Wat is ESD (elektrostatische ontlading)?
Verschijnsel waarbij statische elektriciteit van een opgeladen persoon of voorwerp in één keer ontlaadt. Op een IC-aansluiting kan dit het gateoxide en dergelijke vernielen, dus in- en uitgangen krijgen een beveiligingsschakeling.
Japanse benaming: ESD(静電気放電)
“ESD (elektrostatische ontlading)” komt voor in 13 oefenvragen uit 6 onderwerpen, bijv. Cleanroom en productieapparatuur, Betrouwbaarheid, Halfgeleiders voor auto's en functionele veiligheid.
Vakgebied: Betrouwbaarheid
Waarom IC's kwetsbaar zijn
Een persoon of voorwerp kan gemakkelijk worden opgeladen tot duizenden volts, terwijl een gatediëlektricum van enkele nanometers dik doorslaat bij ongeveer 10 MV/cm, slechts een paar volt voor een laag van 2 nm. Een elektrostatische ontlading in een pin kan gateoxides daardoor ogenblikkelijk doorslaan, en de piekstroom kan junctions of metaalbanen laten smelten. Niet elke ontlading vernielt een onderdeel direct: sommige laten latente schade achter, zoals een verhoogde lekstroom, die later in het veld tot uitval leidt. Fabrieken gebruiken daarom geaarde polsbanden, geleidende vloeren en werkoppervlakken, en ionisatoren.
Beveiliging op de chip
Elke I/O-pin heeft diodes naar de voedings- en aardrail, die geleiden wanneer de pin buiten de rails wordt gestuurd en de ontladingsstroom wegleiden van de interne schakelingen. Een power clamp tussen de rails, vaak een grote transistor die wordt getriggerd door de snelle flank van een ESD-gebeurtenis, maakt het stroompad compleet. De beveiliging moet triggeren boven de normale werkspanning, maar onder het niveau dat de te beschermen schakeling beschadigt. Beveiligingscomponenten voegen capaciteit toe, dus bij snelle I/O worden ze klein gehouden. Een 5 V-tolerante ingang heeft geen diode naar VDD, zodat een hogere ingangsspanning niet naar de voeding wegvloeit.
Testmodellen en ratings
Ratings van componenten beschrijven de hantering in ESD-beheerste fabrieken. Het human body model (HBM), een condensator van 100 pF die via 1,5 kΩ wordt ontladen, stelt een opgeladen persoon voor die een pin aanraakt; ongeveer 2 kV is een gangbaar doel. Het charged device model (CDM) stelt een opgeladen IC voor dat ontlaadt wanneer een pin metaal raakt, met gebeurtenissen van ongeveer een nanoseconde of korter, en is het belangrijkste aandachtspunt bij geautomatiseerde hantering. Een datasheetrating zoals HBM ±2 kV en CDM ±500 V dekt geen afgewerkte apparatuur, waar tests op systeemniveau zoals IEC 61000-4-2 contactontladingen van ±8 kV toepassen en TVS-diodes op de printplaat nodig zijn.
ESD versus latch-up
De twee worden vaak samen getest, zoals bij de automotive-kwalificatie AEC-Q100, maar het zijn verschillende faalmechanismen. ESD is een korte transiënt met veel energie die structuren direct beschadigt. Latch-up is een aanhoudende toestand met hoge stroom, waarin parasitaire pnp- en npn-transistors in CMOS een thyristor vormen en elkaar aanzetten, getriggerd door stroominjectie of overspanning op een pin. Eenmaal vergrendeld blijft de stroom vloeien tot de voeding wordt weggenomen, en kan de chip oververhit raken. Een hogere temperatuur verhoogt de parasitaire versterkingen en de wellweerstand, dus latch-uptests worden uitgevoerd bij de maximale werktemperatuur.
Veelgestelde vragen
Wat is het verschil tussen HBM- en CDM-ESD?
HBM modelleert een opgeladen persoon die via 1,5 kΩ vanuit 100 pF in een pin ontlaadt. CDM modelleert het IC zelf dat is opgeladen en zeer snel ontlaadt wanneer een pin metaal raakt, wat het belangrijkste risico is bij geautomatiseerde assemblage.
Is de HBM-rating van een IC voldoende voor ESD-tests op systeemniveau?
Nee. HBM- en CDM-ratings dekken de hantering in de fabriek, terwijl tests op systeemniveau zoals IEC 61000-4-2 veel meer energie leveren. Pinnen die aan de buitenwereld zijn blootgesteld, hebben normaal externe beveiliging nodig, zoals TVS-diodes.
Wat is het verschil tussen ESD en latch-up?
ESD is een korte statische ontlading die oxides of junctions direct vernielt. Latch-up is een parasitaire thyristor in CMOS die aangaat en een grote stroom vasthoudt tot de voeding uit en weer aan wordt gezet.