Методы защиты электроники от ESD и EOS в инженерной практике

Наша команда обладает большим опытом в разработке встроенной электроники, поэтому мы не понаслышке знаем, насколько опасными могут быть электростатические разряды.

Многие материалы могут проводить электричество и накапливать электрический заряд за счет трибоэлектризации (трения между материалами) или электростатической индукции. Когда это происходит, на поверхности объекта накапливается статический заряд. Если объект оказывается слишком близко к другому электрически заряженному объекту или материалу, разница потенциалов вызывает протекание электрического тока между ними до выравнивания потенциалов.

Таким образом, электростатический разряд, или ESD (от англ. electrostatic discharge), можно определить как кратковременный самопроизвольный электрический ток, возникающий между двумя электрически заряженными материалами или объектами и вызванный контактом, коротким замыканием или диэлектрическим пробоем.

Может показаться, что статическое электричество – это обыденное явление. Но напряжение электростатического заряда может достигать нескольких тысяч вольт, что представляет серьезную опасность для приборов. В современной микроэлектронике компоненты становится все меньше и тоньше, а значит, более чувствительными к ESD. Даже разряд в 10 В может повредить интегральные схемы. Для сравнения, когда человек ходит по ковру, статический заряд на его обуви может достигать 35 000 В.

Электростатические разряды представляют опасность для электронных устройств как на этапе производства, так и во время эксплуатации. По данным EOS/ESD Association, inc., ущерб, причиненный таким событием, может составлять от нескольких рублей до десятков тысяч рублей на устройство. Если такое событие случается на серийном производстве, бракованной может оказаться целая партия изделий. А это сотни тысяч и миллионы рублей.

Вот почему мы серьезно относимся к защите печатных плат от электростатических разрядов и перенапряжения при разработке электронных устройств для своих клиентов. Ознакомьтесь с нашими услугами по проектированию электроники, чтобы узнать, как наша команда может помочь вашему проекту.

Еще одно явление, похожее на электростатический разряд, – это электрическое перенапряжение (EOS от англ. Electrical Overstress). На практике инженеры нередко употребляют эти термины взаимозаменяемо. Оба этих события можно определить как воздействие на электронное устройство или его компоненты электрического тока или напряжения, превышающего максимально допустимые для устройства значения. Однако ESD и EOS немного отличаются.

Электростатический разряд (ESD):
- длится очень короткое время (наносекунды);
- характеризуется умеренным пиковым током;
- напряжение в разряде достигает чрезвычайно высоких величин (до нескольких киловольт).

Электрическое перенапряжение (EOS):
- длится более продолжительное время (от миллисекунд до секунд);
- характеризуется более высоким пиковым током;
- напряжение в разряде ниже, чем при ESD (до десятков или сотен вольт).

Причиной EOS может служить множество различных явлений, таких как бросок тока или скачек напряжения в источнике питания, переходные процессы при включении или выключении питания и т.д. Причиной ESD может быть только статическое электричество. С этой точки зрения электростатический разряд можно рассматривать как частный случай электрического перенапряжения.

Представьте себе устройство, подключенное к розетке на 220 В. Если молния выведет из строя подстанцию, питающую эту розетку, устройство получит 380 В. Это электрическое перенапряжение. Если человек пытается подключить USB-кабель к своему смартфону и заряд, накопленный его телом или одеждой, разряжается в USB-порт, тот получит 1500 В в течение нескольких миллисекунд вместо стандартных 5 В. Это электростатический разряд.

Мощный электростатический разряд может привести к различным сбоям. Повреждения от ESD и их степень зависят от нескольких факторов, в том числе от того, как заряд рассеивается по элементам интегральной схемы.

При электростатическом разряде заряд с очень высоким потенциалом вызывает высокий пиковый ток. Хотя событие длится очень короткое время, этого часто достаточно, чтобы вызвать перегорание, если устройство не защищено должным образом. Тепло, которое выделяется во время события, способно вызвать пробой полупроводников и разрушить их структуру.

Иногда компоненты или дорожки не разрушаются полностью. В таких случаях микросхема будет продолжать функционировать без заметного снижения производительности. Иногда частично поврежденная микросхема будет продолжать работать, но ее характеристики изменятся в худшую сторону. Такое часто случается с аналоговыми устройствами.

В других случаях причиной повреждения становится чрезмерное напряжение, а не перегрев. Высокое напряжение может разрушить изолирующий оксидный слой, что либо приведет к полному уничтожению интегральной схемы, либо нанесет ей частичные повреждения без заметного снижения производительности.

Пренебрежение защитой от ESD может привести к дорогостоящим последствиям. Обратитесь к нашей команде, и мы обсудим, как минимизировать такие риски.

Последствия электростатического разряда можно разделить на четыре типа.

• Самоустраняющийся сбой

В этом случае ESD не вызывает физического повреждения ИС, но приводит к сбоям в работе системы или к остановке ее работы. Тем не менее такие сбои могут быть исправлены в системе или с помощью перезагрузки.

• Потеря данных

В некоторых случаях ESD не разрушает ИС, но повреждает данные или установленное на устройстве программное обеспечение. Например, если бы на жестких дисках персонального компьютера не было защиты от электромагнитных помех, то удар молнии рядом с домом мог бы привести к полной потере данных.

• Критический отказ

Критический отказ – это необратимое повреждение, которое полностью нарушает работу устройства. Такие сбои происходят, когда электростатический заряд плавит металл, разрушает соединения или изолирующие оксидные слои.

• Скрытые дефекты

Как упоминалось выше, электростатический разряд может вызвать частичную деградацию ИС, однако она продолжит работать. Такой тип повреждения называют скрытым дефектом. С одной стороны, такие повреждения не критичны. С другой стороны, их очень сложно обнаружить. Более того, рано или поздно скрытые дефекты приведут к критическим сбоям. Некоторые производители известны тем, что выпускают ненадежные устройства и оборудование. Часто это происходит из-за того, что на производстве не уделяется должного внимания антистатической защите. Во время изготовления многие изделия получают электростатические разряды, которые и вызывают скрытые дефекты.

Устройства можно классифицировать по их уровню устойчивости к электростатическим разрядам. Для определения устойчивости устройства к ESD в производственных условиях используется документ “ESD Association 2.0 Handbook”. Требования для производств перечислены в российском стандарте ГОСТ IEC TR 61340-5-2-2021. Но для условий повседневной эксплуатации разработчики обычно используют стандарт IEC 61000-4-2, который определяет четыре стандартных уровня защиты цепей от ESD. В России используется основанный на IEC 61000-4-2 стандарт ГОСТ 30804.4.2-2013. Об упоминаемых в документе и других методах тестирования печатных плат и электроники вы можете прочитать в одной из наших предыдущих статей.

Электростатические разряды могут легко выводить из строя электронные устройства, поэтому для нормального функционирования электроника должна быть надежно защищена от ESD.

Некоторые способы могут также защитить устройства от электрического перенапряжения. Например, согласно Osram Licht AG, для защиты светодиодов и других радиоэлектронных компонентов можно применять устройства защиты от перенапряжения и ограничители тока (TVS-диоды, варисторы, предохранители и т.д.). Тем не менее такие меры обычно неэффективны против EOS. Хотя ESD и EOS имеют схожую природу и оказывают похожее воздействие, причины, вызывающие их, различны.

EOS считается маловероятным событием и в нормальных условиях эксплуатации происходить не должно. Защита от EOS в основном реализуется на этапе разработки: устройство проектируется с повышенными максимально допустимыми параметрами. Так устройство будет более устойчивым к электрическому перенапряжению, но не выдержит, если напряжение или ток превысит эти пределы.

Что касается защиты от ESD, можно выделить три группы способов.

Первое, что нужно сделать для защиты устройства от статического электричества, – это создать зону, защищенную от ESD. В такой рабочей зоне все предметы, поверхности, люди и устройства заземлены. Таким образом, их потенциалы поддерживаются на одном уровне. Создание таких зон является первой линией защиты от ESD в производстве электроники.

Вот основные элементы таких зон: антистатический коврик (1), шнур заземления (2), заземляющая вилка (3), спиралевидный провод (4) и антистатический браслет для запястья (5).

Это простейший вариант зоны, которая обеспечивает минимальный уровень защиты от ESD. Чтобы максимально снизить риск возникновения электростатических разрядов, можно построить гораздо более крупные и сложные зоны. Инженеры также могут использовать различные дополнительные инструменты и устройства, предназначенные для борьбы с ESD.

Ионизаторы – это устройства фильтрации и рециркуляции воздуха, которые генерируют положительно и отрицательно заряженные ионы вокруг чувствительного оборудования. Это снижает вероятность возникновения электростатических разрядов. Они также удаляют взвешенные в воздухе частицы, которые могут вызывать трение и накопление статического электричества.

С помощью специального оборудования можно измерять уровень статического заряда на отдельных поверхностях, объектах или людях. Так можно убедиться, что заряд не превышает допустимых пределов.

Антистатические пакеты и коробки с защитой от ESD используются для хранения печатных плат или устройств. Они не позволяют накапливаться статическому электричеству, обеспечивая постоянную защиту.

Разработчики электроники также могут использовать антистатические перчатки, обувь, инструменты, ленту и другое оборудование.

Правильно организованная рабочая зона защитит электронику от электростатических разрядов во время работы над ней. Однако изделие должно быть защищено и во время эксплуатации. Один из вариантов – применять устройства защиты от перенапряжения.

При разработке электроники нужно предусмотреть надлежащую защиту от различных ситуаций: ударов молнии, которые индуцируют высоковольтные импульсы, переходных процессов, которые вызывают перенапряжение, и электростатических разрядов. Предотвратить электрические пробои помогают ограничители напряжения.

Существует множество типов устройств защиты от перенапряжения, включая подавители статического заряда, варисторы, стабилитроны, а также подавители выбросов напряжения (TVS-диоды). При разработке электроники на заказ мы чаще всего используем именно их.

TVS-диоды размещаются параллельно цепи, которую необходимо защитить. В обычном состоянии TVS имеет очень высокое сопротивление. Поэтому ток через него не протекает. Однако, когда индуцированное напряжение превышает напряжение лавинного пробоя, сопротивление диода падает. В результате он шунтирует избыточную энергию, генерируемую перенапряжением, на землю, не позволяя току протекать в защищаемую интегральную схему. Когда напряжение падает до нормального уровня, сопротивление диода возвращается к прежнему уровню.

Следующая схема объясняет, как электростатический разряд протекает через массив TVS-диодов на землю:

Устройства защиты от ESD нужно устанавливать на всех внешних разъемах, а иногда и на устройствах взаимодействия с пользователем (например, на клавишах клавиатуры или кнопках). Именно через эти входы статическое электричество может попасть на печатную плату.

В одном из проектов для здравоохранения наша команда работала над медицинским устройством с несколькими внешними разъемами. Пришлось устанавливать защиту на каждый из них.

На приведенной ниже схеме TVS-диод размещен параллельно защищаемой цепи после разъема батареи. Команда использовала здесь однонаправленное устройство защиты от ESD и скачков напряжения NSPU3051N2T5G. Этот диод защищает цепь от возможных электростатических разрядов, генерируемых телом или одеждой, когда человек меняет батарею. При возникновении электростатического разряда диод шунтирует избыточное напряжение на землю, не позволяя току протекать в цепь.

Еще один TVS-диод мы разместили на USB-порте устройства. Конденсаторы здесь защищают цепь от низкочастотных электромагнитных помех и не играют никакой роли в защите от электростатических разрядов. Обычно USB-порты защищены массивами специализированных TVS-диодов – например, D3V3F4U6S-7. Но в этом случае одного TVS было достаточно.

Разрабатываемое медицинское устройство также имело несколько разъемов для ЭКГ-электродов, через которые на плату также может протекать статическое электричество. Обратите внимание, что операционный усилитель U6, используемый в этой схеме, имеет выходной контакт (1) с очень низким сопротивлением. Это означает, что усилитель может шунтировать и брать на себя ток, предназначенный для TVS-диода. Поэтому цепь также защищена резистором (R15), который уменьшает остаточные импульсы от TVS-защиты.

Иногда бывает непрактично защищать каждый разъем устройства. Работая над телекоммуникационным устройством для защиты от телефонного мошенничества, мы решили оставить большинство разъемов незащищенными. Во-первых, заказчик хотел максимально снизить стоимость устройства. Во-вторых, сценарии применения разработки не предполагали большой вероятности возникновения электростатических разрядов.

Поэтому защитой была снабжена только телефонная линия. Вместо TVS-диода мы использовали защитное устройство от перенапряжения TISP4350: эта серия была специально разработана для перенапряжений на телекоммуникационных линиях.

Выбор защитного устройства зависит от ряда факторов. Различные модели и типы предназначены для разных диапазонов напряжения, рабочих напряжений, продолжительности перенапряжения, времени отклика и т.д. Естественно, разработчик должен учитывать эти параметры.

Размер тоже играет свою роль, т.к. крупногабаритные компоненты не помещаются в небольших устройствах. И, конечно же, наша команда также учитывает стоимость и доступность компонента.

Для эффективной защиты от ESD использование защитных диодов должно сочетаться с правильной топологией печатной платы. Защита от электростатического разряда основана на способности TVS шунтировать ток на землю. Поэтому при проектировании печатной платы защита от ESD может быть достигнута, если путь на землю имеет как можно более низкое сопротивление. Как эксперты в области проектирования печатных плат, мы применяем этот и другие методы.

1. Оптимизация импедансов вокруг TVS

Все компоненты и дорожки на печатной плате имеют паразитные индуктивности. В типичной схеме защиты их четыре: индуктивность между источником электростатического разряда и массивом TVS (L1 и L2), индуктивность между TVS и землей (L3) и индуктивность между TVS и защищаемой интегральной схемой (L4). Электростатический разряд потечет на землю только в том случае, если L4 больше, чем L1-3.

На рисунке ниже топология печатной платы, которую мы разработали для одного из наших проектов. Как видите, в этой части платы размещен USB-порт. Чтобы защитить FT231X UART (U1), мы разместили ESD-супрессор USBLC6-4SC6 (U2) на пути между ним и портом.

Здесь следует обратить внимание на две вещи.

- Супрессор (U2) размещен ближе к источнику ESD (USB-порт). В результате индуктивность L4 становится намного больше, чем L1, что вынуждает электростатический разряд идти на TVS.

- Супрессор размещен непосредственно на пути от источника ESD к защищаемой микросхеме, что полностью устраняет L2.

2. Подавление электромагнитных помех от электростатического разряда

Электростатический разряд является быстрым переходным процессом, который вызывает электромагнитные помехи. Такое событие генерирует быстро меняющееся электрическое поле, которое может наводиться на соседние цепи, вызывая на них повышение напряжения. Дорожки между источником ESD и TVS являются основным источником электромагнитных помех. Поэтому команда не размещала никаких незащищенных цепей в этой области.

Еще один способ – использовать прямые и короткие дорожки, т.к. углы излучают электромагнитные помехи. В данном случае использование прямых линий было невозможно. Вместо этого мы использовали углы в 45°, что приемлемо.

3. Правильное использование переходных отверстий

В многослойных печатных платах переходные отверстия могут работать как лишние дорожки с паразитными индуктивностями. На изображении ниже источник ESD и защищаемая микросхема расположены на одном слое, а TVS – на другом. Здесь переходное отверстие работает как L2, вызывая разветвление тока от электростатического разряда между TVS и микросхемой. Такой компоновки следует избегать.

В идеале источник ESD и TVS должны размещаться на одном слое, как показано на рисунке ниже. При такой компоновке электростатический разряд попадает на защитный контакт TV-диода до того, как пройдет через переходное отверстие к защищаемой цепи.

В проекте, о котором шла речь выше, от источника ESD (USB-разъем) проложены две дорожки на двух разных слоях платы. Размещение их на том же уровне, что и TVS, было невозможно. Однако команда использовала допустимый вариант топологии.

У нас была обратная ситуация: TVS и защищаемая микросхема располагались на одном слое, а источники ESD (две дорожки, идущие от USB) находились на разных слоях. Несмотря на это, это пример правильного использования переходных отверстий, поскольку защитный контакт TVS-диода примет на себя электростатический разряд прежде, чем тот попадет на микросхему.

Если идеальная компоновка невозможна, допустимо использовать следующий компромиссный вариант: