半导体芯片的缩小意味着0.7ns的上升速度现在太慢了
现实世界中的静电放电覆盖范围非常广:从相对缓慢的高压事件(例如,> 1kV峰值)到极快的低压事件(例如,< 1kV峰值)。图中显示的是两个硬币之间的微间隙放电所辐射的瞬态场-稍后会详细介绍。
在20世纪80年代,相当于当前的IEC 61000-4-2 ESD测试使用了5ns的上升时间,因为更快的上升时间并不需要复制当时ic所遭受的真实ESD问题。当IEC 61000-4-2在20世纪90年代首次发布时,这一数字减少到0.7到1ns之间,因为当时半导体芯片收缩使ic容易受到更短的上升时间的影响。
半导体die-shrinking在电子工业中,每18个月到两年就是一个事实,而由此产生的更小的晶体管运行得更快,因此会被更短的瞬态上升时间所扰乱。它们越来越薄的绝缘层可能会被越来越低的峰值瞬态电压损坏。它们的内部I/O保护二极管可能更小,因此效率更低,甚至可能被忽略,因为它们取代了数亿个晶体管!
半导体芯片不断缩小的结果是ESD保护总是越来越困难。因为模缩会影响所有不只是新型集成电路,即使设计没有改变,连续生产的产品也可能在其运行环境中开始遭受与静电相关的故障。他们每隔2年左右就会变得更容易受到现实生活中的ESD的影响,我知道一些制造商仅这一事实就导致了巨大的保修成本。
早在2004年,ESD测试标准IEC 61000-4-2就受到了批评[1]如下:
“我们认为,应修订ESD标准,使ESD发生器的性能在所有参数上尽可能与参考事件相似。但制造商和用户需要意识到,该标准并不能涵盖所有可能的ESD事件。例如,医疗设备可能需要使用更短的上升时间进行测试,以覆盖更大部分的实际ESD,而不包括家具ESD或其他ESD类型。
该标准需要被理解为最低要求,通过该标准并不能防止与ESD相关的现场故障。”
同样是在2004年,费舍尔定制通信公司销售了一种名为PEG-1的ESD场模拟器,在其广告传单中有这些话:
“PEG-1模拟了当前标准未涵盖的环境中的ESD形式。这些类型的ESD事件产生的电磁场已被证明会在电子设备中引起问题。这些“不寻常形式的ESD”的特征包括快速上升时间和几秒钟内的多个事件。例子包括内部椅子放电和“叮当变化”。这些事件的描述可以从http://emcesd.com的“技术信息和下载”部分的已发表论文中获得。
PEG-1在附近电路中诱导电压上升时间约为200皮秒,比目前的ESD标准快得多。PEG-1的振铃频率范围为几百MHz ~ 1ghz以上。此外,PEG-1大约每秒产生3-7个事件。所有这些PEG-1特征都模拟了这种类型的现实世界事件。”
PEG-1不再出现在费舍尔定制通信公司的网站上,但可能可供租用或购买二手防静电枪或ebay。
2017年1月,Doug Smith在[2]中说:
“似乎ESD最近越来越成为一个问题,奇怪的形式引发了新的问题。关于标准测试的文章和信息并不缺乏,但通常需要定制beplay官方免费下载测试来避免现场问题。
电缆放电问题,由于小到中等程度的ESD事件,在现场随着时间的推移缓慢退化,但非常常见的ESD事件,以及其他问题正在发展。我很想知道你们是如何处理这些问题的,我在下面附上了一些链接。”
在以上引文中提到的一个问题是,IEC 61000-4-2只涉及由人们成为而引起的ESDtribocharged触摸东西,这被称为“人员ESD”或“人体模型”,HBM。它不包括前两次报价中提到的“家具卸货”,在EMI故事138号.“沉淀静电”一直是飞机无线电通信的一个特殊问题EMI故事295号。
半导体制造商早就认识到,还有许多其他的ESD来源,他们一直在努力防止ESD在他们的制造工厂损坏他们的产品,甚至在他们向产品和设备制造商供应之前。的EOS/ESD协会,识别:人体模型,HBM;机器模型(MM);电荷设备模型(CDM);和场致放电。
许多研究人员研究了所谓的“微间隙放电”,发生在带电金属物体之间,几微米间隙的电位差小于100V,一些证据表明它们的上升时间可以低至10ps,这实际上很难通过实验验证。在[3],道格·史密斯(Doug Smith)专注于口袋或袋子中叮当作响的硬币之间的微间隙放电。
人们只有在电压超过4千伏时才能可靠地感觉到手指上的火花,只有在8千伏及以上时才会开始感到真正的疼痛。但是一些现代半导体在小于0.7V时可能会遭受永久性损坏(我发现这可能会导致Si-Ge低噪声微波放大器的锁存故障)。
对于从低至1.35Vdc的电源轨道运行的DDR4 RAM芯片等现代数字集成电路,低至0.5V峰值的ESD瞬态可能会发生数据损坏。
来自IEC TC77委员会的消息是,他们没有计划将IEC 61000-4-2中的上升时间降低到0.7ns以下,以更好地适应现代现实生活中的ESD易感性。所以我们不得不开发自己的ESD测试,就像Doug Smith上面说的。
2013年,据说典型的数字集成电路需要100ps上升时间(即至少3GHz)的ESD保护,峰值电压限制在10V(理想情况下,保持在电源轨道内)。
因为自2013年以来我们已经有了三次芯片收缩,我们可能会在2019年使用50ps的上升时间(即至少达到6GHz)。请参阅我的培训课程的1.18节模块1对于如何确定最高关注频率(我称之为fMAX)用于产品或设备中的集成电路。
那么,我们如何扩展我们的ESD测试以覆盖小于0.7ns的上升时间呢?
一些ESD枪可以通过安装不同的“RC模块”(放电网络)来测试不同的ESD标准,这些模块可能可用或可修改以获得更短的上升时间(例如,尝试200pF - 0欧姆“机器模型”放电网络)。
Thermo Keytek MinZap MZ-15在放电网络短路的情况下实现了150ps的上升时间,测量值为[1]。像PEG-1一样,MZ-15不是当前型号,但有许多二手型号,例如从防静电枪,肯·怀亚特在EDN上写了一篇文章翻新它们.如果你想修改MZ-15的上升时间,一定要购买带有插件放电网络模块的模型(他们也出售了一个具有固定内部IEC 61000-4-2放电网络的模型,这是非常难以修改的)。
贸易港微间隙接触放电尖端对于某些型号的Noiseken ESD枪,他们说可以达到大约200ps的上升时间。
兰格制造一些ESD耦合产品,声称可以达到200ps的上升时间。
Grund做了一个“PurePulse”该产品声称可以测试所有IEC 61000-4-2和EOS/ESD协会模型,以及其他一些如传输线脉冲(TLP),非常快的传输线脉冲(VF-TLP)和人体金属模型(HMM),上升时间低至100ps。
为了更短的上升时间,我们可能不得不自己制作类似于Doug Smith的微间隙ESD源硬币袋在[3]。测试实验室应该使用装有金币的透明袋子来给客户留下深刻印象,但我们其他人可以将就着用任何类型的袋子装低面额的镀钢或铜币。这当然很重要不使用防静电袋!
当我们做的比“适用”标准中的要求更多/更进一步时,并不一定是“过度测试”。
不同的制造商生产的产品使用方式不同,会遇到不同的电磁威胁,包括ESD -如果他们注意他们的保修投诉,他们可能会注意到,通过“过度测试”某些问题(如ESD),他们会得到更少的现场故障,从而获得更多的利润。或者,他们可能会得到更满意的客户,在未来购买更多,降低销售成本,再次获得更多利润。或两者兼而有之。
引用:
[1]”人体金属ESD基准放电事件的表征和发电机参数与故障级别的相关性——第一部分:基准事件,作者:Ramachandran Chundru, David Pommerenke, Kai Wang, Tom Van Doren, Federico Pio Centola和Jiu Sheng Huang,发表在IEEE Trans上。EMC Vol. 46 No. 4, 2004年11月,第498 - 504页;https://ieeexplore.ieee.org/document/1362865而且,
”人体金属ESD基准放电事件的表征和发电机参数与故障级别的相关性——第二部分:发电机参数与故障级别的相关性,作者:王凯、David Pommerenke、Ramachandran Chundru、Tom Van Doren、Federico Pio Centola和Huang Jiu Sheng,发表在IEEE Trans上。EMC Vol. 46 No. 4, 2004年11月,第505 -511页https://ieeexplore.ieee.org/document/1362866
[2]”高频新闻:ESD议题,第2期, 2017年1月30日,道格·史密斯https://myemail.constantcontact.com/hfnews - 1月- 20 - 2017 - esd.html?soid=1127008467999&aid=rmapkkrmm - a
[3]”手机对小金属ESD电磁干扰的响应,道格·史密斯著。技术花絮- 2004年9月“在他的”高频测量网页”:http://emcesd.com/tt2004/tt090104.htm