24.07.2015

Chips vor "Elektrischen Überschwemmungen" schĂŒtzen




Bild 1: UngeschĂŒtzter Chip im normalen Betrieb, begrenzte StromkapazitĂ€t.
Bild 2: UngeschĂŒtzter Chip beim ESD Zapping, zerstört durch ĂŒbermĂ€ĂŸig hohe Ladung.
Bild 3: GeschĂŒtzter Chip unter ESD Zapping. ZusĂ€tzliche ESD-Bauteile leiten die ĂŒberschĂŒssige Ladung ab.
Bild 4: Beispiel fĂŒr 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 fĂŒr den uninformierten Beobachter wie ein Wunder aussieht. In der Tat spielt dieser Fluss fĂŒr einen Chip eine so grundlegende Rolle wie ein Fluss fĂŒr die Zivilisation. Die Analogie endet jedoch nicht hier. Genau wie eine Stadt eigene Notfallvorkehrungen braucht, um Naturkatastrophen wie Überschwemmungen zu bewĂ€ltigen, muss sich ein moderner Chip vor „Elektrischen Überflutungen“ schĂŒtzen.

 

„Elektrische Fluten“, oder genauer, „Ladungsfluten“, sind fĂŒr die Chip-Hersteller heute von grĂ¶ĂŸter 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 ĂŒber einen Teppich zu einem Lager mit ausreichend Ladung werden. Und da die Natur liebt, ihr Gleichgewicht wiederherzustellen, kann man beim BerĂŒhren eines TĂŒrgriffs oder anderer metallischer GegenstĂ€nde einen kleinen elektrischen Schlag spĂŒren. Verantwortlich dafĂŒr ist der schnelle Fluss akkumulierter Ladung vom Körper zurĂŒck zum Boden.

 


Kollaps droht

WĂ€hrend solche kleinen StromschlĂ€ge dem menschlichen Körper nichts ausmachen, können diese Schocks so viel Ladung enthalten, dass sie das Aufnahmevermögen eines typischen ICs ĂŒbersteigen. 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 ĂŒber eine ungeschĂŒtzte Stadt bringt. Im ungĂŒnstigsten Fall kann der betroffene Chip und das gesamte Subsystem ausfallen, was betrĂ€chtliche Auswirkungen nach sich zieht. Die Problematik steigt in Anwendungen, in denen sich der Chip in der NĂ€he von Hochvoltbauteilen, wie zum Beispiel fĂŒr die Industriekommunikation, befindet.

 

Flutschutz nötig 

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

 

Eine hochwassergefĂ€hrdete, aber entsprechend geplante Stadt, kann, abgesehen von den Kern-, Wohn- und Arbeitsbereichen, auch DĂ€mme und Schleusen enthalten, um unerwĂŒnschtes Wasser abzuleiten. Bei Hochwasser erweisen sich DĂ€mme und Schleusen als entscheidender Schutzmechanismus. FĂŒr einen Chip oder ein Board sind diese Schleusen so konzipiert, dass sie automatisch öffnen, sobald festgestellt wird, dass eine unerwĂŒnschte hohe Menge elektrischer Ladung in den Kernbereich eindringen könnte. Ein typischer Mechanismus fĂŒr 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 zusĂ€tzliche Schaltkreis besteht aus mehreren Schutzschaltkreisen. Zum Beispiel sind alle I/O-Pins mit auf Dioden basierenden „Ventilen“ ausgestattet, um ĂŒberschĂŒssige 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 wĂ€hrend außergewöhnlicher UmstĂ€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 gewĂŒnschten Pin mit anderen Pins verbinden kann, um ĂŒberschĂŒssige Ladung abzuleiten. Der Chip verhĂ€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 FÀlle unterscheiden kann. Da all dies unabhÀngig 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 GrĂ¶ĂŸe normalerweise in vier Typen. Eine BerĂŒhrung des Chips durch den Menschen kann eine statische ESD-Entladung induzieren, die sich am besten durch das Human Body Model (HBM) emulieren lĂ€sst. Eine BerĂŒhrung durch eine Maschine lĂ€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 GerĂ€t, welches ein nicht an die Versorgungsspannung angeschlossenes GerĂ€t berĂŒhrt, induziert die aggressivste Ladungsflut, normalerweise als Standard IEC 61000-4-2 standardisiert.

 

Andere Standards, wie zum Beispiel das Human Machine Model (HMM), sind weniger populĂ€r. Hersteller qualifizieren ihre Produkte normalerweise nach einem dieser Standards, um, je nach Anwendung, eine Aussage ĂŒber die StĂ€rke des Schutzes gegenĂŒber 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 VerfĂŒgung stehen. AbhĂ€ngig von den anderen Anwendungen variieren diese ESD-Qualifizierungen je nach Chip.

 


Herausforderung fĂŒr ESD-Designer

ESD-Mechanismen auf dem Chip können wirksam sein. Doch die modernen Forderungen nach immer mehr ChipfunktionalitĂ€t erweitern die Grenzen des Chip-Designs. Dies verstĂ€rkt das Problem fĂŒr 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 GerĂ€t ist im Allgemeinen mit einem Warnhinweis auf dem Label, im Handbuch oder im Datenblatt versehen (Bild 4). Normalerweise wird ein solches GerĂ€t in einer ESD-Schutzverpackung, zum Beispiel leitfĂ€higer Schaumstoff, antistatische Röhren oder eine elektrostatisch leitfĂ€hige HĂŒlle, ausgeliefert. ESD-Warnhinweise auf der Verpackung weisen den Endverbraucher auf einen sorgfĂ€ltigen Umgang hin.

 

Ähnliche Vorsichtsmaßnahmen werden beim Chip-Test in der Industrie getroffen, wo spezielle antistatische AnzĂŒge und spezielle Testbenches zum Einsatz kommen. Am besten ist es, die benötigten Bauteile mit geerdeten Workstations zu inspizieren und manuelles Handling zu minimieren. FĂŒr 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 fĂŒr Konsumenten

Konsumenten ist der vorsichtige Umgang mit Boards oder GerĂ€ten zu raten. So ist es zum Beispiel ratsam, empfindliche Schaltungen nicht mit bloßen HĂ€nden zu berĂŒhren, um eine unbeabsichtigte BeschĂ€digung zu vermeiden. Normalerweise wird man antistatische AnzĂŒge 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 fĂŒr diese FĂ€lle 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 IntensitĂ€t. 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 fĂŒr eine Anwendung beim Endverbraucher bestimmt ist, sind solche Stromversorgungen fĂŒr einen zuverlĂ€ssigen 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 lĂ€sst 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 fĂŒhren.

 

FĂŒr den Endkonsumenten empfiehlt es sich stets, nicht an offensichtlich nicht funktionierenden GerĂ€tschaften herumzubasteln und den Service des Produkts besser speziell ausgebildeten Ingenieuren zu ĂŒberlassen. So lassen sich zusĂ€tzliche SchĂ€den, die durch unsachgemĂ€ĂŸes Anfassen des GerĂ€ts entstehen können, vermeiden. ZusĂ€tzliche externe Schutzmaßnahmen gegen Spannungsspitzen, etwa varaktor-basierte Stecker, arbeiten ebenfalls effizient, um die langfristige ZuverlĂ€ssigkeit zu erhöhen und ESD-SchĂ€den zu vermeiden. Falls bekannt ist, dass ein GerĂ€t gegenĂŒber Spannungsspikes empfindlich ist, ist es oft besser, vor dem Anschluss an die Stromversorgung einen externen Stabilisator einzusetzen.

 

 


 


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