łładunkii ssttattyyczzne w nattarrciiu.pdf

Podstawy

HBM, MM, CDM, czyli

ładunki statyczne w natarciu

Układy elektroniczne, a zwłaszcza mikrosko−

pijnej wielkości struktury układów scalonych

łatwo mogą zostać uszkodzone przez duże na−

pięcia i prądy, występujące podczas rozłado−

wania ładunków elektrostatycznych (ESD −

electrostatic discharge). Ładunki statyczne

powstają wskutek tak zwanego efektu trybo−

elektrycznego. Przykładowo, chodząc po dy−

wanie lub wykładzinie ze sztucznego włókna,

czy nawet posługując się najzwyklejszymi to−

rebkami z polietylenu możemy naładować

swoje ciało czy dotykane przedmioty do wy−

sokiego napięcia rzędu kilkuset woltów lub

nawet kilkunastu tysięcy woltów. Z punktu

widzenia elektryczności chodzi tu o nałado−

wanie pojemności i zgromadzenie w niej

energii. Choć wchodzące tu w grę pojemności

są stosunkowo małe, ze względu na duże na−

pięcie, zmagazynowana ilość energii jest

znaczna. Energia ta może bardzo łatwo do−

prowadzić do nienaprawialnego uszkodzenia

struktury półprzewodnika. Potężny impuls

prądu rozładowania może po prostu stopić

połączenie, natomiast wysokie napięcie może

nieodwracalnie przebić złącze lub dielektryk.

Większości elektroników problem ładun−

ków statycznych kojarzy się z uszkodzeniami

układów CMOS i małych tranzystorów MO−

SFET. Problem dotyczy także całych modu−

łów, na przykład kart i pamięci komputero−

wych. Mniej brana pod uwagę jest możliwość

stopniowej degradacji parametrów, prowadzą−

ca w końcu do uszkodzenia, dotycząca wszel−

kich delikatnych układów analogowych,

w tym także bipolarnych. Nieprzypadkowo

producenci układów analogowych, na przy−

kład wzmacniaczy operacyjnych, umieszczają

na opakowaniach i w specyfikacjach stosowne

ostrzeżenia oraz zalecenia przechowywania

i montażu, dotyczące układów bipolarnych.

Konstruktorzy współczesnych układów

scalonych włożyli wiele trudu, by zmniej−

szyć ich podatność na uszkodzenie. Na przy−

kład we wszystkich układach CMOS na wej−

ściach są umieszczone obwody zabezpiecza−

jące. Jednak umieszczenie skutecznych ob−

wodów ochronnych na wejściach układów

analogowych, na przykład ultraprecyzyjnych

wzmacniaczy operacyjnych mijałoby się

z celem, ponieważ każdy taki obwód pogar−

sza w jakiś sposób właściwości układu. Ale

nawet układy scalone z zabezpieczeniami nie

są całkowicie bezpieczne. W wyjątkowo nie−

sprzyjających warunkach rozładowanie ła−

dunków statycznych może uszkodzić niemal

każdy układ scalony, który przecież zawiera

delikatne struktury mikroskopijnej wielkości.

Choć dla wielu elektroników temat wyda−

je się bardzo tajemniczy, ogólna zasada jest

oczywista: naładowana do wysokiego napię−

cia pojemność rozładowuje się po zaistnieniu

sprzyjających okoliczności przez końcówkę

układu scalonego. Prąd zawsze płynie w za−

mkniętym obwodzie. Ilustruje to w upro−

szczeniu rysunek 1 .

W praktyce jest wiele

różnych możliwości

i trudno byłoby je wszyst−

kie wymienić. Jedną

z częściej występujących

sytuacji jest rozładowa−

nie pojemności ciała

ludzkiego przez końców−

kę układu scalonego. Generalnie nie chodzi

o sam moment dotknięcia do końcówki, tylko

o powstanie sytuacji umożliwiającej przepływ

prądu w zamkniętym obwodzie przez strukturę

i przez ewentualne obwody zabezpieczające.

Na przykład po dotknięciu palcami przez

osobę „naładowaną” (względem ziemi) kilku

wyprowadzeń układu scalonego zwykle nie

dzieje się jeszcze nic strasznego. Maleńka

pojemność tych końcówek i całego układu

scalonego szybko ładuje się do napięcia, do

którego naładowana jest osoba. Problem po−

jawia się w chwilę później, przy wkładaniu

kostki do podstawki. Przypuśćmy, że naj−

pierw kontakt z podstawką mają końcówki,

które nie są dotknięte palcami. I właśnie

w tym krótkim ułamku sekundy może popły−

nąć duży prąd rozładowania pojemności cia−

ła przez palce, dotknięte końcówki i dalej

przez wewnętrzne struktury układu, do in−

nych końcówek, do podstawki i do masy.

Oczywiście w praktyce zazwyczaj sytua−

cja nie jest aż tak jasna, obwód „masy” nie

jest jednoznacznie określony (zwykle chodzi

o uziemienie), niemniej prąd zawsze płynie

w zamkniętym obwodzie, być może przez ja−

kieś dodatkowe pojemności. Generalnie moż−

na tu mówić najpierw o ładowaniu pojemno−

ści, a potem o jej rozładowaniu przez element.

Prąd przepływa pomiędzy końcówkami ele−

mentu półprzewodnikowego przez strukturę.

Ten sam prąd rozładowania płynie też przez

inne obwody, np. rezystancję ciała itp. Na do−

kładniejszym schemacie zastępczym należa−

łoby więc uwzględnić występujące dodatko−

we rezystancje i indukcyjności. Ilustruje to

rysunek 2 − w pozycji A przełącznika S po−

jemność C jest ładowana do wysokiego na−

pięcia. Potem, po przełączeniu S do pozycji

B, pojemność rozładowuje się przez rezystan−

cję R, indukcyjność L i przez strukturę pół−

przewodnikową narażanego elementu.

Rys. 1

Rys. 2

Aby w powtarzalny sposób określić od−

porność układów na uszkodzenia, wprowa−

dzono standardowe sposoby i warunki pomia−

ru właśnie według rysunku 2 . Już w późnych

latach 60. na potrzeby armii amerykańskiej

wprowadzono tzw. Human Body Model, czy−

li model ludzkiego ciała. Kondensator o po−

jemności 100pF jest ładowany do wysokiego

napięcia (zwykle 400V ... 2kV) i potem rozła−

dowywany przez rezystor i badany element.

Schemat HBM z wartościami według amery−

kańskiej normy (MIL−STD−883) pokazany

jest na rysunku 3a , a kształt wyjściowego

impulsu prądowego na rysunku 3b . W zależ−

ności od napięcia, przy którym badany ele−

ment nie ulega uszkodzeniu, określa się klasy

Kwiecień 2002

Elektronika dla Wszystkich

Podstawy

i oznaczenia, ewentualnie podaje się napięcie

próby, w zakresie kilkuset woltów do kilku

kilowoltów. Tylko zupełnie niezorientowani,

natrafiwszy w katalogu na wzmiankę typu:

ESD − 2kV sądzą, że element wytrzyma bez

uszkodzenia dowolny impuls o napięciu 2kV.

Tymczasem dotyczy to zwykle sytuacji z ry−

sunku 3a, gdzie prąd jest relatywnie mały.

Trzeba wiedzieć, że model HBM odwzoro−

wuje przeciętne, inaczej średnie warunki spo−

tykane w praktyce. Dość duża rezystancja

ograniczająca prąd, brak indukcyjności, stwa−

rzają stosunkowo łagodne warunki testu, co

słabo odzwierciedla sytuacje skrajne wystę−

pujące w rzeczywistych warunkach. Aby

sprawdzać odporność dla takich skrajnych

przypadków wprowadzono w 1976 nowy

model, nazwany MM (machine model). Ma

on związek z sytuacjami występującymi pod−

czas automatycznych testów układów scalo−

nych za pomocą maszyn−automatów, ale

odzwierciedla też skrajne przypadki związa−

ne z dotknięciem przez człowieka. W mode−

lu MM rezystancję ograniczającą prąd

zmniejszono do zera, a za to wprowadzono

indukcyjność, przez co impuls prądowy ma

charakter tłumionych oscylacji sinusoidal−

nych. Schemat MM i kształt impulsu testo−

wego są pokazane na rysunku 4 . Jak widać,

testy z pomocą modelu MM stawiają badane−

mu elementowi dużo wyższe wymagania, niż

przy modelu HBM.

wanego” człowieka, w krótkim ułamku se−

kundy popłynie prąd i zostanie naładowana

maleńka pojemność Cs (zamiast źródła na−

pięcia HV można byłoby też narysować po−

jemność ciała ludzkiego, która jest znacznie

większa niż pojemność elementu Cs).

Ponieważ uszkodzeń wynikających

z ESD nie można naprawić ani skompenso−

wać, jedynym ratunkiem jest ZAPOBIEGA−

NIE. Praktyka pokazuje, że uszkodzenia

związane z ESD nie są częste, co po części

wynika z zastosowania obwodów ochron−

nych, a po części z przypadkowo sprzyjają−

cych warunków przechowywania i montażu.

Ośmiela to amatorów do zupełnego lekcewa−

żenia niebezpieczeństwa. O ile zdarzające się

sporadycznie przypadki uszkodzenia ukła−

dów logicznych CMOS (raz na kilkadziesiąt

kostek) można pominąć choćby ze względu

na cenę traconych układów, o tyle nie należy

lekceważyć szkodliwego wpływu ESD na

precyzyjne układy analogowe. Kolejne rozła−

dowania nie uszkodzą układu całkowicie,

tylko na przykład zwiększą prądy upływu

czy obniżą precyzję poniżej granicy podanej

w katalogu. Powinni o tym pamiętać zwła−

szcza konstruktorzy, bowiem o takie trudne

do uchwycenia przypadki najłatwiej właśnie

podczas eksperymentów i budowania proto−

typów.

Rys. 4

Rys. 5

Uwzględniając takie zagrożenie, związa−

ne z ładowaniem pojemności elementu

względem ziemi, opracowano kolejny model,

zwany CDM (charged device model). Rysu−

nek 6 ilustruje sposób przeprowadzania po−

miarów i uzyskiwany impuls prądu.

Należy mieć świadomość, że omówione

modele i prowadzone przy ich pomocy ściśle

określone normami testy stosowane są głów−

nie względem elementów o specjalnym prze−

znaczeniu (wojskowe, lotnicze, kosmiczne,

ewentualnie medyczne). Elementom po−

wszechnego użytku poświęca się znacznie

mniej uwagi. Często w podstawowych kata−

logach nie ma żadnej informacji dotyczącej

ESD, ewentualnie występuje tylko krótka

wzmianka lub zalecenie ostrożności.

Warto jeszcze zwrócić uwagę, jakie para−

metry mają impulsy testowe oraz te występu−

jące w realnych warunkach. I właśnie takie

króciutkie impulsy potrafią w ułamku sekun−

dy zniszczyć kosztowny układ scalony. Przy−

kładowo w metodzie HBM ze względu na

dużą wartość rezystancji impuls prądu jest

stosunkowo niewielki, zwykle nie przekracza

1A, a czas trwania jest rzędu dziesiątych czę−

ści mikrosekundy. Przy modelu MM nawet

przy napięciu 400V szczytowy prąd przekra−

cza 5A, czas narastania pierwszego impulsu

prądowego wynosi typowo 14ns, a gasnące

drgania mają częstotliwość 10...15MHz. Przy

metodzie CDM (400V) impuls prądu ma na−

wet ponad 2 ampery, a jego czas trwania wy−

nosi tylko około 2 nanosekund.

Rys. 6

Rys. 3

W pewnym uproszczeniu można powie−

dzieć, że modele HBM i MM dotyczą spraw−

dzania odporności układu scalonego na

uszkodzenie na drodze między końcówkami

wejściowymi, a masą. Niewiele mają nato−

miast wspólnego z samym dotknięciem przez

człowieka do końcówek. Tymczasem nie tyl−

ko amatorzy intuicyjnie czują, że już samo

dotknięcie końcówek, bez żadnego połącze−

nia z masą, niesie pewne zagrożenie. W ta−

kim intuicyjnym podejściu jest sporo praw−

dy. W tym wypadku jednak nie chodzi

o przepływ prądu przez struktury scalone,

tylko przepływ prądu związany z ładowa−

niem się pojemności struktury scalonej. Cho−

dzi o pojemność struktury względem masy

(ziemi), która nie jest stała i wynosi zwykle

1...20pF. Rysunek 5 ilustruje ładowanie tej

pojemności, oznaczonej Cs. W chwili do−

tknięcia dowolnej końcówki przez „nałado−

Aby radykalnie zmniejszyć prawdopodo−

bieństwo uszkodzenia podczas pracy warto:

− uziemić grot lutownicy,

− pracować na metalowym, uziemionym bla−

cie stołu

− przechowywać delikatne układy w antysta−

tycznych szynach, torebkach lub wetknięte

w czarną gąbkę

− nie nosić ubrań z tworzyw sztucznych (np.

z polaru)

Przy pracy z najdelikatniejszymi i ko−

sztownymi układami analogowymi i cyfro−

wymi warto też uziemić nie tylko lutownicę,

masy i obudowy przyrządów pomiarowych,

ale i własne ciało oraz zwiększyć wilgotność

powietrza, np. z rozpylając w pomieszczeniu

trochę wody.

Piotr Górecki

Elektronika dla Wszystkich

Kwiecień 2002

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: