М. Горлов, А. Строгонов, А. Адамян

ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ИЗДЕЛИЯ. Часть 2

Внешние и внутренние меры защиты от воздействия электростатических зарядов

Электростатические разряды (ЭСР) являются одной из основных причин отказов ИЭТ. Заряды возникают в результате различных явлений, приводящих к появлению разностей электрических потенциалов между отдельными элементами оборудования, соприкасающимися с ИЭТ, между человеком и изделием или оборудованием и т. п. Внезапные разряды приводят к протеканию импульсов токов, как правило, очень коротких, но имеющих большую амплитуду и способных полностью или частично повредить ИЭТ или аппаратуру на них.
Повышение быстродействия, снижение потребляемой мощности, уменьшение геометрических размеров элементов РЭА делают её ещё более чувствительной к воздействию электрических полей и, в особенности, ЭСР.
Измерение токов разрядов человека на заземлённые детали показали, что их типовые значения могут достигать уровня десятков, а иногда и сотен А, значения напряжений — 15–20 кВ и энергии в импульсе разряда — 20–30 мДж. Крутизна изменения тока может достигать величин, оцениваемых частотой 1 ГГц. При таких частотах ряд цепей в РЭА, например, достаточно длинные участки печатного монтажа, неэкранированные соединительные кабели и т. п., могут являться эффективными антеннами. Поражение отдельных элементов в аппаратуре может возникать как при гальванических связях с источником ЭСР, так и при наличии индуктивных или емкостных элементов с цепями, по которым протекает разрядный ток.
В принципе, существует три способа защиты ИЭТ и соответственно РЭА от повреждения и помех при воздействии ЭСР. Это предупреждения возникновения ЭСР, предупреждение попадания ЭСЗ на ИЭТ и аппаратуру и увеличение стойкости аппаратуры и её комплектующих изделий к воздействию ЭСР.
Первые два способа отнесём к внешним или коллективным мерам защиты от воздействия ЭСР.

Внешние меры защиты от воздействия статических зарядов

Методы защиты от ЭСЗ, применяемые в радио- и электронной промышленности, подразделяются на химические, физико-механические и конструктивно-технологические [1]. Первые два метода способствуют предотвращению возникновения статического электричества и ускорению стекания заряда, третий — только защищает ИЭТ от опасных воздействий ЭСЗ, но не оказывает влияние на стекание заряда.
Известно, что ЭСР происходит, когда запасённая энергия превысит пороговый уровень, соответствующий 10-6–10-5 Кл/м2. Следовательно, целесообразно обеспечить её уменьшение. Пути утечки ЭСЗ возможны через коронный разряд, объёмную и поверхностную проводимости материала, на котором скапливается заряд.
Следовательно, общим решением проблемы борьбы со статическим электричеством является ионизация воздуха, а также увеличение поверхностной и объёмной проводимостей материалов.
Практические методы обычно состоят в создании организованных путей утечки ЭСЗ, чтобы не допустить возникновения опасных потенциалов на ИЭТ.
Первый — метод заземления. Цепь утечек ЭСЗ на землю работает удовлетворительно, если её сопротивление не превышает 106 Ом. Заземление эффективно только для материалов, имеющих удельное сопротивление не более 1010 Ом·м. Изолятор с удельным сопротивлением свыше 1014Ом·м может хранить высокую энергию ЭСЗ, что способно привести к разряду при его связи с землёй. Необходимо очень тщательно продумывать эффективность защиты от ЭСЗ всех деталей оснащения рабочего места оператора.
Второй метод заключается в подавлении ЭСЗ, так как заземление не позволяет эффективно снимать заряды с поверхности диэлектриков, которые широко применяются в чистых комнатах. Накопление ЭСЗ у таких материалов резко снижается при увеличении влажности воздуха, однако при этом ухудшаются условия работы в чистых комнатах. Поэтому влажность устанавливается равной 40%.
Для разрядки диэлектрических поверхностей применяют ионизаторы воздуха, способные генерировать ионы разных полярностей: такие ионизаторы используются для локальной нейтрализации зарядов непосредственно на рабочих местах или ими дополняют вентиляционные системы чистых комнат для ионизации зарядов в потоке отфильтрованного воздуха с целью общей нейтрализации стен, потолков, поверхностей оборудования и др. Можно облицовывать стены, потолок и пол чистых комнат электропроводящими покрытиями, имеющими по отношению к земле электросопротивление порядка 107 Ом, при котором заряды на них уменьшаются до безопасных значений в течение 0,02 с.
Третий метод уменьшения электростатической опасности заключается в применении токопроводящих материалов путём смешивания их с металлическими или углеродными частицами.
В помещениях, где расположена аппаратура с чувствительными к ЭСЗ компонентами, полы должны быть покрыты проводящими коврами, предназначенными прежде всего для рассеивания ЭСЗ с людей, входящих в помещение, перед тем, как они подсоединятся к заземлению. Ковры также создают “заземлённый” фон во всём помещении. Они обычно изготавливаются из пластмасс, насыщенных углем, или из проводящего винилового материала. Ковёр подсоединяется к заземлению.
Столы, рабочие места также должны иметь проводящее покрытие из пропитанного углем пластика, проводящего дивинила или антистатического материала. Эти покрытия обычно заземляются с помощью шин, прокладываемых на столах под покрытием. Аналогичные покрытия должны иметь и стулья.
Транспортировку ИЭТ и печатных плат следует проводить в электропроводящей таре, например, в проводящем пенопласте.
Четвёртый метод обеспечивает уменьшение ЭСЗ тела человека. Для этого используются заземление и антистатическая одежда.
Проводящие браслеты являются одним из наиболее эффективных средств рассеяния ЭСЗ, накапливающегося на человеческом теле. Браслет состоит из проводящей полосы, укрепляемой на запястье, ремешком с пряжкой и провода, которым браслет соединяется с шиной заземления. Провод должен иметь последовательно соединённое сопротивление величиной от 1 до 100 МОм для создания безопасных условий работы, чтобы протекающий через человеческий организм ток не превышал 1 мА.
Для обеспечения заземления тела человека используются также коврики из токопроводящих пластмасс и токопроводящая подошва обуви.
Большое значение при заземлении имеет скорость стекания зарядов на землю. Так, время снятия электростатического потенциала с оператора до безопасного уровня не должно превышать 1 с. Как показывает практика, сопротивление покрытия по отношению к земле величиной 1000 МОм гарантирует разряд статического электричества потенциалом 5000 В до уровня 100 В в течение 1 с.
Пятым методом защиты ИЭТ и электронных блоков является шунтирование выводов ИЭТ и выводных клемм блоков на тех операциях, где это возможно. Монтаж следует проводить заземлённым инструментом, пайку — паяльником с заземлённой паяльной головкой.

Меры встроенной защиты ИС от электростатических разрядов

Как показывает практика, применяемые внешние меры защиты ИС от ЭСР полностью не исключают возможности повреждения схем. Поэтому при обязательном применении мер внешней (коллективной) защиты, основным средством защиты ИС от ЭСР является так называемая встроенная защита, то есть применение защитных схем, выполненных на кристалле ИС в едином технологическом процессе [2]. Даже при повышении порога чувствительности ИС к ЭСР посредством конструктивно-технологических решений, встроенная защита часто оказывается необходимой.
Базовый принцип защиты ИС от воздействия ЭСР показан на рис. 1.

При ЭСР срабатывает двуполярный ключ SA1, и ток разряда отводится на шину питания или земли. Кроме того, часть заряда рассеивается на резисторе R. Идеальная защита достигается, если сопротивление ключа во включенном состоянии и время его включения равны нулю. В реальных ИС в качестве таких шунтов применяются различные элементы: диоды, транзисторы или более сложные схемы.
Важное требование к защитным структурам — условие применения защитных схем — не ухудшать параметры защищаемой ИС. Кроме того, они должны иметь небольшую площадь; эффективно ограничивать напряжение разряда, подаваемого на схему; шунтировать напряжение и токи перегрузки, возникающие при ЭСР; ограничивать физическую область схемы на кристалле, на которую воздействует ЭСР; иметь максимально быстрое время срабатывания и вносить минимальное время задержки в нормальную работу ИС в диапазоне изменений питающего напряжения.
В [3] приводится несколько способов защиты МОП ИС от воздействия ЭСР. В простейших случаях используют диод на входе. Для улучшения защитного действия таких схем применяют дополнительные МОП-транзисторы, резисторы и диоды (рис. 2).

Приведённые схемы сравнивались в отношении защитного действия. Результаты анализа приведены на рис. 3, из которого видно, что при добавлении в схему новых элементов имеет место улучшение защитного действия структуры. Основные отечественные защитные схемы для МОП и КМОП ИС представлены в таблице.
Для некоторых схем приведено полученное экспериментально напряжение повреждения ЭСР защитных схем. Первая схема с использованием диодов наиболее часто применяется для защиты ИС. При воздействии ЭСР, в зависимости от полярности, открывается один из диодов, и энергия разряда уходит на шину питания или земли. Данная схема обладает невысокими защитными свойствами и неравномерностью протекания тока в рабочем режиме, что существенно снижает её защитные свойства.
Защитные схемы 2 и 3 являются упрощёнными аналогами схемы 1. В схемах 4 и 5 для улучшения защитных свойств использованы соответственно диод и МОП-транзистор. В схеме 6 значительное увеличение площади защитной ячейки и применение распределённой структуры диодов позволило повысить стойкость ИС до 4000 В.
Используемые в настоящее время защитные схемы серийных ИС по ряду параметров (стойкости к ЭСР, используемой площади и так далее) не удовлетворяют изготовителей ИС. Поэтому ведётся интенсивная работа как по поиску новых схем защиты, имеющих повышенную стойкость к ЭСР без значительного увеличения площади кристалла, так и по модернизации используемых схем защиты.

Литература

1. Сигунова А.В. Защита полупроводниковых и интегральных схем от статического электричества // Радиотехника за рубежом. 1981. Вып. 18. С. 1–11.
2. Горлов М.И., Андреев А.В. Защита ИС от воздействия электростатических разрядов // Петербургский журнал электроники. 1999. № 1. С. 31–36.
3. Rhein D. Beurteilung der Schutzwirkung fьr tegrirter Eingangsschutzshalturgen von MOS – IC\s // Nachrichten technik Electron. 1989. № 3. P. 110–112.