24.07.2015

Chips vor "Elektrischen √úberschwemmungen" sch√ľtzen




Bild 1: Ungesch√ľtzter Chip im normalen Betrieb, begrenzte Stromkapazit√§t.
Bild 2: Ungesch√ľtzter Chip beim ESD Zapping, zerst√∂rt durch √ľberm√§√üig hohe Ladung.
Bild 3: Gesch√ľtzter Chip unter ESD Zapping. Zus√§tzliche ESD-Bauteile leiten die √ľbersch√ľssige Ladung ab.
Bild 4: Beispiel f√ľr einen ESD-Sicherheitshinweis in einem Datenblatt.

 

Von Dushyant Juneja, Analog Devices

 

Elektrischer Strom flie√üt normalerweise von einer h√∂heren zu einer niedrigeren Spannung. Wie ein Fluss, der aus den Bergen hinab zum Meer flie√üt. Die integrierte Schaltkreistechnologie nutzt diesen Stromfluss wie ein Staudamm und produziert etwas, das f√ľr den uninformierten Beobachter wie ein Wunder aussieht. In der Tat spielt dieser Fluss f√ľr einen Chip eine so grundlegende Rolle wie ein Fluss f√ľr die Zivilisation. Die Analogie endet jedoch nicht hier. Genau wie eine Stadt eigene Notfallvorkehrungen braucht, um Naturkatastrophen wie √úberschwemmungen zu bew√§ltigen, muss sich ein moderner Chip vor ‚ÄěElektrischen √úberflutungen‚Äú sch√ľtzen.

 

‚ÄěElektrische Fluten‚Äú, oder genauer, ‚ÄěLadungsfluten‚Äú, sind f√ľr die Chip-Hersteller heute von gr√∂√üter Bedeutung. Elektrische Ladung ist prinzipiell in der gesamten Natur um uns herum vorhanden. Ein blo√ües Aneinanderreihen von zwei geeigneten Materialien reicht aus, um diese Ladungen zu demonstrieren. Ein typischer menschlicher K√∂rper kann lediglich durch ein langsames Gehen √ľber einen Teppich zu einem Lager mit ausreichend Ladung werden. Und da die Natur liebt, ihr Gleichgewicht wiederherzustellen, kann man beim Ber√ľhren eines T√ľrgriffs oder anderer metallischer Gegenst√§nde einen kleinen elektrischen Schlag sp√ľren. Verantwortlich daf√ľr ist der schnelle Fluss akkumulierter Ladung vom K√∂rper zur√ľck zum Boden.

 


Kollaps droht

W√§hrend solche kleinen Stromschl√§ge dem menschlichen K√∂rper nichts ausmachen, k√∂nnen diese Schocks so viel Ladung enthalten, dass sie das Aufnahmeverm√∂gen eines typischen ICs √ľbersteigen. Sobald ein empfindlicher Chip einem so schnellen Ladungsfluss ausgesetzt ist, kann er leicht ‚Äěkollabieren‚Äú. Ein solcher ‚ÄěKollaps‚Äú wird ESD (Electro-static Discharge) genannt ‚Äď vergleichbar mit der Zerst√∂rung, die eine schnelle Wasserflut √ľber eine ungesch√ľtzte Stadt bringt. Im ung√ľnstigsten Fall kann der betroffene Chip und das gesamte Subsystem ausfallen, was betr√§chtliche Auswirkungen nach sich zieht. Die Problematik steigt in Anwendungen, in denen sich der Chip in der N√§he von Hochvoltbauteilen, wie zum Beispiel f√ľr die Industriekommunikation, befindet.

 

Flutschutz n√∂tig 

Daher m√∂chten Chip-Hersteller ihre Bauteile mit einem ‚ÄěFlutschutz‚Äú ausstatten, indem sie diese m√∂glichen Ausf√§lle klassifizieren und mehrere Schutzmechanismen anwenden. Bei einem typischen Chip kann bis zu zehn Prozent der Fl√§che auf einen solchen Schutzmechanismus, normalerweise als ‚ÄěESD Pad Ring‚Äú bezeichnet, entfallen. Zum besseren Verst√§ndnis dieses Schutzmechanismus hilft es, sich an die eingangs erw√§hnte Analogie einer √úberschwemmung in der Stadt zu erinnern.

 

Eine hochwassergef√§hrdete, aber entsprechend geplante Stadt, kann, abgesehen von den Kern-, Wohn- und Arbeitsbereichen, auch D√§mme und Schleusen enthalten, um unerw√ľnschtes Wasser abzuleiten. Bei Hochwasser erweisen sich D√§mme und Schleusen als entscheidender Schutzmechanismus. F√ľr einen Chip oder ein Board sind diese Schleusen so konzipiert, dass sie automatisch √∂ffnen, sobald festgestellt wird, dass eine unerw√ľnschte hohe Menge elektrischer Ladung in den Kernbereich eindringen k√∂nnte. Ein typischer Mechanismus f√ľr einen solchen Schutz besteht darin, die gesamte Ladung in einen zentralen ‚ÄěPool‚Äú zu transportieren, von wo aus sie ihren Weg zu anderen Pins finden kann.

 

Hilfe durch ESD Pad Ring

Der Mechanismus arbeitet mit Hilfe des ESD Pad Rings. Dieser zus√§tzliche Schaltkreis besteht aus mehreren Schutzschaltkreisen. Zum Beispiel sind alle I/O-Pins mit auf Dioden basierenden ‚ÄěVentilen‚Äú ausgestattet, um √ľbersch√ľssige Ladungen auf Pins an Versorgungen zu verteilen. Die Versorgungen sind zum Schutz interner Schaltkreise vor √úberspannungen mit ESD Clamps ausgestattet. Diese Clamps helfen auch bei der Verbindung zum Pad Ring Core und arbeiten w√§hrend au√üergew√∂hnlicher Umst√§nde.


Da alle Pins mit einer Versorgung in einem Schaltkreis verbunden sind, hat der Pad Ring auch eine Verbindung zu jedem anderen Pin. Damit wird bei einem ESD-Ereignis ein umfassendes Netz aktiviert, welches jeden gew√ľnschten Pin mit anderen Pins verbinden kann, um √ľbersch√ľssige Ladung abzuleiten. Der Chip verh√§lt sich insgesamt so, als sei er kurzgeschlossen oder durch den Pad Ring umgangen (bypassed).

 

Es ist jedoch darauf zu achten, dass ein normaler Fluss nicht als Overflow gewertet wird, und die automatische Sicherheit die beiden Fälle unterscheiden kann. Da all dies unabhängig davon erfolgen muss, ob der Chip aktiviert oder nicht aktiviert ist, gelangt die Schwierigkeit bei der Entwicklung auf eine völlig neue Ebene. Die Bilder 1 bis 3 demonstrieren das Konzept grafisch.

 

Klassifizierung von Fluten

Die Halbleiterindustrie klassifiziert diese ‚ÄěFluten‚Äú je nach ihrer Beschaffenheit und ihrer Gr√∂√üe normalerweise in vier Typen. Eine Ber√ľhrung des Chips durch den Menschen kann eine statische ESD-Entladung induzieren, die sich am besten durch das Human Body Model (HBM) emulieren l√§sst. Eine Ber√ľhrung durch eine Maschine l√§sst sich hingegen wegen ihrer metallischen Beschaffenheit am besten durch das Charged Device Modell (CDM) und das Machine Model (MM) modellieren. Ein mit Strom versorgtes Ger√§t, welches ein nicht an die Versorgungsspannung angeschlossenes Ger√§t ber√ľhrt, induziert die aggressivste Ladungsflut, normalerweise als Standard IEC 61000-4-2 standardisiert.

 

Andere Standards, wie zum Beispiel das Human Machine Model (HMM), sind weniger popul√§r. Hersteller qualifizieren ihre Produkte normalerweise nach einem dieser Standards, um, je nach Anwendung, eine Aussage √ľber die St√§rke des Schutzes gegen√ľber ESD-Einwirkungen zu machen. Zum Beispiel kann ein RS-485/422-konformer Kommunikations-Transceiver-Chip je nach H√∂he der zu verkraftenden Spannung mit einer Belastungsqualifizierung bis ¬Ī15,0kV HBM zur Verf√ľgung stehen. Abh√§ngig von den anderen Anwendungen variieren diese ESD-Qualifizierungen je nach Chip.

 


Herausforderung f√ľr ESD-Designer

ESD-Mechanismen auf dem Chip k√∂nnen wirksam sein. Doch die modernen Forderungen nach immer mehr Chipfunktionalit√§t erweitern die Grenzen des Chip-Designs. Dies verst√§rkt das Problem f√ľr den ESD Designer, da eine h√∂here Wirksamkeit mehr Abschirmung voraussetzt. Dies ist ein Bereich aktiver und andauernder Forschung und Innovation.

 

Obwohl Ingenieure eine begrenzte Zahl an ESD-Schutzkomponenten in den Chip einbinden k√∂nnen, sind ESD-Vorkommnisse auf Assembly- und Konsumerebene zu vermeiden. Ein ESD-empfindliches Ger√§t ist im Allgemeinen mit einem Warnhinweis auf dem Label, im Handbuch oder im Datenblatt versehen (Bild 4). Normalerweise wird ein solches Ger√§t in einer ESD-Schutzverpackung, zum Beispiel leitf√§higer Schaumstoff, antistatische R√∂hren oder eine elektrostatisch leitf√§hige H√ľlle, ausgeliefert. ESD-Warnhinweise auf der Verpackung weisen den Endverbraucher auf einen sorgf√§ltigen Umgang hin.

 

√Ąhnliche Vorsichtsma√ünahmen werden beim Chip-Test in der Industrie getroffen, wo spezielle antistatische Anz√ľge und spezielle Testbenches zum Einsatz kommen. Am besten ist es, die ben√∂tigten Bauteile mit geerdeten Workstations zu inspizieren und manuelles Handling zu minimieren. F√ľr alle Sub-Assemblies, die diesen Baustein enthalten, sind ebenfalls die richtigen ESD-Schutzma√ünahmen einzuhalten. Spezielle Bauteile, wie zum Beispiel LVDS-Transceiver und TVS, k√∂nnen zum ESD-Schutz auf Systemebene verwendet werden.

 


Hinweise f√ľr Konsumenten

Konsumenten ist der vorsichtige Umgang mit Boards oder Ger√§ten zu raten. So ist es zum Beispiel ratsam, empfindliche Schaltungen nicht mit blo√üen H√§nden zu ber√ľhren, um eine unbeabsichtigte Besch√§digung zu vermeiden. Normalerweise wird man antistatische Anz√ľge und geerdete Handschuhe anziehen, um solche Schaltungen einzubauen oder in Betrieb zu nehmen. Als weitere Vorsichtsma√ünahme sollten solche Schaltungen nicht direkten oder pl√∂tzlichen hohen Spannungen ausgesetzt werden, es sei denn, sie sind f√ľr diese F√§lle klassifiziert. Normalerweise ruft das Einbringen eines Chips oder eines Boards in eine bereits aktive Versorgung einen ernsthaften ESD-‚ÄěFunken‚Äú hervor ‚Äď oft als ‚ÄěHot-Plugging‚ÄĚ bezeichnet.

 

Nur speziell entwickelte Bausteine verkraften eine lang anhaltende Belastung dieser Intensit√§t. Oft fallen normale Bauteile bei der ersten Inbetriebnahme aus. Eine bessere M√∂glichkeit besteht darin, die Versorgungsspannungen im System mit Hilfe linearer Versorgungen oder anderen steuerbaren Stromversorgungen stufenweise hochzufahren. Falls das Board oder das System f√ľr eine Anwendung beim Endverbraucher bestimmt ist, sind solche Stromversorgungen f√ľr einen zuverl√§ssigen Betrieb obligatorisch.

 

Ein weiteres Problem in dieser Richtung entsteht beim Einsatz mehrerer miteinander verbundener Bauteile auf dem Board, die m√∂glicherweise nicht alle zur gleichen Zeit aktiv sind. In einem solchen Szenario ist darauf zu achten, dass Bauteile, die aktiv sind, nicht mit unversorgten Bauteilen kommunizieren. Damit l√§sst sich vermeiden, dass unbeabsichtigt Strom durch die Bauteile flie√üt. Im Allgemeinen ben√∂tigt man in einem solchen Szenario eine Art von Isolatoren. Andernfalls kann dies mehrere Bauteile kurzschlie√üen und zu wesentlichen Unannehmlichkeiten f√ľhren.

 

F√ľr den Endkonsumenten empfiehlt es sich stets, nicht an offensichtlich nicht funktionierenden Ger√§tschaften herumzubasteln und den Service des Produkts besser speziell ausgebildeten Ingenieuren zu √ľberlassen. So lassen sich zus√§tzliche Sch√§den, die durch unsachgem√§√ües Anfassen des Ger√§ts entstehen k√∂nnen, vermeiden. Zus√§tzliche externe Schutzma√ünahmen gegen Spannungsspitzen, etwa varaktor-basierte Stecker, arbeiten ebenfalls effizient, um die langfristige Zuverl√§ssigkeit zu erh√∂hen und ESD-Sch√§den zu vermeiden. Falls bekannt ist, dass ein Ger√§t gegen√ľber Spannungsspikes empfindlich ist, ist es oft besser, vor dem Anschluss an die Stromversorgung einen externen Stabilisator einzusetzen.

 

 


 


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