STMicroelectronics: электростатический разряд больше не проблема

30 августа

системы безопасноститерминалы продажпотребительская электроникаинтернет вещейSTMicroelectronicsстатьяинтегральные микросхемыдискретные полупроводникипассивные ЭК и электромеханикаESDзащитаTVS-сборкиTVS-диодыэлектростатика

Алексей Гребенников (г. Москва)

Защита от статического электричества необходима каждому современному устройству. Основным компонентом множества электронных плат является микроконтроллер, имеющий набор периферийных блоков, разъемы для подключения аудио, карт памяти, а также всевозможные кнопки управления, которые должны быть надежно защищены от статики. Компания STMicroelectronics представляет решения, соответствующие стандарту IEC61000-4-2, а специальное приложение PROTECTION FINDER поможет легкого и эффективно подобрать необходимые компоненты.

Современные электронные устройства, особенно микропроцессорная техника, как правило, работают от источников питания с напряжением порядка единиц вольт. Однако эти же устройства могут подвергаться кратковременным нагрузкам с напряжением, достигающим нескольких десятков киловольт — такие высокие напряжения образуются за счет электростатических разрядов. Поэтому для надежной отказоустойчивой работы электронные устройства должны быть спроектированы с использованием защиты от подобных разрядов. Компания STMicroelectronics представляет надежные методы защиты от электростатических разрядов. 

Источники возникновения и уровни защиты от статического электричества

Статическое электричество образуется за счет трения материалов и последующего их разъединения. Обмен электронами между материалами, называемый трибоэлектронным зарядом, приводит к образованию электростатического поля. Механизм образования этого поля показан на рисунке 1.

Рис. 1. Образование статического электричества

Рис. 1. Образование статического электричества

Статическое электричество регулярно генерируется за счет обычных повседневных действий, совершаемых каждым человеком ежедневно. Уровень напряжения зависит от влажности воздуха: чем выше влажность, тем ниже статическое напряжение. В таблице 1 приведены величины напряжений статического электричества при выполнении некоторых действий.

Таблица 1. Типовые величины статического напряжения

Способы генерации Относительная влажность, %
10…25 65…90
Ходьба по ковру, В 35000 1500
Ходьба по виниловой плитке, В 12000 250
Работа за столом, В 6000 100
Взятие полиэтиленового пакета со стола, В 20000 1200
Нахождение в кресле с уретановой пеной, В 18000 1500

Как видно из таблицы 1, простая прогулка по ковру может привести к образованию заряда статического электричества напряжением до 35 кВ!

Исследование влияния статического электричества на выход устройств из строя показало, что перенапряжение является причиной 20% неисправностей и 30% электрических поломок оборудования, составляя самый большой процент из всех причин выхода приборов из строя. На рисунке 2 показаны три основных механизма повреждения статическим электричеством.

Рис. 2. Механизмы повреждения электронного оборудования

Рис. 2. Механизмы повреждения электронного оборудования

При расплавлении кремния энергия электростатического разряда разрушает или повреждает полупроводниковый переход, приводя к короткому замыканию цепи

Отверстие в оксиде возникает из-за высокого уровня напряжения статического электричества, превышающего предел прочности диэлектрика. В этом случае может произойти пробой диэлектрика, что в свою очередь приведет к короткому замыканию. Чем тоньше слой диэлектрика, тем он чувствительней к статическому электричеству.

Высокий ток разряда статического электричества может привести к плавлению слоя металлизации, в результате чего образуется обрыв электрической цепи.

Возможна комбинация нескольких механизмов повреждения, например, пробой полупроводникового перехода может привести к расплавлению слоя металлизации за счет высокого тока разряда.

Все эти повреждения приводят к образованию обрывов электрических цепей или к их короткому замыканию, что полностью выводит устройство из строя. Однако статическое электричество также может стать причиной увеличения токов утечки или снижения проводимости без полной потери функционала прибора. Это так называемые скрытые дефекты, которые на практике очень сложно детектировать.

По мере развития микроэлектронных устройств их чувствительность к статическому электричеству возрастает, поскольку уменьшаются размер полупроводниковых переходов, толщина оксидов, сечение проводников. На рисунке 3 показана зависимость чувствительности к статическому электричеству от года производства.

Рис. 3. Чувствительность к статическому электричеству

Рис. 3. Чувствительность к статическому электричеству

Как видно из рисунка 3, в 1999 году запас прочности (разница между напряжением питания и напряжением выхода из строя) составлял 8 В, тогда как в 2019 году этот запас снизился до 2 В. Влияние статического электричества увеличивается и все более важное значение приобретают вопросы защиты от него.

Для обеспечения единого подхода в оценке и методах защиты от статического электричества был разработан набор отраслевых стандартов (рисунок 4).

Рис. 4. Стандарты защиты от статического электричества

Рис. 4. Стандарты защиты от статического электричества

Эти стандарты можно разделить на две большие группы:

  • для моделирования процессов во время производства (компонентный уровень);
  • для моделирования процессов во время эксплуатации оборудования (системный уровень).

Защита ESD при эксплуатации автомобильной техники выделена в отдельный стандарт – ISO10605.

На компонентном уровне модель человеческого тела (HBM, стандарт ANSI/ESDA/JEDEC JS-001) описывает форму волны ESD и тестовую методику, приблизительно соответствующую разряду статического электричества через палец человека. Эта модель широко используется во время производственных процессов для обеспечения отказоустойчивости интегральных цепей. Согласно этой модели, все вводы-выводы микросхемы должны быть защищены.

Человеческое тело – не единственный источник статического электричества. Машинная модель (MM) исследует возникновение статического заряда в оборудовании, используемом для производства. Этот заряд разряжается при соприкосновении с корпусом микросхемы. Модель описана в стандарте JEDEC: JESD22-A115-A.

Согласно модели заряженного устройства (CDM), также моделируются заряд и разряд, которые происходят в промышленном оборудовании. При этом моделируется событие статического разряда, из-за которого устройство приобретает заряд через какие-либо процессы трения или индукции и резко касается заземленного объекта или поверхности. Наиболее вероятные события в модели CDM происходят при контакте металла с металлом. Тестовые требования аналогичны спецификации JEDEC JESD22-C101C.

На системном уровне защищаются только выводы, контактирующие со внешней средой, такие как разъемы, кнопки, антенны и так далее. В этом случае методика тестирования описывается стандартом IEC 61000-4-2. Согласно этому стандарту, электростатический разряд может происходить при непосредственном контакте двух поверхностей или через воздух. Регламентируются различные величины напряжений, соответствующие разным уровням тестирования, как это показано в таблице 2.

Таблица 2. Уровни тестов IEC 61000-4-2

Уровень Напряжение тестирования, В
Контактный разряд Разряд через воздух
1 2 2
2 4 4
3 6 8
4 8 15

При контактном разряде вывод тестового генератора, вырабатывающего высокое напряжение, непосредственно касается корпуса тестируемого устройства. При разряде через воздух между контактом генератора и корпусом тестируемого устройства сохраняется некоторый зазор, через который происходит электрический разряд с образованием искры.

Результаты тестирования также делятся на четыре категории, как это показано в таблице 3.

Таблица 3. Результаты тестирования по стандарту IEC 61000-4-2

Состояние системы в результате воздействия нагрузки ESD
A Нормальная производительность
B Временная потеря работоспособности или снижение производительности, которые исчезает после снятия воздействия. Тестируемое устройство полностью восстанавливает функционал*.
C Временная потеря работоспособности или снижение производительности, коррекция которой требует вмешательства оператора**.
D Потеря работоспособности или снижение производительности, восстановление функционала невозможно.
* – Самостоятельное восстановление.
** – Требуется системный сброс.

Как видно из таблицы 3, при результате тестирования A и B вмешательство оператора не требуется. При результате C функционал устройства можно восстановить, но требуется системный сброс. При результате D происходит необратимое повреждение устройства.

Для разных типов электроники предъявляются различные требования стандарта IEC 61000-4-2. Наиболее распространенным уровнем защиты в бытовой электронике является уровень 4. Все устройства, производимые компанией STMicroelectronics, соответствуют или превосходят уровень 4.

Несмотря на некоторое сходство, стандарты HBM и IEC имеют различия, которые показаны на рисунке 5.

Рис. 5. Различие стандартов HBM и IEC

Рис. 5. Различие стандартов HBM и IEC

В стандарте IEC заряжается большая емкость, а разряд происходит через меньшее сопротивление, поэтому во время теста IEC устройству передается намного больше энергии, чем при тесте HBM.

Выбор защиты от статического электричества

При проектировании электростатической защиты устройства необходимо учитывать ряд ключевых параметров, показанных на рисунке 6.

Рис. 6. Ключевые параметры защиты от статического электричества

Рис. 6. Ключевые параметры защиты от статического электричества

Для обеспечения необходимого номинального напряжения нужна защита от переходных напряжений. Схемы работы устройства с защитой и без показаны на рисунке 7.

Рис. 7. Защита от переходных напряжений

Рис. 7. Защита от переходных напряжений

Допустим, электрический сигнал изменяется по закону, изображенному как синяя кривая на рисунке 7. Если в системе нет защиты, то такой сигнал приведет к выходу системы из строя, так как в некоторый промежуток времени входное напряжение превысит напряжение пробоя. Если же в системе есть защита (ограничивающий диод), то при достижении определенного уровня напряжения диод начинает проводить ток, что ограничивает дальнейшее повышение напряжения, как это видно на рисунке 7 (красная кривая). В моменты времени, когда входное напряжение превышает порог срабатывания диода, ток через диод возрастает (черная кривая на рисунке 7).

Следует отметить, что схема защиты, изображенная на рисунке 7, ограничивает положительное напряжение и полностью отфильтровывает отрицательное напряжение, то есть является однополярной. Для пропускания сигнала обеих полярностей необходимо использовать двуполярную схему защиты, в которой два диода включаются встречно. Двуполярная схема защиты обязательна для аудио- и радиочастотных сигналов.

Защита ESD должна защищать микросхемы, не нарушая нормального режима их работы. Например, паразитная емкость защиты ESD должна быть достаточно низкой, чтобы пропускать весь спектр полезного сигнала без искажений.

Удобным инструментом для анализа качества канала передачи данных является глазковая диаграмма. Она позволяет визуализировать процесс передачи последовательности бит данных и показать потенциальные проблемы канала. Для построения глазковой диаграммы развертка осциллографа по оси Х устанавливается равной скорости передачи данных, при этом происходит их непрерывный прием. Допустимая форма сигнала часто задается с помощью шаблона, как это показано на рисунке 8.

Рис. 8. Глазковая диаграмма с шаблоном

Рис. 8. Глазковая диаграмма с шаблоном

На рисунке 8 шаблон обозначен синим цветом. Если линии диаграммы выходят за границы шаблона, качество канала считается неприемлемым. Для высокоскоростных протоколов передачи данных, таких как HDMI, USB и прочие, как правило, задаются шаблоны для глазковой диаграммы, по которым и производится оценка качества канала.

Шаблоны также задаются в спецификациях ESD к высокоскоростным протоколам. На рисунке 9 показана глазковая диаграмма для USB 3.1 Gen2 на скорости 10 Гбит/с.

Рис. 9. Глазковая диаграмма для USB 3.1 Gen2

Рис. 9. Глазковая диаграмма для USB 3.1 Gen2

На рисунке 9а показана глазковая диаграмма для канала без защиты ESD, на 9б – для канала с защитой ESD. Как видим, защита ESD не внесла искажения в характеристики канала, форма глазковой диаграммы не изменилась.

Другим важным параметром для высокоскоростных линий является импеданс TDR. Величина этого импеданса указывается в спецификациях, предполагающих использование длинных кабелей, таких как HDMI. В стандартах USB такой импеданс не указывается.

Для измерения импеданса TDR в линию подается импульс со строго заданными характеристиками. Этот импульс отражается при несбалансированной нагрузке. Оба сигнала – прямой и отраженный – замеряются широкополосным осциллографом и с помощью дополнительных вычислений определяется величина TDR импеданса. В качестве примера на рисунке 10 показаны импедансы TDR для линий с ESD защитой и без нее для протокола HDMI 2.0b.

Рис. 10. TDR-импеданс линии HDMI 2.0b

Рис. 10. TDR-импеданс линии HDMI 2.0b

В спецификациях для аналоговых сигналов указывают параметр S21 в децибелах. Этот параметр характеризует ослабление сигнала за счет применения защиты ESD. На рисунке 11 показан пример использования диода ESDARF02-1BU2CK для защиты антенны.

Рис. 11. Влияние на радиочастотный сигнал, ослабление S21

Рис. 11. Влияние на радиочастотный сигнал, ослабление S21

Ослабление, вносимое этим диодом, пренебрежимо мало во всем диапазоне частот, используемом для беспроводной коммуникации.

Рассмотрим вопросы качества защиты ESD. Ключевым параметром здесь является отклик системы на электростатический разряд 8000 В. На рисунке 12 показан временной отклик для диода ESD051-1BF4.

Рис. 12. Временной отклик диода ESD051-1BF4

Рис. 12. Временной отклик диода ESD051-1BF4

На рисунке 12 хорошо видны две характерные величины. Первая – пик напряжения в начале отклика. Это низкоэнергетический пик, так как его длительность составляет всего несколько наносекунд. Амплитуда для ESD051-1BF4 равна 23 В. Далее следует высокоэнергетический импульс – 30 нс с напряжением фиксации порядка 11 В. Временной отклик на напряжение 8 кВ обычно публикуется в спецификациях на устройства, так как он соответствует уровню 4 стандарта IEC61000-4-2.

Для проведения ESD-анализа используется импульс линии передачи – TLP. Прямоугольный токовый импульс длительностью 100 нс прикладывается к устройству защиты. Затем измеряется остаточное напряжение на участке от 70% до 90% длительности импульса, как это показано на рисунке 13.

Рис. 13. ESD-анализ с помощью TLP-импульса

Рис. 13. ESD-анализ с помощью TLP-импульса

Для диода ESD051-1BF4 при токе импульса 16 А получаем напряжение TLP порядка 10,5 В, что примерно соответствует напряжению фиксации теста 8 кВ IEC 61000-4-2.

Если последовательно прикладывать импульсы с разным номиналом тока, можно получить зависимость напряжения от тока для TLP-импульсов, как это показано на рисунке 14, где изображена зависимость напряжения от тока для диода ESD051-1BF4.

Рис. 14. Зависимость напряжения от тока для TLP-импульсов

Рис. 14. Зависимость напряжения от тока для TLP-импульсов

При построении сложных систем возможно построение графиков, подобных рисунку 14, для нескольких компонентов. Например, на рисунке 15 показаны зависимости TLP-импульсов для защитного диода и микроконтроллера.

Рис. 15. Зависимости импульсов TLP для диода и микроконтроллера

Рис. 15. Зависимости импульсов TLP для диода и микроконтроллера

На рисунке 15 можно выделить три характерных значения напряжения для микроконтроллера:

  • рабочее напряжение 3,3 В;
  • максимальное входное напряжение 5,5 В;
  • напряжение разрушения микроконтроллера 12,5 В.

Из рисунка 15 видно, что ток, протекающий за счет события статического разряда, разделяется между внутренней защитой микроконтроллера и внешним защитным диодом, в данном случае ESD051-1BF4.

Вместо обычной защиты от ESD можно использовать специализированные устройства со скачкообразным переходом в состояние защиты (Snap-Back Protection), как это показано на рисунке 16.

Рис. 16. Использование устройств со скачкообразным переходом в состояние защиты (Snap-Back Protection)

Рис. 16. Использование устройств со скачкообразным переходом в состояние защиты (Snap-Back Protection)

Как показано на рисунке 16, напряжение удержания у устройства ESDZV5-1BF4 меньше чем напряжение включения. Поэтому при импульсе тока 16 А напряжение фиксации для диода ESDZV5-1BF4 будет примерно на 2 В ниже чем для стандартного диода ESD051-1BF4. Однако при использовании такой схемы необходимо, чтобы постоянное напряжение, присутствующее в линии, было меньше чем напряжение удержания устройства защиты. В противном случае будет наблюдаться постоянная утечка.

Особенности трассировки печатной платы при организации защиты от ESD

При проектировании печатной платы очень важно соблюдать правила защиты от ESD. На рисунке 17 представлена классическая схема защиты от статического электричества.

Рис. 17. Классическая защита от статического электричества

Рис. 17. Классическая защита от статического электричества

В этой схеме устройство защиты (диод) расположено между внешним разъемом и устройством, которое мы хотим защитить. Следует обратить внимание, что при возникновении события статического разряда важную роль начинает играть импеданс соединительных проводников печатной платы. Высокие токи и импеданс проводников могут привести к нежелательному перенапряжению на выводе защищаемого устройства. Индуктивность проводников варьируется, в зависимости от технологии изготовления печатной платы, но примерно можно принять, что индуктивность 1 мм проводника равна 1 нГн. Проблема индуктивности проводников особенно важна для участков, выделенных красным цветом на рисунке 17. Предположим, что индуктивность одного проводника равна 5 нГн. Эквивалентная схема с такими допущениями приведена на рисунке 18.

Рис. 18. Модель события электростатического разряда

Рис. 18. Модель события электростатического разряда

При возникновении события ESD предполагается, что диод ограничивает напряжение на входе защищаемого устройства до величины напряжения фиксации, обеспечивая таким образом защиту от перенапряжения. Однако для схемы, изображенной на рисунке 18, это не совсем верно, потому что при электростатическом разряде генерируется значительный ток, который также протекает по проводникам печатной платы. В результате этого на индуктивностях печатных проводников образуется падение напряжения, пропорциональное величине индуктивности и скорости изменения тока. В этом случае на входе защищаемого устройства будет напряжение, равное сумме падений напряжения на индуктивностях и на диоде. Если предположить, что индуктивность проводника равна 5 нГн, а скорость изменения тока составляет 37,5 А/нс, то суммарное падение напряжения может превышать сотни вольт. Такое напряжение вполне способно повредить микросхему.

Решение этой проблемы очень простое – необходимо контролировать форму проводников печатной платы. Пример формы проводников приведен на рисунке 19.

Рис. 19. Форма проводников для защиты от ESD

Рис. 19. Форма проводников для защиты от ESD

Длина проводников должна быть минимизирована, а форма должна быть похожей на представленную на рисунке 19. Необходимо также минимизировать длину заземляющего проводника, и что особенно важно – для минимизации паразитной индуктивности межслоевой переход должен располагаться по возможности ближе к устройству защиты и к выводу заземления защищаемого устройства.

Эквивалентная схема правильной защиты показана на рисунке 20.

Рис. 20. Эквивалентная схема правильной защиты от ESD

Рис. 20. Эквивалентная схема правильной защиты от ESD

В случае схемы, представленной на рисунке 20, напряжение на защищаемом устройстве не будет превышать напряжение фиксации диода. Также рекомендуется, чтобы устройство защиты располагалось как можно ближе к источнику возмущения, в данном случае – к разъему.

Примеры защиты от ESD

Основным компонентом множества электронных плат является микроконтроллер. У него, как правило, есть набор периферийных блоков, которые и являются связующим звеном со внешним миром. Например, широкую известность получили такие шины передачи данных, как USB, RS-232, Ethernet и их разъемы для подключения внешних устройств. Кроме этого, существуют разъемы для подключения аудио, карт памяти, а также всевозможные кнопки для выполнения определенных функций пользовательских программ. Все эти периферийные устройства должны иметь соответствующую защиту от статического электричества.

Рассмотрим несколько конкретных примеров. На рисунке 21 показана защита ESD для шины USB 2.0.

Рис. 21. Защита ESD для шины USB 2.0

Рис. 21. Защита ESD для шины USB 2.0

Схема подключения USB-кабеля должна иметь в своем составе такое устройство, которое бы надежно защищало микроконтроллер от статического электричества и в то же самое время обладало низкой емкостью для обеспечения совместимости с глазковой диаграммой протокола USB. Устройство USBLC6 отлично подходит для этих задач, обеспечивая глазковую диаграмму, совместимую со стандартом USB 2.0 и выдерживая разряд ±15 кВ, согласно стандарту IEC61000-4-2. Рекомендации по схеме и внешнему виду печатной платы для USBLC6 могут быть найдены в референсном дизайне для микроконтроллера STM32L4.

На рисунке 22 показана схема подключения для RS-232.

Рис. 22. Защита ESD для шины RS-232

Рис. 22. Защита ESD для шины RS-232

В этом примере, как и в примере для USB, нужно обеспечить две функции: защиту от статического электричества и удовлетворительные характеристики канала передачи данных. Для шины RS-232 используется защитное устройство ESDA14V2BP6, выполняющее обе функции. Рекомендации по схеме и внешнему виду печатной платы для ESDA14V2BP6 также могут быть найдены в референсном дизайне для микроконтроллера STM32L4.

На рисунке 23 показана схема подключения кнопок.

Рис. 23. Защита ESD для кнопок

Рис. 23. Защита ESD для кнопок

Кнопки подсоединены к портам ввода/вывода микроконтроллера, поэтому защита кнопок от статического электричества фактически является защитой портов микроконтроллера. Несмотря на то, что кнопки выполнены из непроводящего материала, они чувствительны к статическому электричеству. ESDA5V3L выполняет функции защиты портов микроконтроллера от статического электричества. Помимо этого, данная диодная сборка совмещает два диода в одном корпусе, позволяя таким образом уменьшить общий размер печатной платы, что также важно. Рекомендации по трассировке и схемотехнике для кнопок приведены в референсном дизайне для микроконтроллера STM32L4.

Рис. 24. Защита ESD для платы STM32MP1-DK2

Рис. 24. Защита ESD для платы STM32MP1-DK2

На рисунке 24 показана плата STM32MP1-DK2 и специально выделены все компоненты, отвечающие за защиту от статического электричества. Как видно из рисунка, все периферийные устройства микропроцессора, включая порты ввода/вывода и разъем для подключения SD-карты, надежно защищены от статического электричества. Все эти меры по защите позволяют получить устройство, соответствующее стандарту IEC61000-4-2 на системном уровне.

Для легкого и эффективного подбора компонентов, необходимых для защиты от статического электричества, компания STMicroelectronics разработала специальное приложение PROTECTION FINDER, доступное как для Android, так и для IOS (рисунок 25). Это приложение имеет удобный графический интерфейс и позволяет всего за четыре шага выбора из меню подобрать нужное устройство защиты для конкретного приложения.

Рис. 25. Реквизиты приложения ST PROTECTION FINDER

Рис. 25. Реквизиты приложения ST PROTECTION FINDER

Защита от статического электричества является необходимым элементом любого современного устройства. Для унификации требований по защите был разработан ряд стандартов, описывающих тесты для различных условий применения. Для соответствия данным стандартам необходимо использование специальных устройств и практик проектирования печатных плат. Все устройства производства STMicroelectronics проектируются с учетом самых жестких требований по защите от статического электричества. Кроме того, ряд дополнительных инструментов, таких как доступные примеры проектирования и специальные программные приложения, облегчают пользователям создание собственных устройств в соответствии со всеми необходимыми стандартами. Специалисты КОМПЭЛ всегда рады помочь сделать правильный выбор для конкретного приложения.

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
HSP051-4M10 (ST)
ESDA7P120-1U1M (ST)
HSP053-4M5 (ST)
ESDA6V1BC6 (ST)
ESDALC6V1-1U2 (ST)
USBLC6-2P6 (ST)
ECMF02-2AMX6 (ST)
ESDA25L (ST)
ECMF04-4HSWM10 (ST)
ESDALC6V1-5M6 (ST)
ESDA14V2BP6 (ST)
EMIF06-MSD02N16 (ST)
USBLC6-2SC6 (ST)
TCPP01-M12 (ST)
CLT03-2Q3 (ST)
SMAJ40CA (ST)
SMAJ40CA/TR13 (YAG)
SPT01-335DEE (ST)
ESDA5V3L (ST)
EMIF03-SIM02M8 (ST)
DSILC6-4P6 (ST)