ESD 保护设计注意事项

大型钢结构建筑、汽车、山脉，甚至人类都能在真正的大气闪电中幸存下来。人类还可以创造自己的微型闪电（火花）并生存。然而，当这些火花到达 IC 时，就会出现严重的问题。在本教程中，我们将讨论保护印刷电路板 (PCB) 免受 ESD 破坏的方法。我们将证明，具有较大几何形状的模拟部件适合用于保护具有较小几何形状的现场可编程门阵列 (FPGA)。通过采取这些措施，FPGA 中的 IC 保持更加可靠并提供一致的质量性能。

无论是多大的设备，都必然会受到闪电、钢铁建筑、汽车、山脉甚至人的影响。在本应用笔记中，我们将解释保护 IC 免受 ESD 破坏的机制。防止 IC 和电路板的 ESD 和 EOS 破坏是产品可靠性和性能的一个关键方面。

闪电可以是有趣的、有趣的，也可以是危险的、具有破坏性的。也许所有这些事情都会同时发生——这取决于你在哪里、你在做什么以及你的身高。对于 IC 来说，闪电从来都不是好事。

几年前，我们住在一栋 10 层钢架酒店大楼里。午后的闪电风暴席卷了一大片空地。由于建筑物的钢框架，我们感到舒适安全。我们的电脑没有插电，所以不用担心。暴风雨过后，这是一场持续约 10 分钟的壮观表演。

大型钢结构建筑、汽车、山脉，甚至人类都能在真正的大气闪电中幸存下来。人类还可以创造自己的微型闪电（火花）并生存。然而，当这些火花到达 IC 时，就会出现严重的问题。纳米高的晶体管需要保护才能承受人类火花的影响。在本教程中，我们将讨论保护印刷电路板 (PCB) 免受 ESD 破坏的方法。我们将证明，具有较大几何形状的模拟部件适合用于保护具有较小几何形状的现场可编程门阵列 (FPGA)。通过采取这些措施，FPGA 中的 IC 保持更加可靠并提供一致的质量性能。

两种视角的火花

人类产生的火花从何而来？它们是由摩擦电荷引起的。这是一个很大的词。当两种材料接触（摩擦有帮助）然后分离时就会发生这种情况。一些电子会转移到其中一件物品上。有多少电子移动以及移动到哪个表面取决于材料的成分。这是一种常见现象，因为几乎所有材料、绝缘体和导体都表现出摩擦电特性。我们熟悉许多常见的来源。抚摸猫的皮毛、在头发上摩擦气球以及走过地毯都可以表现出摩擦起电效应。

难怪当我们走过地毯并触摸门把手时会感到疼痛！一般规则是，5,000 V 在 50% RH 空气中可以跳动约 1 厘米（0.4 英寸）。对于五六英尺高的人来说，这是一个火花；对于一个五六英尺高的人来说，这就是一个火花。这很痛苦，但我们活了下来。现在改变你的观点。火花会对几微英寸高的物体（例如集成电路（IC）中的晶体管）造成什么严重破坏？在这种情况下，一厘米的火花就是巨大的、令人恐惧的闪电。

现在，我们可以转向 IC。微处理器长期以来一直引领着数字半导体密度的提高。制造技术使得晶体管变得越来越小。1971 年，推出了 10 ?m 几何尺寸的 Intel? 4004 计算机处理单元 (CPU)。在 20 世纪 80 年代和 90 年代，该工艺制造出的零件比细菌还小。2012 年，IC 的密度将比 1971 年技术小 1,000 倍，而且芯片上的功能比病毒还要小。2012 年，人们可以购买具有 28 nm 特性和 68 亿个晶体管的 FPGA，并且有望在未来几年内将密度增加一倍。小型晶体管紧密排列在一起，需要在低电压（通常为 1 V 及以下）下运行以控制产生的热量。

为了正确理解 28 纳米，请注意零：它是十亿分之 28 米 (0.000000028)。假设旧金山和纽约市之间的距离为一米（约 4000 公里或 2500 英里）。现在 28 纳米（三千六百万分之一）是 0.11 米或 4.4 英寸。闪电需要有多大才能损坏如此小的几何器件？如何保护如此必要且有用的 FPGA？

简单的答案是使用连接数字和模拟世界的 I/O 接口设备。模拟混合信号 IC 采用相对较大的几何形状（比数字大 10 至 100 倍）和更高的电压（通常为 20 V 至 80 V 或更高），这使得它们比微型数字晶体管更坚固。尽管当今的模拟混合信号器件通常能够耐受 ESD，但它们确实受益于分立 ESD 器件。

了解火花造成的损坏

半导体制造商非常重视电气过应力 (EOS) 和静电放电 (ESD)。首先，出于显而易见的原因，EOS 和 ESD 可能会在制造、封装组装和测试过程中损坏部件。但更重要的是，这些负面力量直接影响客户手中电路的质量和使用寿命。

起初，电气应力过大的部件可能看起来功能正常。它甚至可能以稍微降级的方式运行，但仍然通过自动测试设备 (ATE) 的检查，只是后来在现场失败。EOS 和 ESD 故障是可以预防的，并且毫无疑问是关键的质量控制问题。

在制造过程中构建 IC 是容易发生 EOS 和 ESD 损坏的地方。图 1A 显示了 PCB 示意图。我们可能会认为IC是受到串联电容的保护。不是这种情况。第二个损坏机会是当客户将 IC 安装在 PCB 上以构建产品时。仔细观察图 1B，我们发现电容器的工作电压为 50 V，但两个金属端连接之间的距离仅为 0.28 英寸（7 毫米）。由于火花仅跳跃 0.4 英寸（1 厘米），因此电容器周围的小间隙很容易受到损害。结果可能是 IC 付出了生命的代价（图 1C）。，当客户在其环境中操作产品时，可能会发生 EOS 或 ESD 损坏。

当然，有很多机会造成相当大的损害。我们实际上可以看到 IC 内部 EOS 和 ESD 破坏的结果。为此，必须去除封装环氧树脂材料。这通常是在双层手套隔离箱中使用热酸来完成的。这个过程非常危险。这些烟雾是致命的。一口气就会痛苦地死去；一滴酸落在人体皮肤上，轻则导致手或手臂截肢，重则导致死亡。

显微照片图 2A 显示没有明显损坏。提供了标有 REF 的键合线和焊盘，以便我们可以定位并比较照片。液晶材料涂在模具上（粉红色），与心情环和儿童额头温度计中使用的液晶类似。它会随着温度的微小变化而改变颜色。当 IC 通电时，消耗过多电流的区域（此处用黄色框标记）会发热并改变颜色。这是一个热点。这很有趣，但是是什么导致了这个问题呢？