大型鋼結(jié)構(gòu)建筑、汽車、山脈，甚至人類都能在真正的大氣閃電中幸存下來。人類還可以創(chuàng)造自己的微型閃電（火花）并生存。然而，當(dāng)這些火花到達(dá) IC 時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。在本教程中，我們將討論保護(hù)印刷電路板 (PCB) 免受 ESD 破壞的方法。我們將證明，具有較大幾何形狀的模擬部件適合用于保護(hù)具有較小幾何形狀的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)。通過采取這些措施，F(xiàn)PGA 中的 IC 保持更加可靠并提供一致的質(zhì)量性能。

無論是多大的設(shè)備，都必然會(huì)受到閃電、鋼鐵建筑、汽車、山脈甚至人的影響。在本應(yīng)用筆記中，我們將解釋保護(hù) IC 免受 ESD 破壞的機(jī)制。防止 IC 和電路板的 ESD 和 EOS 破壞是產(chǎn)品可靠性和性能的一個(gè)關(guān)鍵方面。

閃電可以是有趣的、有趣的，也可以是危險(xiǎn)的、具有破壞性的。也許所有這些事情都會(huì)同時(shí)發(fā)生——這取決于你在哪里、你在做什么以及你的身高。對(duì)于 IC 來說，閃電從來都不是好事。

幾年前，我們住在一棟 10 層鋼架酒店大樓里。午后的閃電風(fēng)暴席卷了一大片空地。由于建筑物的鋼框架，我們感到舒適安全。我們的電腦沒有插電，所以不用擔(dān)心。暴風(fēng)雨過后，這是一場(chǎng)持續(xù)約 10 分鐘的壯觀表演。

大型鋼結(jié)構(gòu)建筑、汽車、山脈，甚至人類都能在真正的大氣閃電中幸存下來。人類還可以創(chuàng)造自己的微型閃電（火花）并生存。然而，當(dāng)這些火花到達(dá) IC 時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。納米高的晶體管需要保護(hù)才能承受人類火花的影響。在本教程中，我們將討論保護(hù)印刷電路板 (PCB) 免受 ESD 破壞的方法。我們將證明，具有較大幾何形狀的模擬部件適合用于保護(hù)具有較小幾何形狀的現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA)。通過采取這些措施，F(xiàn)PGA 中的 IC 保持更加可靠并提供一致的質(zhì)量性能。

兩種視角的火花

人類產(chǎn)生的火花從何而來？它們是由摩擦電荷引起的。這是一個(gè)很大的詞。當(dāng)兩種材料接觸（摩擦有幫助）然后分離時(shí)就會(huì)發(fā)生這種情況。一些電子會(huì)轉(zhuǎn)移到其中一件物品上。有多少電子移動(dòng)以及移動(dòng)到哪個(gè)表面取決于材料的成分。這是一種常見現(xiàn)象，因?yàn)閹缀跛�有材料、絕緣體和導(dǎo)體都表現(xiàn)出摩擦電特性。我們熟悉許多常見的來源。撫摸貓的皮毛、在頭發(fā)上摩擦氣球以及走過地毯都可以表現(xiàn)出摩擦起電效應(yīng)。

難怪當(dāng)我們走過地毯并觸摸門把手時(shí)會(huì)感到疼痛！一般規(guī)則是，5,000 V 在 50% RH 空氣中可以跳動(dòng)約 1 厘米（0.4 英寸）。對(duì)于五六英尺高的人來說，這是一個(gè)火花；對(duì)于一個(gè)五六英尺高的人來說，這就是一個(gè)火花。這很痛苦，但我們活了下來。現(xiàn)在改變你的觀點(diǎn)。火花會(huì)對(duì)幾微英寸高的物體（例如集成電路（IC）中的晶體管）造成什么嚴(yán)重破壞？在這種情況下，一厘米的火花就是巨大的、令人恐懼的閃電。

現(xiàn)在，我們可以轉(zhuǎn)向 IC。微處理器長(zhǎng)期以來一直引領(lǐng)著數(shù)字半導(dǎo)體密度的提高。制造技術(shù)使得晶體管變得越來越小。1971 年，推出了 10 ?m 幾何尺寸的 Intel? 4004 計(jì)算機(jī)處理單元 (CPU)。在 20 世紀(jì) 80 年代和 90 年代，該工藝制造出的零件比細(xì)菌還小。2012 年，IC 的密度將比 1971 年技術(shù)小 1,000 倍，而且芯片上的功能比病毒還要小。2012 年，人們可以購(gòu)買具有 28 nm 特性和 68 億個(gè)晶體管的 FPGA，并且有望在未來幾年內(nèi)將密度增加一倍。小型晶體管緊密排列在一起，需要在低電壓（通常為 1 V 及以下）下運(yùn)行以控制產(chǎn)生的熱量。

為了正確理解 28 納米，請(qǐng)注意零：它是十億分之 28 米 (0.000000028)。假設(shè)舊金山和紐約市之間的距離為一米（約 4000 公里或 2500 英里）�，F(xiàn)在 28 納米（三千六百萬(wàn)分之一）是 0.11 米或 4.4 英寸。閃電需要有多大才能損壞如此小的幾何器件？如何保護(hù)如此必要且有用的 FPGA？

簡(jiǎn)單的答案是使用連接數(shù)字和模擬世界的 I/O 接口設(shè)備。模擬混合信號(hào) IC 采用相對(duì)較大的幾何形狀（比數(shù)字大 10 至 100 倍）和更高的電壓（通常為 20 V 至 80 V 或更高），這使得它們比微型數(shù)字晶體管更堅(jiān)固。盡管當(dāng)今的模擬混合信號(hào)器件通常能夠耐受 ESD，但它們確實(shí)受益于分立 ESD 器件。

了解火花造成的損壞

半導(dǎo)體制造商非常重視電氣過應(yīng)力 (EOS) 和靜電放電 (ESD)。首先，出于顯而易見的原因，EOS 和 ESD 可能會(huì)在制造、封裝組裝和測(cè)試過程中損壞部件。但更重要的是，這些負(fù)面力量直接影響客戶手中電路的質(zhì)量和使用壽命。

起初，電氣應(yīng)力過大的部件可能看起來功能正常。它甚至可能以稍微降級(jí)的方式運(yùn)行，但仍然通過自動(dòng)測(cè)試設(shè)備 (ATE) 的檢查，只是后來在現(xiàn)場(chǎng)失敗。EOS 和 ESD 故障是可以預(yù)防的，并且毫無疑問是關(guān)鍵的質(zhì)量控制問題。

在制造過程中構(gòu)建 IC 是容易發(fā)生 EOS 和 ESD 損壞的地方。圖 1A 顯示了 PCB 示意圖。我們可能會(huì)認(rèn)為IC是受到串聯(lián)電容的保護(hù)。不是這種情況。第二個(gè)損壞機(jī)會(huì)是當(dāng)客戶將 IC 安裝在 PCB 上以構(gòu)建產(chǎn)品時(shí)。仔細(xì)觀察圖 1B，我們發(fā)現(xiàn)電容器的工作電壓為 50 V，但兩個(gè)金屬端連接之間的距離僅為 0.28 英寸（7 毫米）。由于火花僅跳躍 0.4 英寸（1 厘米），因此電容器周圍的小間隙很容易受到損害。結(jié)果可能是 IC 付出了生命的代價(jià)（圖 1C）。，當(dāng)客戶在其環(huán)境中操作產(chǎn)品時(shí)，可能會(huì)發(fā)生 EOS 或 ESD 損壞。

當(dāng)然，有很多機(jī)會(huì)造成相當(dāng)大的損害。我們實(shí)際上可以看到 IC 內(nèi)部 EOS 和 ESD 破壞的結(jié)果。為此，必須去除封裝環(huán)氧樹脂材料。這通常是在雙層手套隔離箱中使用熱酸來完成的。這個(gè)過程非常危險(xiǎn)。這些煙霧是致命的。一口氣就會(huì)痛苦地死去；一滴酸落在人體皮膚上，輕則導(dǎo)致手或手臂截肢，重則導(dǎo)致死亡。

顯微照片圖 2A 顯示沒有明顯損壞。提供了標(biāo)有 REF 的鍵合線和焊盤，以便我們可以定位并比較照片。液晶材料涂在模具上（粉紅色），與心情環(huán)和兒童額頭溫度計(jì)中使用的液晶類似。它會(huì)隨著溫度的微小變化而改變顏色。當(dāng) IC 通電時(shí)，消耗過多電流的區(qū)域（此處用黃色框標(biāo)記）會(huì)發(fā)熱并改變顏色。這是一個(gè)熱點(diǎn)。這很有趣，但是是什么導(dǎo)致了這個(gè)問題呢？