بیژن بینایی GitHub
بیژن بینایی Rss

توهم ESD

نوشته شده توسط بیژن | در دسته الکترونیک, مهندسی برق | نوشته شده در ۲۴-۰۱-۱۳۹۷

۰

ESD یا Electrostatic Discharge پدیده ای هست که تو آیسی های CMOS رخ می ده و باعث سوختن IC می شه. بصورت دقیق تر با جمع شدن بار روی گیت ماسفت های آیسی و تخلیه ناگهانی اون بخاطر شکست دی الکتریک دی الکتریک دچار آسیب غیر قابل برگشت می شه. حالا این جرقه زدنه لزوما به معنای از بین رفتن قطعه نیس چون بیشتر اوقات انقدر نسبت ناحیه خرابی به طول کانال کم هست که خرابی تاثیری رو عملکرد قطعه نمی ذاره. امروزه اما با کوچیک و کوچیک تر شدن کانال مسیله ESD پررنگ تر شده چون کم کم طول کانال انقدر کوچیک شده که یه جرقه هم کافیه تا کل آیسی رو دود کنه. توی این پست نمی خوام به عنوان یه طراح IC بگم چه کارهایی لازمه انجام بشه بلکه به عنوان یه خریدار و استفاده کننده نهایی می خوایم ببینیم ESD چقدر مهم هست.

■ ESD چقدر جدی است؟

همونطور که گفتم بخاطر طول کانال کم توی تکنولوژی های امروزی، ESD خیلی جدی شده انقدر که دیگه تمام ICهای امروزی با مدار Protection داخلی ship می شن و بدون اون اصلا دووم نمی یارن. نکته دوم اینه که بخاطر کوچیک شدن feature size آیسی ها قیمت پیاده سازی Protection داخل چیپ هم خیلی پایین اومده و بخاطر همین واقعا باید دلیل قانع کننده ای (مثل فرکانس بالا یا NF) وجود داشته باشه که یه IC بدون هیچ protection داخلی ship بشه.

■ پس ESD مهم نیست؟

برای پاسخ به این سوال باید دید بدن انسان چطور مدل سازی می شه؟ بدن رو ملت عموما با یه خازن و مقاومت موازی بصورت شکل زیر مدل سازی می کنن. حالا وقتی شما با لباس پشمی راه می رید روی شما بار جمع می شه و بعد طبق فورمول Q=CV می تونید ولتاژی که روتون نشسته رو بدست بیارید. اما یه نکته جالب وجود داره. چون بدن شما علاوه بر خاصیت خازنی (که باعث جمع شدن بار روتون می شه) خاصیت مقاومتی هم داره (حدود یکی دو مگا اهم) اگه بعد جمع شدن بار یه ۷ ۸ ثانیه مثل آدم سرجاتون ثابت وایسید همه بار جمع شده از طریق مقاومت بدنتون دوباره به زمین تخلیه می شه. (بخاطر همین هم هست که اقلب وقتی تو حرکت هستید جرقه می زنید مثل دست زدن به بدنه ماشین بلافاصله پس از پیاده شدن و یا دست زدن به دستگیره در بلافاصله بعد از راه رفتن روی فرش).

حالا سوال اینه که IC ها که protection دارن. ما هم که هر چی بار رومون جمع شه تخلیه می شه “پس دیگه نیازی نیست مراقب ESD باشیم؟”. جواب اینه که بستگی داره. به چی؟دو مورد زیر.
۱. تو چه مرحله ای دارید با ESD سر و کله می زنید
۲. قطعه تون چی هست.

مراحل مختلف مواجه شدن با ESD

شکل زیر حالت هایی که ممکنه با استفاده از ESD قطعه آسیب ببینه رو آوردم. بطور کلی هر چی از تراشه بودن دور می شیم و به محصول نهایی نزدیک تر می شیم احتمال ESD کمتر می شه. چرا؟ چون اولا همونطور که گفتم بیشتر IC ها داخلشون ESD Protection هست (در صورتی که تو طول فرایند تراشه ممکنه هنوز protection ندشته باشه) دو اینکه هر چی به سمت راست تر می ریم خازن دستگاه بیشتر می شه. و هر چی خازن بیشتر بشه طبق Q = CV بار بیشتری نیاز هست تا به ولتاژ شکست برسسیم. حالا چرا خازن بیشتر می شه چون تو حالت محصول نهایی می یان با یه طراحی خوب کاری می کنن که تمام بار روی شاسی جمع بشه. تو حال حالت دیباگ هم شما وقتی دستتون می خوره به یه پایه ای خازن دیده شده دیگه فقط خازن اون تک آی سی نیست. بلکه می شه مجموع خازن قطعاتی که به اون پایه وصلن و خازن پارازیتیک trace ها و plane های روی PCB و حتی خازن های decoupling پاور که همه اینا باعث می شه باز هم احتمال ESD کم بشه. پس بصورت خلاصه یه PCB خیلی نیازی به مراقبت ESD نداره. تو فرایند مونتاژ باید حواسمون رو جمع کنیم و تو process خیلی زیاد باید مراقب این پدیده بود.

قطعه

علاوه بر مرحله قطعه ای هم که باهاش سر و کار دارید تعیین می کنه که چقدر باید انتظار ESD رو داشته باشید. اکثر قطعات بازار توی دیتاشیتشون rating ESD دارن. این rating توی دو فرمت عموما بیان می شه HBM و MM. مدل HBM یا Human Body Model یه ولتاژ بهتون می گه که یعنی تا اون ولتاژ اگه رو بدنتون بشینه و بعد مستقیم دست بزنید به IC قطعه نمی ترکه. مدل MM یا Machine Model هم عین همونه فقط این بار داره می گه اگه ماشین های مونتاژ تا چه ولتاژی روشون باشه اوکی هست. جفت این مدل سازی ها یکی هستن فقط صرفا خازن بدن با خازن ماشین متفاوت فرض شده و بخاطر همین rating های report شده متفاوت هست.
بصورت تجربی اگه ورج و وورجه خاصی نکنید احتمال اینکه ولتاژ بدنتون بیش از 1KV بشه خیلی کمه. پس اگه HBM قطعه تون بیش از 1KV بود خیلی نمی خواد نگران باشید و همینکه پارچه پشمی تنتون نباشه و با قطعه این ور و اون ور نرید کافیه.
اگه قطعتون rating اش 1KV بود دست بنده ESD ضروریه و میز، قطعه و ابزارایی که باهاش کار می کنید همه باید هم پتانسیل باشن. لزومی نیست که میز با برق شهر یا جایی هم پتانسیل باشه هم اینکه بدن شما و میز و ابزار ها هم پتانسیل باشن کافیه.
اگه احیانا قطعه ای داشتین مثل این MGA-71543 برادکام که کلاس 0 یا 500V بود گاوتون زاییده. تو اینجا حتما باید کف رو کفپوش ESD بزنید و حتما bag esd رو اول ۱۰ ثانیه بزارید رو میز و بعد بازش کنید. bag های esd یه شیلد فارادی هستن که بیرونشون به داخلشون با یه مقاومت حدود ۵ ۶ مگ وصله. وقتی شما bag رو می زارید رو میز فلزی آروم آروم این دوتا با هم همپتانسیل می شن و قطعه آماده مونتاژ می شه.

■ جمع بندی

ESD لولوخور خوره نامریی نیست که قطعاتتون رو بسوزونه و این روزا احتمال سوختن قطعه با ESD هم به صورت تجربی و هم به صورت تیوری(متن فوق) بهم اثبات شده کم هست. پس دفعه بعدی اگر پروژه ای زدین و احیانا مونتاژ کار گفت سره ESD قطعه سوخته می تونین یکم بیشتر تامل کنید و شاید مشکل اصلی رو پیدا کردین

■ نکات اضافی

۱. هر چی کلاس ESD بالاتر باشه یعنی ولتاژ آستانش بیشتره

۲. اگه یه قطعه ای ESD Rating نداشت عموما یعنی انقدر rating اش خوبه که نیازی دیده نشده اندازه گیری بشه. نمونه AD9361 و L3GD20H