淺談保護(hù)印刷電路板（PCB）免受ESD破壞的方法

大型鋼結(jié)構(gòu)建筑，汽車，山脈，甚至人都可以在真實(shí)的大氣雷電中幸存。人類還可以創(chuàng)造自己的微型閃電（火花）并生存。但是，當(dāng)這些火花到達(dá)IC時，會導(dǎo)致重大故障。在本教程中，我們將討論保護(hù)印刷電路板（PCB）免受ESD破壞的方法。我們將證明，具有較大幾何形狀的模擬部件最適合用于以其較小的幾何形狀保護(hù)現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。通過采取這些措施，F(xiàn)PGA中的IC保持了更高的可靠性，并提供了一致的質(zhì)量性能。

不論身材高低的設(shè)備，勢必會受到閃電，鋼結(jié)構(gòu)建筑，汽車，山脈甚至人員的影響。在本應(yīng)用筆記中，我們將解釋保護(hù)IC免受ESD破壞的機(jī)制。保護(hù)IC和電路板免受ESD和EOS破壞是產(chǎn)品可靠性和性能的關(guān)鍵方面。

閃電可能既有趣又有趣，或者危險而具有破壞性。也許所有這些事情同時發(fā)生-它僅取決于您身在何處，正在做什么以及您的身高。對于IC而言，雷電永遠(yuǎn)是不好的。

幾年前，我們住在一棟10層高的鋼結(jié)構(gòu)酒店大樓中。午后的雷暴穿過一個廣闊的空地。由于建筑物的鋼制框架，我們感到舒適安全。沒有插入我們的計(jì)算機(jī)，因此無需擔(dān)心。隨著暴風(fēng)雨過去，這是一場壯觀的表演，持續(xù)了大約10分鐘。
大型鋼結(jié)構(gòu)建筑，汽車，山脈，甚至人都可以在真實(shí)的大氣雷電中幸存。人類還可以創(chuàng)造自己的微型閃電（火花）并生存。但是，當(dāng)這些火花到達(dá)IC時，會導(dǎo)致嚴(yán)重的故障。納米級的晶體管需要保護(hù)，以使其即使在人的火花下也能幸免。在本教程中，我們將討論保護(hù)印刷電路板（PCB）免受ESD破壞的方法。我們將證明，具有較大幾何形狀的模擬部件最適合用于以其較小的幾何形狀保護(hù)現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。通過采取這些措施，F(xiàn)PGA中的IC保持了更高的可靠性，并提供了一致的質(zhì)量性能。

來自兩個角度的

火花人為產(chǎn)生的火花從何而來？它們是由摩擦帶電引起的。這是一個大詞。當(dāng)兩種材料接觸（摩擦幫助）然后分離時，就會發(fā)生這種情況。一些電子將轉(zhuǎn)移到其中之一。多少電子移動以及移動到哪個表面取決于材料的成分。這是一種常見現(xiàn)象，因?yàn)閹缀跛胁牧希^緣體和導(dǎo)體都表現(xiàn)出摩擦電特性。我們熟悉許多常見的資源。撫摸貓的皮毛，在人的頭發(fā)上摩擦一個氣球，然后走過地毯，都可以表現(xiàn)出摩擦電效應(yīng)。

難怪當(dāng)我們走過地毯并觸摸門把手時，它會很痛！一般規(guī)則是，5,000 V可以在50％RH的空氣中跳躍約1厘米（0.4英寸）。對于身高五英尺或六英尺的人來說，這是火花。這很痛苦，但我們生存了?，F(xiàn)在，改變您的看法。這種火花會給集成電路（IC）中的晶體管造成幾微英寸高的破壞嗎？在這種情況下，一厘米的火花是巨大的，令人恐懼的閃電顯示。

現(xiàn)在，我們來談?wù)劶呻娐贰?a target="_blank">微處理器長期以來一直在提高數(shù)字半導(dǎo)體的密度。制造技術(shù)導(dǎo)致晶體管越來越小。1971年，以10 μm幾何尺寸引入了英特爾?4004計(jì)算機(jī)處理單元（CPU）。在1980年代和1990年代，該過程使部件的體積小于細(xì)菌的體積。2012年，IC的密度要比1971年的技術(shù)小1,000倍，芯片上的功能也要比病毒小。在2012年，人們可以購買具有28 nm功能的FPGA和68億個晶體管的封裝，而且未來有望在未來幾年內(nèi)將密度翻倍。小型晶體管緊密封裝在一起，需要在低電壓（通常為1 V及以下）下工作以控制產(chǎn)生的熱量。

要透視28 nm，請注意零：它是一米的28億分之一（0.000000028）。讓舊金山和紐約市之間的距離代表一米（約4000公里或2500英里）?，F(xiàn)在28海里（3600萬個零件中的一個）是0.11米或4.4英寸。這么小的幾何尺寸的設(shè)備必須由多大的閃電才能損壞？如何保護(hù)這種必要且有用的FPGA？

簡單的答案是使用橋接數(shù)字和模擬世界的I / O接口設(shè)備。模擬混合信號IC的幾何尺寸相對較大（比數(shù)字集成電路大10至100倍），并且具有較高的電壓（通常為20 V至80 V或更高），這使其比微型數(shù)字晶體管更堅(jiān)固。盡管當(dāng)今的模擬混合信號設(shè)備通常可以承受ESD，但它們確實(shí)受益于分立的ESD設(shè)備。

了解Spark的損壞

半導(dǎo)體制造商非常重視電過載（EOS）和靜電放電（ESD）。首先，出于顯而易見的原因，EOS和ESD可能會在制造，封裝組裝和測試過程中損壞零件。但更重要的是，這些負(fù)力會直接影響客戶手中電路的質(zhì)量和使用壽命。

最初，受到電應(yīng)力過大的部分可能看起來正常工作。它甚至可能以稍微降級的方式運(yùn)行，但仍然通過了自動測試設(shè)備（ATE）的檢查，只是后來在現(xiàn)場失敗了。EOS和ESD故障是可以預(yù)防的，并且無疑是關(guān)鍵的質(zhì)量控制問題。
在制造中制造IC的地方最容易發(fā)生EOS和ESD損壞。圖1A顯示了PCB的示意圖。我們可能會認(rèn)為IC受串聯(lián)電容器保護(hù)。不是這種情況。造成損壞的第二個機(jī)會是客戶將IC安裝在PCB上以制造產(chǎn)品。仔細(xì)觀察圖1B，我們可以看到電容器具有50 V的工作電壓，但是兩個金屬端部連接之間的距離僅為0.28英寸（7毫米）。由于火花剛跳了0.4英寸（1厘米），因此電容器周圍的小間隙很容易受到損害。結(jié)果可能是IC付出了生命（圖1C）。最后，當(dāng)客戶在其環(huán)境中操作產(chǎn)品時，可能會發(fā)生EOS或ESD損壞。

當(dāng)然，存在很多造成巨大損失的機(jī)會。我們實(shí)際上可以看到IC內(nèi)部EOS和ESD破壞的結(jié)果。為此，必須除去包裝的環(huán)氧材料。這通常是在雙手套隔離箱中用熱酸完成的。這個過程非常危險。煙霧是致命的。一口氣會導(dǎo)致痛苦的死亡。在人的皮膚上滴一滴酸最多只會導(dǎo)致手或手臂的截肢，甚至?xí)?dǎo)致最嚴(yán)重的死亡。

顯微照片圖2A顯示沒有明顯的損壞。提供了標(biāo)有REF的鍵合線和焊盤，以便我們調(diào)整方向并比較照片。液晶材料被涂在模具上（粉紅色），類似于情緒環(huán)和兒童額頭溫度計(jì)中使用的液晶。隨著溫度的微小變化，顏色也會改變。給IC通電時，吸收過大電流的區(qū)域（這里用黃色框標(biāo)記）會加熱并變色。

編輯：hfy