24.07.2015

Chips vor "Elektrischen Überschwemmungen" schützen




Bild 1: Ungeschützter Chip im normalen Betrieb, begrenzte Stromkapazität.

Bild 2: Ungeschützter Chip beim ESD Zapping, zerstört durch übermäßig hohe Ladung.

Bild 3: Geschützter Chip unter ESD Zapping. Zusätzliche ESD-Bauteile leiten die überschüssige Ladung ab.

Bild 4: Beispiel für einen ESD-Sicherheitshinweis in einem Datenblatt.

 

Von Dushyant Juneja, Analog Devices

 

Elektrischer Strom fließt normalerweise von einer höheren zu einer niedrigeren Spannung. Wie ein Fluss, der aus den Bergen hinab zum Meer fließt. Die integrierte Schaltkreistechnologie nutzt diesen Stromfluss wie ein Staudamm und produziert etwas, das für den uninformierten Beobachter wie ein Wunder aussieht. In der Tat spielt dieser Fluss für einen Chip eine so grundlegende Rolle wie ein Fluss für die Zivilisation. Die Analogie endet jedoch nicht hier. Genau wie eine Stadt eigene Notfallvorkehrungen braucht, um Naturkatastrophen wie Überschwemmungen zu bewältigen, muss sich ein moderner Chip vor „Elektrischen Überflutungen“ schützen.

 

„Elektrische Fluten“, oder genauer, „Ladungsfluten“, sind für die Chip-Hersteller heute von größter Bedeutung. Elektrische Ladung ist prinzipiell in der gesamten Natur um uns herum vorhanden. Ein bloßes Aneinanderreihen von zwei geeigneten Materialien reicht aus, um diese Ladungen zu demonstrieren. Ein typischer menschlicher Körper kann lediglich durch ein langsames Gehen über einen Teppich zu einem Lager mit ausreichend Ladung werden. Und da die Natur liebt, ihr Gleichgewicht wiederherzustellen, kann man beim Berühren eines Türgriffs oder anderer metallischer Gegenstände einen kleinen elektrischen Schlag spüren. Verantwortlich dafür ist der schnelle Fluss akkumulierter Ladung vom Körper zurück zum Boden.

 


Kollaps droht

Während solche kleinen Stromschläge dem menschlichen Körper nichts ausmachen, können diese Schocks so viel Ladung enthalten, dass sie das Aufnahmevermögen eines typischen ICs übersteigen. Sobald ein empfindlicher Chip einem so schnellen Ladungsfluss ausgesetzt ist, kann er leicht „kollabieren“. Ein solcher „Kollaps“ wird ESD (Electro-static Discharge) genannt – vergleichbar mit der Zerstörung, die eine schnelle Wasserflut über eine ungeschützte Stadt bringt. Im ungünstigsten Fall kann der betroffene Chip und das gesamte Subsystem ausfallen, was beträchtliche Auswirkungen nach sich zieht. Die Problematik steigt in Anwendungen, in denen sich der Chip in der Nähe von Hochvoltbauteilen, wie zum Beispiel für die Industriekommunikation, befindet.

 

Flutschutz nötig 

Daher möchten Chip-Hersteller ihre Bauteile mit einem „Flutschutz“ ausstatten, indem sie diese möglichen Ausfälle klassifizieren und mehrere Schutzmechanismen anwenden. Bei einem typischen Chip kann bis zu zehn Prozent der Fläche auf einen solchen Schutzmechanismus, normalerweise als „ESD Pad Ring“ bezeichnet, entfallen. Zum besseren Verständnis dieses Schutzmechanismus hilft es, sich an die eingangs erwähnte Analogie einer Überschwemmung in der Stadt zu erinnern.

 

Eine hochwassergefährdete, aber entsprechend geplante Stadt, kann, abgesehen von den Kern-, Wohn- und Arbeitsbereichen, auch Dämme und Schleusen enthalten, um unerwünschtes Wasser abzuleiten. Bei Hochwasser erweisen sich Dämme und Schleusen als entscheidender Schutzmechanismus. Für einen Chip oder ein Board sind diese Schleusen so konzipiert, dass sie automatisch öffnen, sobald festgestellt wird, dass eine unerwünschte hohe Menge elektrischer Ladung in den Kernbereich eindringen könnte. Ein typischer Mechanismus für einen solchen Schutz besteht darin, die gesamte Ladung in einen zentralen „Pool“ 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 zusätzliche Schaltkreis besteht aus mehreren Schutzschaltkreisen. Zum Beispiel sind alle I/O-Pins mit auf Dioden basierenden „Ventilen“ ausgestattet, um überschüssige Ladungen auf Pins an Versorgungen zu verteilen. Die Versorgungen sind zum Schutz interner Schaltkreise vor Überspannungen mit ESD Clamps ausgestattet. Diese Clamps helfen auch bei der Verbindung zum Pad Ring Core und arbeiten während außergewöhnlicher Umstände.


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 gewünschten Pin mit anderen Pins verbinden kann, um überschüssige Ladung abzuleiten. Der Chip verhält 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 „Fluten“ je nach ihrer Beschaffenheit und ihrer Größe normalerweise in vier Typen. Eine Berührung des Chips durch den Menschen kann eine statische ESD-Entladung induzieren, die sich am besten durch das Human Body Model (HBM) emulieren lässt. Eine Berührung durch eine Maschine lässt sich hingegen wegen ihrer metallischen Beschaffenheit am besten durch das Charged Device Modell (CDM) und das Machine Model (MM) modellieren. Ein mit Strom versorgtes Gerät, welches ein nicht an die Versorgungsspannung angeschlossenes Gerät berührt, induziert die aggressivste Ladungsflut, normalerweise als Standard IEC 61000-4-2 standardisiert.

 

Andere Standards, wie zum Beispiel das Human Machine Model (HMM), sind weniger populär. Hersteller qualifizieren ihre Produkte normalerweise nach einem dieser Standards, um, je nach Anwendung, eine Aussage über die Stärke des Schutzes gegenüber ESD-Einwirkungen zu machen. Zum Beispiel kann ein RS-485/422-konformer Kommunikations-Transceiver-Chip je nach Höhe der zu verkraftenden Spannung mit einer Belastungsqualifizierung bis ±15,0kV HBM zur Verfügung stehen. Abhängig von den anderen Anwendungen variieren diese ESD-Qualifizierungen je nach Chip.

 


Herausforderung für ESD-Designer

ESD-Mechanismen auf dem Chip können wirksam sein. Doch die modernen Forderungen nach immer mehr Chipfunktionalität erweitern die Grenzen des Chip-Designs. Dies verstärkt das Problem für den ESD Designer, da eine höhere 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 können, sind ESD-Vorkommnisse auf Assembly- und Konsumerebene zu vermeiden. Ein ESD-empfindliches Gerät ist im Allgemeinen mit einem Warnhinweis auf dem Label, im Handbuch oder im Datenblatt versehen (Bild 4). Normalerweise wird ein solches Gerät in einer ESD-Schutzverpackung, zum Beispiel leitfähiger Schaumstoff, antistatische Röhren oder eine elektrostatisch leitfähige Hülle, ausgeliefert. ESD-Warnhinweise auf der Verpackung weisen den Endverbraucher auf einen sorgfältigen Umgang hin.

 

Ähnliche Vorsichtsmaßnahmen werden beim Chip-Test in der Industrie getroffen, wo spezielle antistatische Anzüge und spezielle Testbenches zum Einsatz kommen. Am besten ist es, die benötigten Bauteile mit geerdeten Workstations zu inspizieren und manuelles Handling zu minimieren. Für alle Sub-Assemblies, die diesen Baustein enthalten, sind ebenfalls die richtigen ESD-Schutzmaßnahmen einzuhalten. Spezielle Bauteile, wie zum Beispiel LVDS-Transceiver und TVS, können zum ESD-Schutz auf Systemebene verwendet werden.

 


Hinweise für Konsumenten

Konsumenten ist der vorsichtige Umgang mit Boards oder Geräten zu raten. So ist es zum Beispiel ratsam, empfindliche Schaltungen nicht mit bloßen Händen zu berühren, um eine unbeabsichtigte Beschädigung zu vermeiden. Normalerweise wird man antistatische Anzüge und geerdete Handschuhe anziehen, um solche Schaltungen einzubauen oder in Betrieb zu nehmen. Als weitere Vorsichtsmaßnahme sollten solche Schaltungen nicht direkten oder plötzlichen hohen Spannungen ausgesetzt werden, es sei denn, sie sind für diese Fälle klassifiziert. Normalerweise ruft das Einbringen eines Chips oder eines Boards in eine bereits aktive Versorgung einen ernsthaften ESD-„Funken“ hervor – oft als „Hot-Plugging” bezeichnet.

 

Nur speziell entwickelte Bausteine verkraften eine lang anhaltende Belastung dieser Intensität. Oft fallen normale Bauteile bei der ersten Inbetriebnahme aus. Eine bessere Möglichkeit besteht darin, die Versorgungsspannungen im System mit Hilfe linearer Versorgungen oder anderen steuerbaren Stromversorgungen stufenweise hochzufahren. Falls das Board oder das System für eine Anwendung beim Endverbraucher bestimmt ist, sind solche Stromversorgungen für einen zuverlässigen Betrieb obligatorisch.

 

Ein weiteres Problem in dieser Richtung entsteht beim Einsatz mehrerer miteinander verbundener Bauteile auf dem Board, die möglicherweise 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 lässt sich vermeiden, dass unbeabsichtigt Strom durch die Bauteile fließt. Im Allgemeinen benötigt man in einem solchen Szenario eine Art von Isolatoren. Andernfalls kann dies mehrere Bauteile kurzschließen und zu wesentlichen Unannehmlichkeiten führen.

 

Für den Endkonsumenten empfiehlt es sich stets, nicht an offensichtlich nicht funktionierenden Gerätschaften herumzubasteln und den Service des Produkts besser speziell ausgebildeten Ingenieuren zu überlassen. So lassen sich zusätzliche Schäden, die durch unsachgemäßes Anfassen des Geräts entstehen können, vermeiden. Zusätzliche externe Schutzmaßnahmen gegen Spannungsspitzen, etwa varaktor-basierte Stecker, arbeiten ebenfalls effizient, um die langfristige Zuverlässigkeit zu erhöhen und ESD-Schäden zu vermeiden. Falls bekannt ist, dass ein Gerät gegenüber Spannungsspikes empfindlich ist, ist es oft besser, vor dem Anschluss an die Stromversorgung einen externen Stabilisator einzusetzen.

 

 


 


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