Эффективность многослойных керамических конденсаторов для защиты от электростатических разрядов

Простой метод борьбы с электростатическим разрядом можно реализовать путем установки многослойных керамических конденсаторов (MLCC) на контакты разъема ввода-вывода печатной платы, которые являются точкой входа электростатического разряда. Инженеры по ЭМС рекомендуют использовать MLCC 0603, размещаемые в непосредственной близости от каждого контакта разъема, что требует стратегии монтажа с низкой индуктивностью, связанной с дорожками и переходными отверстиями печатной платы. При выборе технологии поверхностного монтажа (SMT) MLCC для защиты контактов ввода-вывода от электростатического разряда инженеры указывают номинал конденсатора ESD, его номинальное напряжение постоянного тока и выбор технологии (X7R или C0G). MLCC, как устройство обхода или шунтирования ESD, используется для отвода тока ESD на землю. Устройства защиты от электростатического разряда должны обеспечивать снижение электростатического разряда и не должны проявлять деградацию, сохраняя при этом устойчивость к электростатическому разряду на протяжении всего срока службы продукта. Тем не менее, исследование малогабаритных MLCC 0603 после электростатического разряда выявило серьезные структурные повреждения, электрически проявляющиеся в резком изменении характеристик импеданса. Это серьезное отличие от конденсатора до ESD, что приводит к чрезмерной утечке на низких частотах и ​​функциональным нарушениям.

Электростатический разряд (ESD) является одной из наиболее важных проблем надежности в индустрии электронных схем. Обычно в отрасли производства интегральных схем (ИС) от одной трети до половины всех отказов на местах (возвратов клиентов) происходят из-за электростатического разряда. Поскольку повреждения от электростатического разряда стали более распространенными в новых технологиях из-за более высокой восприимчивости более мелких компонентов схемы, произошло соответствующее увеличение усилий по пониманию отказов от электростатического разряда посредством моделирования и анализа. Производители интегральных схем предоставляют информацию об испытаниях на электростатический разряд. Однако данные ESD по стандартам уровня IC (модель человеческого тела (HBM), модель заряженного устройства (CDM), модель машины (MM) и тестирование привязки к системе) часто сбивают с толку.

Проектирование надежных схем ESD остается сложной задачей, поскольку механизмы отказа ESD становятся все более острыми, поскольку критические размеры схем продолжают уменьшаться. Разработчики печатных плат также ограничены возможностью проектировать сильно перегруженные печатные платы и соответствовать требованиям ESD. HBM дает подробную информацию о поведении устройства во время электростатического разряда [1,2].

Событие ЭСР — это передача энергии между двумя телами с разными электростатическими потенциалами либо посредством контакта, либо посредством ионизированного окружающего разряда (искры). Эта передача была смоделирована в различных стандартных моделях схем для проверки соответствия целевых устройств устройств. В моделях обычно используется конденсатор, заряженный до заданного напряжения, а затем какой-либо токоограничивающий резистор (или состояние окружающего воздуха) для передачи импульса энергии к цели.

Чтобы выдержать испытания на электростатическое разряд на уровне модуля, на печатных платах были реализованы и исследованы различные методы и приемы. Одним из эффективных методов является добавление дискретных компонентов или фильтров шумовой развязки в сложные интегральные схемы на базе КМОП для развязки, обхода или поглощения электрического переходного напряжения (энергии) в ходе испытания на электростатическое разряд на системном уровне [3]. Для улучшения стресс-тестов ESD на уровне системы можно использовать различные типы сетей шумовых фильтров, включая конденсаторные фильтры, ферритовые шарики, подавители переходных напряжений (TVS), металлооксидные варисторы (MOV) и LC-фильтр 2-го порядка или π-секцию 3-го порядка. фильтры.

Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) используются в качестве механизма обхода электростатического разряда на выводах разъемов электронных модулей управления. Автомобильный модуль управления может потребовать использования одного разъема высокой плотности с плотностью контактов более 200. В типичном приложении разъем может представлять разработчику матрицу 4 x 50 (4 ряда по 50 контактов в каждом ряду). ) в плотно перегруженной недвижимости на печатных платах. Чтобы обеспечить защиту от электростатического разряда для каждого контакта ввода-вывода на разъеме сильно перегруженной печатной платы, инженеры-конструкторы рекомендуют использовать конденсаторы MLC типа 0603. В большинстве случаев конденсаторы MLC, используемые для защиты от электростатического разряда, рассчитаны на уровень нагрузки 100 В. Однако характеристики MLCC после ЭСР часто игнорируются или неправильно понимаются. В действительности, MLCC, подвергшиеся воздействию электростатического разряда, демонстрируют резкий сдвиг характеристического поведения импеданса. Тщательное обследование MLCC выявляет необратимые структурные повреждения, приводящие к чрезмерной утечке на низких частотах. Поведение MLCC после электростатического разряда приводит к функциональному отклонению модуля управления, и использование продукта по назначению становится принципиально небезопасным. Предполагается, что низкопрофильные конденсаторы 0603 не следует использовать для защиты от электростатического разряда, как сообщается в этом документе. Альтернативные решения могут быть реализованы путем использования низкопрофильных ограничителей переходного напряжения (TVS) или быстрых металлооксидных варисторов (MOV). Однако MLCC типа 0805 с высокой емкостью (> 47 нФ) представляют собой хорошее решение и безопасны для использования в качестве обходного элемента ESD.