS no se menciona. Pero la especificación ESD depende del proceso de fabricación de IC y se indica en los informes de fiabilidad para cada parte. Usted puede encontrar la información EDS, comenzando en la página QuickView para cada parte en el sitio web de Maxim. En la parte inferior de la página es el área de documentación técnica y la fiabilidad informe.4 Un click aquí para abrir la página del informe fiabilidad. Si el informe de fiabilidad no está en línea, se pueden solicitar.
Resumen
Sean grandes o pequeños, los edificios de acero, los automóviles, las montañas, e incluso la gente sobrevivir rayo atmosférico real. De cinco a seis pies de altura humanos pueden, y regularmente lo hacen, crean sus propios pernos de relámpago en miniatura (chispas) y apenas se dan cuenta. Eso no es el caso de altos nanométrica transistores.Necesitan protección de sobrevivir incluso chispas humanos. Como hemos visto, la protección contra ESD EOS y destrucción de los circuitos integrados de mesa y es crítico para el funcionamiento fiable, de calidad. Diseñadores de circuitos deben estar atentos a emplear EOS / ESD circuitos de protección en sus diseños o para asegurarse de que están utilizando circuitos con una función de protección ESD desde el principio. Se trata de un grave descuido de ignorar cualquier chispa aparentemente trivial ... no importa lo alto que eres ... o no lo son.
Referencias
- Asociación de ESD, Fundamentos de EDS , una introducción a la Parte ESD 1 , © 2001, Roma, Nueva York enwww.esda.org / esd_fundamentals.html .
- Xilinx, Dispositivo reporte de confiabilidad , "Tabla 1-7: Wafer Family Process Technology, "Cuarto Trimestre de 2011 Página 15 de www.xilinx.com/support/documentation/user_guides/ug116.pdf .
- Tutorial 4991, " Oops ... prácticas de protección ESD vs placebos temerario "y Tutorial 1167," Aspectos prácticos de la protección EMI ".
- He aquí algunos extractos de ejemplo de EOS / ESD protección de los reportes de confiabilidad:
- Informe de fiabilidad para MAX5482EUD + 2 (MAX5481, MAX5483, MAX5484). "Sección C) ESD y pruebas Latch-Up; El tipo DP22-1 die se ha encontrado para tener todos los pines capaces de soportar una HBM (modelo del cuerpo humano ) de pulso transitorio de 2500 V por JEDEC JESD22-A114-D ". Para consultar el informe completo, visite www.maximintegrated.com/reliability/product/MAX5482.pdf .
- Informe de fiabilidad para MAX5134AGTG + 3 , "Punto C) Prueba de ESD y pestillo; El tipo de matriz DB34 se ha encontrado que tiene todos los pines capaces de resistir un impulso de HBM transitoria de + / -1,500 V por JEDEC JESD22-A114-D. " Para consultar el informe completo, visitewww.maximintegrated.com/reliability/product/MAX5134A.pdf .
- Informe de fiabilidad para MAX6001EUR + 4 (MAX6002, MAX6003, MAX6004). "Punto C.) ESD y Pruebas Latch-Up; El tipo RF23-6 troquel se ha encontrado que tiene todos los pines capaces de resistir un impulso de HBM transitoria de 2500 V." Para consultar el informe completo, visitewww.maximintegrated.com/reliability/product/MAX6001.pdf .
-
Intel es una marca comercial registrada y marca de servicio registrada de Intel Corporation.
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