litceysel.ru
добавить свой файл
1

Лекция №14

Защита от электростатиЧеского разрЯда

Возникновение электростатических разрядов и их действие на микросхемы

Электростатические заряды всегда присутствуют на изолированных предметах. Источником электростатических зарядов для микросхем является человек — оператор манипулирующий с ними. Исследование процессов, связанных с разрядами проводится на основе электрической модели человеческого тела: емкость тела — 100 пФ, сопротивление току разряда — 1.5 кОм. Из модели следует , что постоянная времени разряда не может быть меньше 150 нс. Энергия разряда распределяется между ограничивающим резистором и элементами ИМС. Чем больше падение напряжения на ИМС, тем большая энергия выделяется. Отказы ИМС от воздействия разрядов происходят при электрическом пробое диэлектриков и при вплавлении металлизации в полупроводниковые структуры. Во всех случаях дефекты имеют локальный характер и проявляются как электрическое замыкание между выводами транзисторов или диодов. Разряды через цепи питания ИМС редко приводят к отказам. Наиболее опасны разряды через входы и выходы ИМС.

При электрическом пробое полупроводниковых приборов области пробоя столь малы, что их максимальный разогрев происходит за время, меньшее времени разряда. Фактором, определяющим возникновение отказа, является напряжение на затворе ( для МОП транзисторов ) или тепловая мощность пробойного тока ( для биполярных транзисторов и полевых транзисторов с затвором Шотки ).

Испытания ИМС на устойчивость к электростатическому разряду, характеристика устойчивости


Для испытаний формируется выборка не менее 5 шт. Микросхем. Электростатические разряды подаются между выводами питания и выводами входов (выходов).

Упрощенная схема стенда показана на рис. 14.1.




Разряды подаются сериями по 30, положительной и отрицательной полярности. Если единичный разряд вызывает изменения в элементах ИМС, но не приводит к отказу, то серия из 30 разрядов “добивает” микросхему до окончательного отказа. Напряжение разряда повышается ступенчато в соответствии с ОСТ 11 073.013 — 83. После воздействия разрядами проводится контроль электрических параметров ИМС. Напряжение разряда повышается до появления первого отказа во всей выборке испытуемых ИМС. Напряжение ступени, предшествующей отказу считается Допустимым потенциалом электростатического разряда ( ДПЭСР ).

Элементы защиты от электростатического разряда


Защита ИМС от ЭСР осуществляется введением в схему дополнительных элементов, которые передают ток разряда в цепи питания и ограничивают его во входные и выходные каскады. Самый простой и распространенный элемент защиты показан на рис. 14.2. Схемы обладающие эффективными элементами защиты имеют величину ДПЭСР 2000 В и допускают свободную манипуляцию с ними. ИМС имеющие величину ДПЭСР менее 200 В считаются не надежными, могут отказать даже при использовании браслетов и используются только в редких случаях.





В быстродействующих ИМС, например ЭСЛ, реальное быстродействие ограничивается емкостями и индуктивностями входных цепей. Введение элементов защиты увеличивает входную и выходную емкости, что ограничивает и быстродействие ИМС. Проектирование элементов защиты проводится совместно с оптимизацией быстродействия входных и выходных каскадов ИМС.

Моделирование режима электростатического разряда


Моделирование разряда проведем на примере элемента защиты, показанного на рис. 14.2. Для этого нам потребуется модель защитного диода для больших токов и напряжений. ВАХ диода для больших токов показана на рис. 14.3. В системах моделирования электрических характеристик такой модели нет и мы используем составную модель, рис. 14.4, которая хорошо описывает ВАХ диода. Напряжение пробоя диода задается параметром ( UПР ) модели диода. Чтобы задать пробивное напряжение необходимо экспериментально исследовать аналогичные диодные структуры. Как правило, напряжения пробоя диодов имеют значительный разброс. Выбирается минимальное значение пробивного напряжения, так как расчет производится для необходимого случая.

Момент замыкания конденсатора на вывод ИМС является критическим, так как в этот момент через элементы схемы протекают наибольшие токи.

ID

+UПР

-UПР

ID

Рис. 14.3. ВАХ диода для режима больших

токов и напряжений.






При моделировании нам нет необходимости исследовать весь процесс разряда конденсатора через элементы схемы, а достаточно рассчитать только начальное состояние.

Постоянная времени перезаряда реактивных элементов во входных и выходных цепях ИМС во много раз меньше ( менее 1 нс ), чем время разряда конденсаторов ( более 150 нс ). Начальный ток разряда можно рассчитать и в статическом режиме.

В трактовой схеме для моделирования процесса разряда конденсатор заменяется источником напряжения , а внутренние логические блоки — резисторами.

Эквивалентная схема для моделирования режима ЭСР показана на рис. 14.5. и включает :

— ограничительный резистор 1.5 кОм;

— элементы защиты ИМС от электростатического разряда;

— ИМС ;

— резисторы между цепями питания, которые имитируют внутренние блоки ИМС ;

— цепи питания, одна из которых заземлена.

Моделирование режима ЭРС осуществляется при положительном и отрицательном напряжении пробойного участка. В элементы защиты во входные ( выходные ) каскады включены дополнительные диоды, моделирующие пробойные участки ВАХ.

Одновременно с расчетом режима ЭСР необходимо выполнить и расчет быстродействия входных и выходных каскадов с учетом реактивных параметров корпуса и элементов защиты. Методика расчета быстродействия рассмотрена в лекции, посвященной помехоустойчивости ИМС .






Процедура оптимизации элементов защиты ИМС от электростатического разряда


Путем увеличения размеров диодов величина ДПЭСР ( допустимого потенциала разряда ) может быть увеличена очень значительно ( более 2000 В ). Однако, не во все случаях это возможно сделать, так как вступают в силу ограничения на быстродействие ИМС или на площадь, занимаемую элементами защиты на кристалле. Очевидно, что площадь элементов защиты не должна превышать 2030 тыс.мкм2, что в 23 раза больше размеров контактной площадки. В противном случае большая часть кристалла ИМС будет занята элементами защиты. Для схем с низким быстродействием ( до 100 МГц ) ограничения на площадь элементов защиты проявляются раньше и анализ быстродействия можно не проводить.

Для высокочастотных схем ( как аналоговых так и цифровых при F  500 МГц ) раньше действует ограничение на входную ( выходную ) емкость. Большие многовыводные схемы, реализованные в больших корпусах, труднее защитить от электростатического разряда, так как ограничение на быстродействие ИМС проявляются не только от выходной емкости, но еще и от индуктивности выводов . Для конкретного типа корпуса можно построить зависимость от размеров диодов защиты, максимальной рабочей частоты от размеров диодов защиты и найти прямую зависимость величины от максимальной рабочей частоты. Пользуясь такими графиками, можно сделать оценки возможных величин ДПЭСР при заданной рабочей частоте ИМС.

Повышение величин ДПЭСР возможно по пути совершенствования технологии и схемотехники с целью уменьшения емкости элемента защиты при одновременном уменьшении его сопротивления на больших токах ( около 1 А ).

В любом случае следует стремиться к тому, чтобы величина ДПЭСР для всех входов и выходов была примерно одинаковой. Повышение ДПЭСР на отдельных выходах только ухудшает электрические параметры ИМС .