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ESD防护硬件设计

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发表于 2017-12-10 07:33:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言

现在半导体器件的规模越来越大,制作工艺尺寸越来越小,工作电压越来越低,导致了半导体器件对外界电磁干扰敏感程度也大大提高。ESD对于电路引起的干扰、对元器件、CMOS电路及接口电路造成的破坏等问题越来越引起人们的重视。ESD防护设计主要包括软件防护设计和硬件防护设计。通过优化软件代码,一些非永久性损坏的故障(如软件的死锁)一般就可以规避。但软件不能有效防止系统器件的损坏。本文主要介绍在硬件层面的ESD防护设计,主要包括结构设计、PCB走线设计、防护器件设计。

静电的影响

在ESD产生时,线路中会存在过电压、过电流以及电磁场。过电流会直接冲击损伤线路器件,由ESD产生的电磁场耦合到周围电路中,对电路正常工作产生干扰。

调查表明,由于ESD造成的IC失效占总失效一半左右,ESD主要有两种失效模式:

1.永久失效:产生的过压过流对器件造成的永久性损坏。半导体ESD损伤永久失效主要有:

●介质击穿

●铝互连线损伤与烧熔

●硅片局部区域熔化

●PN结损伤与热破坏短路

●扩散电阻与多晶电阻击穿损伤

●ESD触发CMOS集成电路内部寄生的可控硅闩锁效应,导致器件被大电流烧毁

2.潜在失效:ESD不足以引发器件永久失效,在器件内部造成轻微损坏,这类损伤同时又是累积性的,逐渐降低器件抗ESD能力,主要有:

●栅极氧化层损伤:放电丝状硅铝合金(尚无法跨接氧化层),再次放电可能击穿受损氧化层

●栅极氧化物愈合/短路:放电使合金烧毁,氧化层“愈合”,但抗ESD能力降低

●保护回路受损:ESD破坏保护回路,起保护作用的二极管损坏

●电荷陷阱:高压脉冲破坏电荷平衡

●PN结衰减:静电放电可能熔断丝状硅铝合金

硬件防护设计-结构设计

当静电脉冲出现,危害系统时,可以理解成台风暴风雨过境,待在家里的人应该如何面对?有过经验的人一般知道,灾前紧急应对无非就是两种方式,堵住门窗和暴雨可能灌进的薄弱区域,以及疏通房屋的排水系统。因此ESD防护从结构上来说,也就是这样两种方式。

1.“堵”:通过尽可能的结构的改进,较少静电进入的可能,增加外壳到内部电路之间气隙的距离。以8KV的ESD为例,在4mm的距离后,能量近乎衰减为0。

2.“疏”:给机壳做金属屏蔽层,静电引导至机壳,再连接主板的地线,把静电导走。

ESD在结构设计上的原则:加强机壳密封,衰减进入到主板的静电能量;对于导入到主板上的ESD,通过地线将其导走。

硬件防护设计-PCB走线设计

除了优化结构外,主板上的PCB设计对ESD防护也有很大影响,就走线来说,主要为ESD放电产生的电场合磁场所带来的影响。

主要有以下五点:

1.减小闭合回路面积。根据麦克斯韦电磁场理论,在其他影响不变的前提下,回路包围的面积越小,产生的感生电动势。具体主要的方式有:

●将地线或者信号线和电源线尽量靠近,减小电源和地之间的回路面积

●并联的导线尽量靠近,或直接使用一根粗导线

2.减少走线长度。天线的辐射和接收和天线的长度直接相关,长导线更容易接收静电放电产生的各种频率成分,所以我们尽量减少导线长度,接收的辐射能量就少。具体的方式有:

●在不影响主板设计前提下,将所有元件尽可能靠近,特别是器件之间有很多互连线的器件。

●避免从线路板的四周边缘馈送信号或电源

3.完整地平面的使用。地平面的大面积和低阻抗,在静电放电时,电流不传导或耦合到信号线上,而是走到地平面。

4.加强电源与地线耦合。电荷量的差异造成电压差,这取决于两物体之间的电容,具体的做法有:

●减小电源平面和地平面距离,产生更多寄生电容

●电源和地平面之间加入旁路电容

5.做好ESD放电源和元器件,走线的隔离,尽量将主板与最可能发现ESD放电的电荷源隔离,具体的做法有:

●容易产生ESD的区域,如接口,sim卡槽等人手经常接触到的区域,减少器件和走线

●减少静电发生源附件区域的金属件布局,如螺钉,金属外壳等

硬件防护设计-防护器件设计

结构优化和PCB走线的设计只能减少ESD的危害,最终ESD还是不可避免的会进入到线路,产生损害,尤其是通过以下一些端口:USB接口、HDMI接口、 IEEE1394接口、天线接口、VGA接口、DVI接口、按键电路、SIM卡、耳机及其他各类数据传输接口,这些端口很可能将人体的静电引入内部电路中。所以,需要在这些端口中使用ESD防护器件,对于硬件工程师来说,主要的方式有两种:芯片内部集成ESD防护器件,以及在板子上使用一些ESD防护器件,目前主要的ESD防护器件主要有压敏电阻、TVS管以及超高速传输上的玻璃陶瓷体静电抑制器GESD。三者主要的对比如图1:

esd-1.png
图1.主要ESD防护器件对比

在选型应用时要注意,ESD发生时,TVS管两端经受瞬间的高能量冲击时,它能以纳秒级时间使其PN结阻抗骤然降低,将其两端间的电压箝位在一个预定的数值上,从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。由于TVS管内部仅是雪崩PN结结构,在导通时TVS两端呈现导体低阻值特性,从而限制电压较压敏电阻更低,在TVS上支路上的通流更大,该特性适合应用于耐ESD电压特别差(IC、时钟线等)或者被保护部位阻抗特别小的部位(如听筒、MIC、音频等)。但TVS无法吸收瞬间脉冲能量,只能将能量单方向传导至线路的公用地线上,有可能对连接到该公共地的其他ESD敏感器件造成二次破坏。

压敏电阻内部微观结构是无数个PN结和晶粒的串并联结合体,可以吸收和传导能量,当线路中产生任何过电压时,压敏电阻器迅速从兆欧级绝缘电阻变为欧姆级的电阻,将过电压抑制到较低的水平并吸收部分能量,因此压敏电阻的吸收能量的能力比TVS管要强,并且能防止ESD造成的瞬态EMI和二次破坏。压敏电阻的特性特别适合于电源部位和较大瞬态能量的部位过压防护。

但随着技术发展,目前的传输速率不断提升,在超高速接口或者4G的环境下,传统的TVS或者压敏已经无法满足特定需求。具有超低电容值的玻璃陶瓷GESD可以满足这样的ESD防护需求。GESD封装材料采用低介电常数、低损耗材料和功能材料及其结构,致使其电容量最大不超过0.1pf,可以用于高速接口,射频信号线ESD防护,可达到7GHz@-0.3dB,且产品体积可做到0603尺寸。因此,GESD产品特别使用与超高速接口(如USB3.0/HDMI2.0)、手机天线、集成模块等领域。

顺络电子ESD防护器件

(1)片式氧化锌压敏电阻-SDV系列

esd-2.png

(2)玻璃陶瓷静电抑制器-GESD系列

esd-3.png

备注:GESD系列详细信息可查看2016年6月7日发布的微信文章:高速线路安全警卫-GESD器件。

选型推荐:

esd-4.png

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