大型鋼結構建筑，汽車，山脈，甚至人都可以在真實的大氣雷電中幸存。人類還可以創造自己的微型閃電（火花）并生存。但是，當這些火花到達IC時，會導致重大故障。在本教程中，我們將討論保護印刷電路板（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最適合用于以其較小的幾何形狀保護現場可編程門陣列（FPGA）。通過采取這些措施，FPGA中的IC保持了更高的可靠性，并提供了一致的質量性能。

不論身材高低的設備，勢必會受到閃電，鋼結構建筑，汽車，山脈甚至人員的影響。在本應用筆記中，我們將解釋保護IC免受ESD破壞的機制。保護IC和電路板免受ESD和EOS破壞是產品可靠性和性能的關鍵方面。

閃電可能既有趣又有趣，或者危險而具有破壞性。也許所有這些事情同時發生-它僅取決于您身在何處，正在做什么以及您的身高。對于IC而言，雷電永遠是不好的。

幾年前，我們住在一棟10層高的鋼結構酒店大樓中。午后的雷暴穿過一個廣闊的空地。由于建筑物的鋼制框架，我們感到舒適安全。沒有插入我們的計算機，因此無需擔心。隨著暴風雨過去，這是一場壯觀的表演，持續了大約10分鐘。
大型鋼結構建筑，汽車，山脈，甚至人都可以在真實的大氣雷電中幸存。人類還可以創造自己的微型閃電（火花）并生存。但是，當這些火花到達IC時，會導致嚴重的故障。納米級的晶體管需要保護，以使其即使在人的火花下也能幸免。在本教程中，我們將討論保護印刷電路板（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最適合用于以其較小的幾何形狀保護現場可編程門陣列（FPGA）。通過采取這些措施，FPGA中的IC保持了更高的可靠性，并提供了一致的質量性能。

來自兩個角度的

火花人為產生的火花從何而來？它們是由摩擦帶電引起的。這是一個大詞。當兩種材料接觸（摩擦幫助）然后分離時，就會發生這種情況。一些電子將轉移到其中之一。多少電子移動以及移動到哪個表面取決于材料的成分。這是一種常見現象，因為幾乎所有材料，絕緣體和導體都表現出摩擦電特性。我們熟悉許多常見的資源。撫摸貓的皮毛，在人的頭發上摩擦一個氣球，然后走過地毯，都可以表現出摩擦電效應。

難怪當我們走過地毯并觸摸門把手時，它會很痛！一般規則是，5,000 V可以在50％RH的空氣中跳躍約1厘米（0.4英寸）。對于身高五英尺或六英尺的人來說，這是火花。這很痛苦，但我們生存了。現在，改變您的看法。這種火花會給集成電路（IC）中的晶體管造成幾微英寸高的破壞嗎？在這種情況下，一厘米的火花是巨大的，令人恐懼的閃電顯示。

現在，我們來談談集成電路。微處理器長期以來一直在提高數字半導體的密度。制造技術導致晶體管越來越小。1971年，以10 μm幾何尺寸引入了英特爾?4004計算機處理單元（CPU）。在1980年代和1990年代，該過程使部件的體積小于細菌的體積。2012年，IC的密度要比1971年的技術小1,000倍，芯片上的功能也要比病毒小。在2012年，人們可以購買具有28 nm功能的FPGA和68億個晶體管的封裝，而且未來有望在未來幾年內將密度翻倍。小型晶體管緊密封裝在一起，需要在低電壓（通常為1 V及以下）下工作以控制產生的熱量。

要透視28 nm，請注意零：它是一米的28億分之一（0.000000028）。讓舊金山和紐約市之間的距離代表一米（約4000公里或2500英里）。現在28海里（3600萬個零件中的一個）是0.11米或4.4英寸。這么小的幾何尺寸的設備必須由多大的閃電才能損壞？如何保護這種必要且有用的FPGA？

簡單的答案是使用橋接數字和模擬世界的I / O接口設備。模擬混合信號IC的幾何尺寸相對較大（比數字集成電路大10至100倍），并且具有較高的電壓（通常為20 V至80 V或更高），這使其比微型數字晶體管更堅固。盡管當今的模擬混合信號設備通常可以承受ESD，但它們確實受益于分立的ESD設備。

了解Spark的損壞

半導體制造商非常重視電過載（EOS）和靜電放電（ESD）。首先，出于顯而易見的原因，EOS和ESD可能會在制造，封裝組裝和測試過程中損壞零件。但更重要的是，這些負力會直接影響客戶手中電路的質量和使用壽命。

最初，受到電應力過大的部分可能看起來正常工作。它甚至可能以稍微降級的方式運行，但仍然通過了自動測試設備（ATE）的檢查，只是后來在現場失敗了。EOS和ESD故障是可以預防的，并且無疑是關鍵的質量控制問題。
在制造中制造IC的地方最容易發生EOS和ESD損壞。圖1A顯示了PCB的示意圖。我們可能會認為IC受串聯電容器保護。不是這種情況。造成損壞的第二個機會是客戶將IC安裝在PCB上以制造產品。仔細觀察圖1B，我們可以看到電容器具有50 V的工作電壓，但是兩個金屬端部連接之間的距離僅為0.28英寸（7毫米）。由于火花剛跳了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。結果可能是IC付出了生命（圖1C）。最后，當客戶在其環境中操作產品時，可能會發生EOS或ESD損壞。

當然，存在很多造成巨大損失的機會。我們實際上可以看到IC內部EOS和ESD破壞的結果。為此，必須除去包裝的環氧材料。這通常是在雙手套隔離箱中用熱酸完成的。這個過程非常危險。煙霧是致命的。一口氣會導致痛苦的死亡。在人的皮膚上滴一滴酸最多只會導致手或手臂的截肢，甚至會導致最嚴重的死亡。

顯微照片圖2A顯示沒有明顯的損壞。提供了標有REF的鍵合線和焊盤，以便我們調整方向并比較照片。液晶材料被涂在模具上（粉紅色），類似于情緒環和兒童額頭溫度計中使用的液晶。隨著溫度的微小變化，顏色也會改變。給IC通電時，吸收過大電流的區域（這里用黃色框標記）會加熱并變色。

編輯：hfy