浅谈保护印刷电路板（PCB）免受ESD破坏的方法

大型钢结构建筑，汽车，山脉，甚至人都可以在真实的大气雷电中幸存。人类还可以创造自己的微型闪电（火花）并生存。但是，当这些火花到达IC时，会导致重大故障。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最适合用于以其较小的几何形状保护现场可编程门阵列（FPGA）。通过采取这些措施，FPGA中的IC保持了更高的可靠性，并提供了一致的质量性能。

不论身材高低的设备，势必会受到闪电，钢结构建筑，汽车，山脉甚至人员的影响。在本应用笔记中，我们将解释保护IC免受ESD破坏的机制。保护IC和电路板免受ESD和EOS破坏是产品可靠性和性能的关键方面。

闪电可能既有趣又有趣，或者危险而具有破坏性。也许所有这些事情同时发生-它仅取决于您身在何处，正在做什么以及您的身高。对于IC而言，雷电永远是不好的。

几年前，我们住在一栋10层高的钢结构酒店大楼中。午后的雷暴穿过一个广阔的空地。由于建筑物的钢制框架，我们感到舒适安全。没有插入我们的计算机，因此无需担心。随着暴风雨过去，这是一场壮观的表演，持续了大约10分钟。
大型钢结构建筑，汽车，山脉，甚至人都可以在真实的大气雷电中幸存。人类还可以创造自己的微型闪电（火花）并生存。但是，当这些火花到达IC时，会导致严重的故障。纳米级的晶体管需要保护，以使其即使在人的火花下也能幸免。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最适合用于以其较小的几何形状保护现场可编程门阵列（FPGA）。通过采取这些措施，FPGA中的IC保持了更高的可靠性，并提供了一致的质量性能。

来自两个角度的

火花人为产生的火花从何而来？它们是由摩擦带电引起的。这是一个大词。当两种材料接触（摩擦帮助）然后分离时，就会发生这种情况。一些电子将转移到其中之一。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资源。抚摸猫的皮毛，在人的头发上摩擦一个气球，然后走过地毯，都可以表现出摩擦电效应。

难怪当我们走过地毯并触摸门把手时，它会很痛！一般规则是，5,000 V可以在50％RH的空气中跳跃约1厘米（0.4英寸）。对于身高五英尺或六英尺的人来说，这是火花。这很痛苦，但我们生存了。现在，改变您的看法。这种火花会给集成电路（IC）中的晶体管造成几微英寸高的破坏吗？在这种情况下，一厘米的火花是巨大的，令人恐惧的闪电显示。

现在，我们来谈谈集成电路。微处理器长期以来一直在提高数字半导体的密度。制造技术导致晶体管越来越小。1971年，以10 µm几何尺寸引入了英特尔®4004计算机处理单元（CPU）。在1980年代和1990年代，该过程使部件的体积小于细菌的体积。2012年，IC的密度要比1971年的技术小1,000倍，芯片上的功能也要比病毒小。在2012年，人们可以购买具有28 nm功能的FPGA和68亿个晶体管的封装，而且未来有望在未来几年内将密度翻倍。小型晶体管紧密封装在一起，需要在低电压（通常为1 V及以下）下工作以控制产生的热量。

要透视28 nm，请注意零：它是一米的28亿分之一（0.000000028）。让旧金山和纽约市之间的距离代表一米（约4000公里或2500英里）。现在28海里（3600万个零件中的一个）是0.11米或4.4英寸。这么小的几何尺寸的设备必须由多大的闪电才能损坏？如何保护这种必要且有用的FPGA？

简单的答案是使用桥接数字和模拟世界的I / O接口设备。模拟混合信号IC的几何尺寸相对较大（比数字集成电路大10至100倍），并且具有较高的电压（通常为20 V至80 V或更高），这使其比微型数字晶体管更坚固。尽管当今的模拟混合信号设备通常可以承受ESD，但它们确实受益于分立的ESD设备。

了解Spark的损坏

半导体制造商非常重视电过载（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零件。但更重要的是，这些负力会直接影响客户手中电路的质量和使用寿命。

最初，受到电应力过大的部分可能看起来正常工作。它甚至可能以稍微降级的方式运行，但仍然通过了自动测试设备（ATE）的检查，只是后来在现场失败了。EOS和ESD故障是可以预防的，并且无疑是关键的质量控制问题。
在制造中制造IC的地方最容易发生EOS和ESD损坏。图1A显示了PCB的示意图。我们可能会认为IC受串联电容器保护。不是这种情况。造成损坏的第二个机会是客户将IC安装在PCB上以制造产品。仔细观察图1B，我们可以看到电容器具有50 V的工作电压，但是两个金属端部连接之间的距离仅为0.28英寸（7毫米）。由于火花刚跳了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（图1C）。最后，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，存在很多造成巨大损失的机会。我们实际上可以看到IC内部EOS和ESD破坏的结果。为此，必须除去包装的环氧材料。这通常是在双手套隔离箱中用热酸完成的。这个过程非常危险。烟雾是致命的。一口气会导致痛苦的死亡。在人的皮肤上滴一滴酸最多只会导致手或手臂的截肢，甚至会导致最严重的死亡。

显微照片图2A显示没有明显的损坏。提供了标有REF的键合线和焊盘，以便我们调整方向并比较照片。液晶材料被涂在模具上（粉红色），类似于情绪环和儿童额头温度计中使用的液晶。随着温度的微小变化，颜色也会改变。给IC通电时，吸收过大电流的区域（这里用黄色框标记）会加热并变色。

编辑：hfy