集成電路電磁兼容性及應(yīng)對措施相關(guān)分析(三)集成電路ESD 測試與分析

測量對于確定 IC 的 EMC 特性是必要的。只有準(zhǔn)確了解 IC 的 EMC 特性，才能在生產(chǎn)前采取有效的預(yù)防措施，提高產(chǎn)品的抗 ESD 能力和 EMC 性能，避免后期因 ESD 干擾導(dǎo)致的產(chǎn)品故障和成本增加等問題

集成電路ESD 測試與分析

1、測試環(huán)境與電場產(chǎn)生

測試環(huán)境，集成電路(IC)被放置在一個(gè)由接地平面、隔離墊圈環(huán)和場源形成的屏蔽空間內(nèi)。接地平面：可起到接地保護(hù)和屏蔽電磁干擾的作用;隔離墊圈：用于確定場源與IC之間的距離;場源：則是產(chǎn)生電場的關(guān)鍵部件;通過隔離墊圈，場源被設(shè)置在集成電路上方特定高度處。場源包含一個(gè)電極，測試電壓脈沖會被施加到該電極上，電極進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)確定的電場，集成電路就處于這個(gè)電場之中。這種設(shè)置能夠?yàn)榧呻娐诽峁┮粋€(gè)可控制且相對穩(wěn)定的電場環(huán)境，以便進(jìn)行相關(guān)測試.

場源可以產(chǎn)生多種在實(shí)際中可能出現(xiàn)的測試脈沖。例如，在實(shí)際使用中，脈沖的上升時(shí)間可能會出現(xiàn) 200 皮秒、1 納秒和 5 納秒等不同情況，這使得測試能夠更貼近真實(shí)的工作場景，更準(zhǔn)確地評估集成電路在各種實(shí)際電場條件下的性能。

測試過程中，電極電壓會逐漸增加，直至達(dá)到集成電路的抗擾度水平。通過這種方式，可以確定集成電路在不同電場強(qiáng)度下的耐受能力，為評估其可靠性和穩(wěn)定性提供重要依據(jù)。

2、靜電放電事件中的磁場影響

在靜電放電(ESD)事件期間，結(jié)構(gòu)部件可能會產(chǎn)生額外的磁場. 例如，當(dāng)ESD發(fā)生時(shí)，放電電流會在結(jié)構(gòu)部件周圍形成磁場，這些磁場可能會與集成電路(IC)相互作用，從而干擾IC的正常運(yùn)行。

利用相同的測量設(shè)置和一個(gè)磁場源確定IC的磁場抗擾度水平，這種方法能夠在相對統(tǒng)一的條件下，對 IC 抵抗磁場干擾的能力進(jìn)行量化評估，以便更好地了解 IC 在不同磁場強(qiáng)度和頻率下的性能表現(xiàn)。

故障模式分析：在進(jìn)行上述測量時(shí)，需要對集成電路的故障模式進(jìn)行分析。在不同測試條件下出現(xiàn)的故障情況，如邏輯錯(cuò)誤、輸出異常、死機(jī)等，可以深入了解其在電場和磁場干擾下的薄弱環(huán)節(jié)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)和提高可靠性提供有價(jià)值的信息。

下表列出了針對一個(gè)微控制器的靜電放電抗擾度測量結(jié)果，通常情況下，干擾脈沖上升時(shí)間越短，其頻譜越寬，對 IC 的干擾能力可能越強(qiáng)。表 1 中的數(shù)據(jù)可以幫助工程師更直觀地了解微控制器在不同 ESD 脈沖上升時(shí)間下的抗擾度性能，進(jìn)而為系統(tǒng)級的 ESD 防護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

測量裝置確定 EMC 參數(shù)，這些參數(shù)對于評估 IC 在電磁環(huán)境中的性能和兼容性至關(guān)重要，包括抗擾度、發(fā)射水平等指標(biāo)。

3、關(guān)于集成電路受外部電磁場干擾的問題

如果電場或磁場從外部干擾集成電路，改變布局作為對策是不合適的。在這種情況下，唯一有用的補(bǔ)救措施是改變機(jī)械設(shè)計(jì)。

屏蔽作用：通過改變機(jī)械設(shè)計(jì)，可以為 IC 增加有效的電磁屏蔽措施。例如，使用金屬外殼或屏蔽罩將 IC 包裹起來，這樣可以阻擋外部電磁場的進(jìn)入，從而保護(hù) IC 免受干擾。

距離和方向調(diào)整：合理地調(diào)整 IC 與外部電磁場源之間的距離和相對方向，也屬于機(jī)械設(shè)計(jì)的范疇。增加距離可以降低電磁場的強(qiáng)度，而改變相對方向則可能使 IC 處于電磁場較弱的區(qū)域。如大型變壓器周圍的電磁場分布不均勻，通過調(diào)整 IC 的位置和方向，使其遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場區(qū)域或與磁場方向平行，可以減少磁場對其的影響。

4、針對散熱器強(qiáng)電場的具體應(yīng)對措施

對于上圖中的具體示例，可以采取以下對策，其中 IC 上方的散熱器會產(chǎn)生強(qiáng)電場：

1、增加電子模塊和散熱器之間的接觸彈簧數(shù)量，可以改善兩者之間的熱傳導(dǎo)。

2、在集成電路(IC)上方布置局部屏蔽罩，如圖所示。這主要是為了減少外部電磁場對 IC 的干擾，保護(hù)其內(nèi)部的敏感信號和電路。如果可能的話，用屏蔽罩將模塊全方位封閉起來，并可能配備穿心濾波器。這樣做可以提供更全面的電磁屏蔽效果，防止外部電磁場進(jìn)入模塊內(nèi)部，同時(shí)也能阻止模塊內(nèi)部產(chǎn)生的電磁輻射泄漏到外部。

3、將 IC 移動到無電磁場的一側(cè)，但這樣做會導(dǎo)致冷卻無法進(jìn)行。這是一種在電磁兼容性和散熱之間進(jìn)行權(quán)衡的措施。當(dāng) IC 受到電磁場干擾問題較為嚴(yán)重，且其他電磁屏蔽措施難以實(shí)施或效果不佳時(shí)，可以考慮將其移動到遠(yuǎn)離電磁場源的位置。需要注意的是，該位置可能不利于散熱，因此需要綜合考慮 IC 的工作溫度范圍、散熱要求以及電磁環(huán)境等因素。

4、增加 IC 和散熱器之間的間隙：這樣做可能會對散熱產(chǎn)生一定的影響，但在某些情況下，如需要避免兩者之間的電氣耦合或機(jī)械干涉時(shí)，是一種可行的方法。然而，這可能會導(dǎo)致散熱效率下降，因此需要根據(jù)具體情況進(jìn)行評估和優(yōu)化，例如通過增加其他散熱措施來彌補(bǔ)間隙增大帶來的散熱損失。

綜上，可以說，就開發(fā)抗干擾組件的時(shí)間和成本節(jié)約而言，提前了解微控制器的 ESD 參數(shù)是非常有益的。這意味著必須測量微控制器的 ESD 參數(shù)。該信息將允許在組件開發(fā)期間盡早規(guī)劃必要的對策，以確保整個(gè)組件具有抗干擾性。