Электростатическая защита чувствительной электроники: оборудование и методы

Время чтения: 28 минут

Кто не прогуливал уроки физики в школе или даже посвятили свою жизнь науке и технике, знают про электрофорную машину Алессандро Вольта или электростатический генератор Ван-де-Граафа — специальные электрические машины для генерирования высокого напряжения постоянного тока методом электростатической индукции. «Результат работы» хорошо демонстрировался наэлектризованными волосами того, кто непосредственно взаимодействовал с этими машинами.

Имея крайне небольшую и безопасную для человека силу тока, всё же так ли безобидно статическое электричество? Для человека — да, но для электронных приборов, а конкретно, полупроводниковых электронных компонентов — нет. Наислабейший статический заряд, который человек даже не ощутит на себе, способен мгновенно вывести из строя практически любую микросхему.

«Тихий убийца» полупроводников коварен и сделает своё «чёрное дело» буквально в любой момент: при изготовлении микросхемы, её упаковке, транспортировке, монтаже на печатную плату, а также при эксплуатации готового устройства. Таким образом, перед современной электроникой остро стоит вопрос электростатической защиты чувствительных компонентов и электронных приборов.

Одним из часто встречающихся «генераторов» статических зарядов (ЭЗ) являются шерстяная одежда и ковры: они образуются при контакте с ними, а при прикосновении к металлическим предметам, к примеру, к дверной ручке, происходит «удар током» — электростатический разряд (ЭР). Этот «удар» — результат разряда накопленного заряда тела через электропроводящий объект. Обычно величина разности потенциалов ЭР достигает от нескольких до десятков киловольт.

Прохождение электрического разряда такой величины смертельно опасно для полупроводниковых компонентов или электронных приборов, если они окажутся на пути тока. Но об этом чуть позже. Прежде чем подробно рассмотреть действие ЭР на полупроводниковые компоненты, нужно кратко рассмотреть природу статики.

Статическое электричество — это совокупность эффектов, связанных с образованием и накоплением электрического заряда на поверхности диэлектриков или изолированных проводников. Между двумя объектами, имеющими разную степень «заряженности» электричеством, образуется разность потенциалов. Когда два объекта с разными электрическими потенциалами соприкасаются, между ними происходит перераспределение заряда. Это явление и называется электростатическим разрядом. При малой величине разности потенциалов перераспределение происходит незаметно, а при большой (порядка киловольт) возможно образование искрового разряда.

Есть разные способы создания электростатики на поверхности материала: трибоэлектрический эффект, электростатическая индукция, ионизация под действием светового или ионизирующего излучения, а также контакт с другим заряженным объектом.

Распространённым механизмом образования поверхностного заряда является трибоэлектрический эффект. Так называют процесс, когда создаётся поверхностный электрический заряд между двумя телами в результате их трения. Яркий пример контактной электризации, он также основан на перемещении электрических зарядов между телами с образованием вследствие этого электрического поля и проявления электростатических свойств (появление разности потенциалов, притягивание тел, заряженных разноимённо, отталкивание — с одноимённым зарядом и т. д.). В зависимости от материала, тело получает электрический заряд того или иного знака. Материалы, выстроенные от положительно заряжающихся к отрицательным, образуют трибоэлектрический ряд.

В целом, положительный заряд приобретают тела из материала, имеющего более высокую диэлектрическую проницаемость. Если их материал одинаков, то те, у кого выше плотность.

Сегодня единой всеобъемлющей теории физики трибоэлектрического эффекта не существует. Трибоэлектрический ряд также не является достаточно упорядоченным. Примером послужат трибоэлектрические кольца, в которых одни и те же материалы имеют как положительный, так и отрицательный заряд. Например, «шёлк-стекло-цинк», в котором:

Ярким примером трибоэлектрического эффекта можно назвать атмосферные разряды или молнии, происходящие в результате трения частиц воды и образованных ими капель воды, облаков и т. д.

На количество электрического заряда, образованного в результате трения тел друг об друга, влияет немало факторов: площадь контакта, интенсивность трения, относительная влажность воздуха (ОВВ) и другие. В таблице ниже приведены примеры разности потенциалов, образующихся между телами в результате действия трибоэлектрического эффекта при различных бытовых условиях.

Видно, что более высокая влажность намного снижает величину приобретённого заряда и, следовательно, разность потенциалов. Повышение влажности воздуха окружающей среды — один из методов электростатической защиты при работе с электронными компонентами и оборудованием.

ЭР происходит, когда из-за разности электрических потенциалов между телами происходит перераспределение электрического заряда. Высокая величина разности потенциалов и низкое сопротивление цепи как раз приводят к повреждению чувствительных компонентов или приборов, которые находятся на пути прохождения разрядного тока.

Полярность и величина ЭЗ зависят от характеристик материала, а таблица, обобщающая эти параметры в зависимости от материала, называется трибоэлектрическим рядом. Востребованный для рассмотрения в сфере защиты, он выглядит так:

Из таблицы видно, что воздух и кожа человека способны переносить наибольший положительный заряд, в то время как силиконовая резина, тефлон, кремний — наоборот, отрицательный. При трибоэлектрическом эффекте тело из материала, который находится ближе к верхней части таблицы, принимает положительный заряд, а другое – отрицательный.

Кроме того, материалы, которые находятся дальше друг от друга в таблице, образуют заряд более высокого уровня. А следовательно, большую разность потенциалов, чем те, что находятся ближе друг к другу. Согласно таблице трибоэлектрического ряда, практически все материалы могут быть электрически заряжены. Однако величина образующегося заряда, а также то, в каком направлении и как быстро он перераспределяется, зависят от электрических характеристик материала.

Изоляторы из-за своего очень высокого удельного сопротивления способны хранить заряд огромной величины. Поскольку он не может перераспределиться, он остаётся на поверхности материала. Напротив, когда заряжается проводник, из-за его очень низкого удельного сопротивления создаваемый заряд равномерно распределяется по поверхности материала.

Электростатический разряд (Electrostatic Discharge, ESD) — распространённое явление в природе. Как упоминалось в предыдущем разделе, величина ЭЗ может составлять порядка десятки киловольт, который перераспределяется (разряжается) чрезвычайно быстро (за наносекунды). ESD в электронике является частью подмножества отказов, известных как электрическое перенапряжение (Electrical Over-Stress, EOS).

Это событие, происходящее в режиме эксплуатации компонента или прибора, характеризуется выходом каких-либо рабочих величин за нормальные пределы. Этими величинами могут быть напряжение, ток и температура, которые в рамках электронных компонентов и приборов тесно взаимосвязаны. ЭР сопровождают электронные приборы на протяжении всего срока их службы.

Сначала он влияет на полупроводниковые дискретные компоненты или интегральные микросхемы (ИС) на ранних стадиях процесса изготовления кремниевой пластины (смотри статью «Что такое полупроводник?»). Чистые помещения электронных производств являются хорошими источниками материалов, «с радостью» создающими поверхностный ЭЗ, вследствие широкого использования синтетики в отделке помещений, транспортных контейнерах и рабочих инструментах.

ЭР могут снизить выход продукта (повысить количество брака) двумя путями:

Следующий после изготовления этап у полупроводникового прибора — операция сборки и корпусирования, где присутствуют дополнительные опасности. При сборке кремниевые пластины должны быть разрезаны для получения отдельных кристаллов. Затем эти кристаллы тестируются, помещаются в индивидуальные корпуса и происходит подключение электрических проводников. Затем происходит окончательная сборка и герметизация микросхемы. Все эти операции способны вызывать ЭР и повреждение полупроводниковых структур практически готового полупроводникового прибора.

Поскольку технология изготовления микроэлектроники продолжает «сжиматься» до размеров порядка единиц нанометров, повреждение кристалла в результате действия статики в интегральных схемах стало одной из основных проблем надёжности.

Несколько научных исследований, проведённых за последние два десятилетия, назвали «повреждение в результате электростатического разряда» основной причиной отбраковки полупроводниковых приборов. В зависимости от типа электронного прибора (смотри статью «Что такое полупроводник?») количество брака может достигать 70%. Конечно, не факт, что всю часть дефектных компонентов выбросят на свалку, но определённо можно сказать, что как минимум некоторые будут иметь сниженные потребительские характеристики.

Сбои от ЭР вызываемы минимум одним из трёх источников: локальное тепловыделение, высокая плотность тока и высокая интенсивность электрического поля. Высокая плотность тока неизбежно приводит к большой мощности рассеяния с последующим локальным повышением температуры, часто приводящей к тепловым повреждениям кристалла. Кремний имеет отрицательный температурный коэффициент, поэтому очень большое рассеивание мощности в малом объёме приведёт к высоким температурам и тепловому разгону. Пока интенсивность теплоотвода больше или аналогична тепловыделению, температура не увеличивается. Когда тепловыделение начинает превышать интенсивность теплоотвода, температура в области горячей точки начинает лавинообразно увеличиваться и происходит тепловой разгон (тепловой пробой).

Для микросхем, базирующихся на полевых транзисторах, наиболее проблемным местом являются оксидные изолирующие слои их затворов. Толщина затвора ничтожно мала и, следовательно, чрезвычайно подвержена риску электрического пробоя из-за чрезмерной интенсивности электрического поля. Структурные дефекты и острые углы в топологии делают электрическое поле интенсивнее, что повышает вероятность отказа в этих точках.

Они делятся на две категории: мягкие и жёсткие. При мягком отказе устройство имеет частичное повреждение, что обычно приводит к увеличению токов утечки, который не отвечает требованиям для данной схемы. Однако базовые функции устройства работоспособны, но без какой-либо строгой гарантии относительно долговременной надёжности. При жёстких отказах основная функциональность устройства полностью теряется.

Каждый отказ сводится к четырём определённым проявлениям повреждения.

В современной технологии изготовления микросхем КМОП (Комплементарная структура Металл-Оксид-Полупроводник) вводы/выводы требуют схемы защиты от электростатики, которая ограничивает пиковое напряжение во время ЭР, способного его вызвать. Напряжение пробоя диэлектрика напрямую связано с его толщиной. С увеличением степени миниатюризации компонентов она также уменьшается, что приводит к уменьшению максимально допустимого прикладываемого напряжения.

Этот дефект приводит к низкоомному короткому замыканию выводов затвора и стока в повреждённом транзисторе. Но это — не единственная проблема в интегральных схемах. Также возможны разрывы диэлектрического слоя между компонентами и слоями микросхемы.

Это приводит к увеличению утечки обратного смещения p-n-перехода. В худшем случае он замыкается накоротко. ЭР вызывает кратковременное протекание тока большой величины через переход. Высокая электрическая мощность, рассеиваемая в нём, приводит к повышению температуры до тех пор, пока не произойдёт расплавление области кремния. Когда кремний расплавляется, его сопротивление падает в 30 или более раз. Это приводит к тому, что большая часть тока протекает в узкой расплавленной области, что ещё больше нагревает её и приводит к пробою. Это явление часто называют именно тепловым пробоем.

Поэтому устройства, в которых области горячих точек расположены глубже в кремнии (например, биполярные транзисторы), являются несколько более стойкими к ЭР. В них p-n-переход база-эмиттер наиболее восприимчив к повреждению через образование проводящих каналов.

Также возможно проявление механизма, аналогичного образованию проводящих каналов. За исключением того, что расплавленная область «растёт» до тех пор, пока не образует контакт с металлизированной область, вызывая деградацию алюминия и кремния. Тепловой порог такого повреждения ниже для алюминиевых металлизированных областей, поскольку эвтектика алюминий-кремний образуется всего при 577°C, а не при температуре плавления кремния 1415°C.

Как ясно из названия, она происходит в двух или более слоях. Сплавление бывает в металлических межсоединениях, поликремниевых межсоединениях, а также в тонкоплёночных и диффузионных резисторах. Наиболее подвержены повреждениям цепи с тонкоплёночными резисторами.

Из-за высоких температур, вызванных электростатическим импульсом, металлическая или поликремниевая структура, расположенная близко к области «горячей точки» в p-n-переходе, может расплавиться, что приведёт к паразитной металлизации и образованию электрического контакта между изолированными структурами (слоями).

Последний механизм образования дефектов в полупроводниках — это инжектирование носителей заряда в оксидный изолирующий слой затвора путём лавинного пробоя p-n-перехода. Это происходит, когда ЭР приводит к тому, что переход с обратным смещением начинает пропускать ток за счёт лавинного умножения носителей заряда (лавинный пробой).

Если переход является стоком полевого транзистора, то это приводит к сдвигу его порогового напряжения. Степень снижения надёжности изоляции оксида кремния также связана с плотностью тока инжектированного заряда. Локальное инжектирование во время лавинного пробоя перехода стока при ЭР вызывает больше повреждений, чем равномерное инжектирование от затвора к корпусу транзистора при нормальных рабочих условиях. Такой метод вызывает увеличение тока утечки у дефектных приборов.

Она подразумевает размещение соответствующих защитных устройств прямо на кремниевом кристалле на выводах входов/выходов и на контактах питания для надёжного отвода энергии до того, как ЭР повредит чувствительные части микросхемы. Схема на кристалле должна дать максимально короткий, явный и надёжный путь для протекания токов между любой парой контактов. Как правило, системы проектируются таким образом, что они шунтировали выводы входов/выходов на общий проводник или шину питания.

Каждый вход микросхемы должен иметь собственную защитную цепь, полностью пассивную в обычном режиме работы. Для выходов микросхем уровень защиты определяется собственной надёжностью транзисторов выходного буфера и надёжностью специальных защитных устройств.

Отличный элемент защиты должен минимально влиять на входные и выходные сигналы и обеспечить с высоким быстродействием низкоомный шунтирующий путь для ЭР-тока. А ещё быть способным обрабатывать несколько событий без собственного разрушения и не мешать работе всей микросхемы в целом.

Следовательно, идеальная защитная система имеет следующие характеристики:

Очевидно, что в реальной системе защиты не бывает всех рассмотренных характеристик, но эти критерии предоставляют список возможных путей проектирования её для тех или иных разновидностей микросхем.

Системы для защиты входов/выходов микросхем, реализуемые в рамках технологии КМОП, делят на два типа:

Первая группа включает в себя диоды, стабилитроны и сквозные подавители переходного напряжения (Transient-Voltage-Suppression, TVS), более известные как супрессоры. Вторая группа обычно включает быстродействующие транзисторы (например, с боковой двойной диффузией — LDMOS), кремниевые управляемые выпрямители (SCR, LVTSCR) и другие компоненты. Более подробно о внутренней защите полупроводниковых приборов от ЭР вы можете ознакомиться самостоятельно, так как это выходит за рамки данной статьи.

Также для увеличения надёжности входы и выходы микросхем, на которых потенциально возможен ЭР, иногда имеют внешнюю защиту, реализованную аналогично внутренней: защитные диоды, стабилитроны, супрессоры и так далее.

Она представляет собой комплекс мер по минимизации контакта высокочувствительных электронных компонентов и устройств с потенциальными источниками статики.

Требования к оборудованию рабочего места:

Одноимённо заряженные ионы отталкиваются от заряженного объекта, а разноимённо заряженные притягиваются к нему, тем самым нейтрализуя электрический заряд.

Требования к персоналу:

Требования к транспортировке: