Esd защита что это

Что такое ESD

Мы все хорошо знакомы с электростатическим разрядом ESD (electrostatic discharge). Электростатический разряд иногда доставляет нам лишь неприятные ощущения, но для современных полупроводниковых приборов и компонентов несет смертельную опасность. Современный уровень развития микроэлектроники достиг невероятной плотности активных элементов в кристалле. Так, процессоры могут содержать сотни миллионов транзисторов.

При такой высокой степени интеграции современные компоненты и электронные устройства становятся очень чувствительными к электростатическим разрядам. Как признано ведущими производителями микроэлектроники, ежегодно теряются миллионы долларов из-за недостаточного соблюдения мер предосторожности от воздействия статического электричества. Известен факт, что после внедрения на производстве программы ESD-контроля, ведущие производители телекоммуникационного оборудования снизили потери от брака в два раза!
К сожалению, приходится отметить, что многие отечественные производители микроэлектронных устройств, сервисные службы по обслуживанию телекоммуникационных систем и т. д. не применяют мер защиты от ESD в процессе работы. На первый взгляд кажется, что при прикосновении к электронной плате ничего не происходит, но разряд от руки человека может представлять смертельную опасность для микросхемы.

Человек, идущий по ковру, способен генерировать на теле 15 000 В! При этом разряда, который возникает при напряжении менее 3000 В, человек вообще не ощущает. Для некоторых современных микросхем потенциал в 30 В является смертельным.

Часто повреждение материалов, обусловленных электростатическим разрядом, не приводит к мгновенному выходу из строя электронного устройства, но, по истечении некоторого времени, устройство неожиданно выходит из строя. Это говорит о том, что в результате разряда могло произойти частичное разрушение тончайших элементов микросхемы. Вероятность ее выхода из строя в ближайшем будущем резко возрастает. Все это приводит к дополнительным материальным затратам на устранение неисправности, браку, гарантийному ремонту и, в конечном итоге, непременно скажется на торговой марке производителя.

Что же представляет собой современное производство, оборудованное средствами ESD-защиты?
Это современное оборудование, технологии, материалы, комплектующие и, без сомнения, соблюдение мер по защите от электростатических разрядов на протяжении всего производственного цикла — от доставки комплектующих до отправки готовых изделий. Нарушение цепочки в каком-либо месте делает бессмысленным все затраты на обеспечение ESD-защиты.

© 2010—2021, Группа компаний Диполь. Viking, VKG Tools

Источник

Мы все хорошо знакомы с электростатическим разрядом ESD (electrostatic discharge). Электростатический разряд иногда доставляет нам неприятные ощущения, но несет смертельную опасность для современных полупроводниковых приборов и компонентов. Современный уровень развития микроэлектроники до­стиг невероятной плотности активных элементов в кристалле. Так, современные процессоры Intel® Pentium® содержат более 200 000 000 транзисторов.
При такой высокой степени интеграции современные компоненты и электронные устройства становятся очень чувствительными к электростатическим разрядам. Как признано ведущими производителями микроэлектроники, ежегодно теряются миллионы долларов из-за недостаточного соблюдения мер предосторожности от воздействия статического электричества. Известен факт, что после внедрения на производстве программы по ESD-защите и контролю, ведущие производители телекоммуникационного оборудования снизили потери от брака в два раза! К сожалению, приходится отметить, что многие отечественные производители микроэлектронных устройств, сервисные службы по обслуживанию телекоммуникационных систем и т. д. не применяют мер защиты от ESD в процессе работы. На первый взгляд кажется, что при прикосновении к электронной плате ничего не происходит, но рука человека может представлять смертельную опасность для микросхемы.

Человек, идущий по ковру, способен генерировать на теле 15 000 В!

При этом разряда, который возникает при напряжении менее 3500 В, человек вообще не ощущает. Для современных микросхем потенциал в 30 В является смертельным.
Часто пробой тока разряда не приводит к мгновенному выходу из строя электронного устройства, но по истечении некоторого времени устройство неожиданно выходит из строя. Это говорит о том, что в результате разряда произошло частичное разрушение тончайшего проводника в микросхеме. Вероятность ее выхода из строя в ближайшем будущем резко возрастает. Все это приводит к дополнительным материальным затратам на устранение неисправности, брака, гарантийный ремонт и, в конечном итоге, непременно скажется на товарной марке производителя.

Что же представляет собой современное производство, оборудованное средствами ESD защиты?
Это современное оборудование, технологии, материалы, комплектующие и, без сомнения, соблюдение мер по антистатической защите на протяжении всего производственного цикла от доставки комплектующих до отправки готовых изделий. Нарушение цепочки в каком-либо месте делает бессмысленным все затраты на обеспечение ESD защиты.

Не экономьте на качестве!

Схема типовой рабочей зоны, защищенной от статического электричества.

СРЕДСТВО ЗАЩИТЫ НАЗЫВАЕТСЯ АНТИСТАТИЧЕСКИМ (ESD-APPROVED), ЕСЛИ ОНО ЗАЩИЩАЕТ ОТ:

Внутри защищенной зоны не должно быть разностей потенциалов более 100 В/см.

Согласно стандарту IEC60417 черным треугольником с желтой перечеркнутой кистью руки обозначаются объекты, чувствительные к воздействию разряда статического электричества. Этот же символ используется в качестве предупреждающего знака на табличках и наклейках, имеющих желтое поле с черной линией по периметру и текстовую надпись, а также на маркерах границ зон антистатики (скотче и вывесках). Черным треугольником с неперечеркнутой рукой, заключенным тонкой линией сверху в полукруг, маркируются средства защиты от воздействия разрядов статического электричества (например, упаковочные пакеты).

Источник

ESD-защита от электростатического разряда

ESD – ElectroStatic Discharge (электростатический разряд) – аббревиатура, повсеместно применяемая при описании технологий, материалов или инструментов, использующихся на предприятиях или производствах, оборудованных средствами защиты от электростатического разряда.

Вероятно, все мы знакомы с электрическим разрядом, который доставляет неприятные ощущения. Но для современной микроэлектроники электрический разряд представляет огромную опасность, выводя из строя полупроводниковые приборы и компоненты. Статическое электричество — невидимый «киллер» микроэлектроники, наносящий ощутимые убытки при недооценке его силы. В прессе мелькали сообщения, что производители микроэлектроники теряют миллионы долларов из-за пренебрежения к мерам предосторожности от воздействия статического электричества. Известен факт, что после внедрения на производстве комплекса программ по ESD-защите, ведущие производители телекоммуникационного оборудования снизили потери от брака в два раза!

Несмотря на то, что электростатический разряд является переносчиком небольшого количества энергии, большая разность потенциалов и высокая скорость их изменения влекут образование токов, достаточных для мгновенного выхода из строя чувствительной электроники или нанесения кристаллу изначально незаметных повреждений. Следствием таких повреждений является деградация параметров — постепенный отказ, крайне сложный для локализации. Итог — финансовые потери, порой сопровождающиеся потерей репутации. Для превентивного решения проблем имеет смысл оснастить рабочее место средствами антистатической защиты.

Увы, многие мастера-ремонтники в сервисных службах не применяют меры по защите от электростатического заряда. На первый взгляд кажется, что при прикосновении к электронной плате ничего не происходит, но простое прикосновение рукой к микросхеме может представлять смертельную опас­ность для детали. Человек, идущий по ковру, способен генерировать на теле 15 000 В! При этом разряда, который возникает при напряжении менее 3500 В, человек вообще не ощущает. Для современных микросхем потенциал в 30 В является смертельным.

Часто пробой тока разряда не приводит к мгновенному выходу из строя электронного устройства, но по истечении некоторого времени устройство неожидан­но выходит из строя. Это говорит о том, что в результате разряда произошло частичное разрушение тончайшего проводника в микросхеме. Вероятность ее выхода из строя в ближайшем будущем резко возрастает. Все это приводит к дополнительным материальным затратам на устранение неисправности, брака, гарантийный ремонт.

Источник

ESD-сборки общего применения Littelfuse для защиты низковольтных цепей

Современная электроника способна выдерживать воздействие мощных помех и статических разрядов, однако для этого необходимо предусмотреть соответствующие механизмы защиты. Если говорить о защите от статики, то достичь требуемого уровня надежности реально с помощью простейших TVS-диодов и сборок. Компания Littelfuse предлагает широкий выбор защитных компонентов для самых различных областей, в частности — для низковольтных приложений.

Стоит ли защищать электронику от разрядов и мощных помех? Элементы защиты не расширяют функционал, не дают пользователю каких-то новых функций. Более того, дополнительные компоненты – это дополнительное повышение цены конечного устройства. Не смотря на все это, любой профессиональный разработчик ответит, что электронику защищать нужно в обязательном порядке. Однако, методы защиты зависят от конкретного приложения.

Чтобы защитить светодиодный фонарь от ударов молний, потребуются мощные разрядники или варисторы. Для портативной и бытовой электроники зачастую будет достаточно обеспечить устойчивость к статическим разрядам с помощью TVS-диодов или TVS-сборок (ESD-сборок). Это именно те компоненты, которые позволяют создать базовый уровень защиты.

Класс TVS-диодов и ESD-сборок не однороден, в нем есть свои специализированные группы. Например, компания Littelfuse делит свои сборки на три группы:

ESD-сборки для низкоскоростных интерфейсов от Littelfuse относятся к первой группе. В настоящее время она включает почти три десятка серий с различными характеристиками для различных приложений.

Отличительными чертами этой группы являются высокая мощность и значительная емкость. Высокая емкость делает их непригодными для защиты высокоскоростных интерфейсов. С другой стороны, для некоторых низковольтных приложений это скорее достоинство, так как емкость сборки представляет собой дополнительный фильтр, сглаживающий импульсы воздействующих помех.

В большинстве случаев ESD-сборки производства компании Littelfuse – это миниатюрные компоненты с бюджетной стоимостью, которые обеспечивают надежную защиту сигнальных линий и линий питания.

Говоря «надежная защита», мы имеем в виду соответствие требованиям нормативных документов, о которых стоит сказать отдельно.

Обзор нормативных документов в области устойчивости к статическим разрядам

Уровень защиты устройств подтверждается при тестировании на соответствие нормативным документам. Среди производителей электронных компонентов наиболее часто применяется MIL-STD-883 и его метод проверки с использованием модели человеческого тела HBM (Human Body Model). Этот документ устанавливает четыре основных уровня устойчивости компонентов к статическим разрядам (±0,5 кВ/0,33 А; ±1 кВ/0,67 А; ±2 кВ/1,33 А; ±4 кВ/2,67 А).

Производители электронного оборудования чаще используют другой стандарт – МЭК 61000-4-2 (в России адаптирован в виде ГОСТ Р 51317.4.2 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электростатическим разрядам. Требования и методы испытаний»). Он определяет требования не к отдельным компонентам, а к системе в целом, и использует гораздо более жесткие тестовые воздействия. При исследовании устойчивости к контактному разряду применяются импульсы: ±2 кВ/7,5 А; ±4 кВ/15 А; ±6 кВ/22,5 А; ±8 кВ/30 А. При исследовании воздушного разряда применяются импульсы ±2 кВ, ±4 кВ, ±8 кВ, ±15 кВ. Стандарт допускает использование и более высоких напряжений испытательных импульсов.

Очевидно, что выдерживать такие импульсы под силу далеко не всем электронным компонентам.

Во многих случаях выполнение требований МЭК 61000-4-2 требует наличия дополнительной внешней защиты. Очень часто для этого будет достаточно использования обычных TVS-диодов или ESD-сборок.

Обзор семейств ESD-сборок Littelfuse для низковольтных цепей

Группа ESD-сборок Littelfuse для низкоскоростных интерфейсов включает в себя около трех десятков серий (таблица 1). Они разработаны для использования в различных приложениях, поэтому их характеристики достаточно сильно отличаются:

Таблица 1. Серии ESD-сборок Littelfuse для низкоскоростных интерфейсов

Рассмотрение особенностей каждой из серий потребует значительного времени, по этой причине уделим внимание только наиболее популярным и доступным ESD-сборкам Littelfuse.

Особенности популярных серий ESD-сборок Littelfuse для низковольтных цепей

Рис. 1. Внешний вид и конфигурация ESD-
сборок серии SDxxC

Серия SDxxC – группа двунаправленных ESD-сборок в миниатюрном корпусе SOD323 (рисунок 1). Несмотря на малые габариты, мощность этих компонентов составляет солидные 450 Вт.

Серия включает в себя пять представителей с различными рабочими напряжениями: 5/12/15/24/36 В (таблица 2). Это позволяет использовать их для защиты самых различных приложений: цифровых входов/выходов, аналоговых линий, низкоскоростных интерфейсов. При этом стоит отметить, что эти сборки обеспечивают рейтинг защиты от контактного разряда выше, чем требует МЭК 61000-4-2 при самом жестком воздействии.

Таблица 2. Характеристики ESD-сборок серии SDxxC

Серия SP05xx объединяет в себе многоканальные ESD-сборки с рабочим напряжением 5,5 В. Все представители данной серии имеют одинаковую конфигурацию с общим анодом, а корпусное исполнение зависит от числа каналов: двухканальные SC70-3 и SOT23-3, трехканальные SOT143-4, четырехканальные SC70-5 и SOT23-5, пятиканальные SC70-6 и SOT23-6, шестиканальные MSOP-8 (рисунок 2, таблица 3).

Рис. 2. Внешний вид и конфигурация ESD-сборок серии SP05xx

Таблица 3. Характеристики ESD-сборок серии SP05xx

Рис. 3. Внешний вид и конфигурация ESD-
сборок для защиты CAN-шины SM24CANAи
SM24CANB

Низкое рабочее напряжение 5,5 В, наличие большого количества каналов, низкая емкость (30 пФ) делают эти сборки универсальным инструментом для защиты цифровых линий и низкоскоростных интерфейсов.

Сборки SM24CANA-02HTG и SM24CANB-02HTG – это специализированные решения для защиты CAN-трансиверов, в том числе – в автомобильных приложениях. Для защиты одного приемопередатчика требуется только одна сборка, так как она в одном корпусе объединяет два двунаправленных TVS-диода (рисунок 3).

Несмотря на миниатюрное корпусное исполнение (SOT23-3), SM24CANA-02HTG и SM24CANB-02HTG отличаются высокими защитными свойствами (таблица 4). SM24CANA-02HTG имеет мощность 200 Вт и выдерживает тестовые импульсы напряжением до ±24 кВ. У SM24CANB-02HTG характеристики еще лучше: мощность до 500 Вт и рейтинг напряжения при контактном разряде ±30 кВ.

Таблица 4. Характеристики ESD-сборок серии SP05xx

Серия SP1001xx – многоканальные ESD-сборки с рабочим напряжением 5,5 В. Важным достоинством представителей данной серии является низкая емкость – всего 8 пФ. Это делает их идеальным выбором для защиты низкоскоростных низковольтных интерфейсов, например RS-485.

В настоящее время серия SP1001xx объединяет в себе сборки с различным числом каналов и корпусным исполнением (рисунок 4, таблица 5): двухканальные SC70-3 и SOT553, четырехканальные SC70-5 и SOT553, пятиканальные SC70-6, SOT563 и SOT963.

Рис. 4. Внешний вид и конфигурация ESD-сборок серии SP1001xx

Таблица 5. Характеристики ESD-сборок серии SP1001xx

Особенности применения серий ESD-сборок Littelfuse для низковольтных цепей

ESD-сборки производства компании Littelfuse можно разделить на три группы: сборки для низковольтных цепей, высокоскоростных интерфейсов и сборки повышенной мощности для защиты интерфейсов, применяемых на открытом воздухе.

Представители каждой из групп разрабатывались с учетом требований той или иной области приложений. Например, высокоскоростные интерфейсы не допускают использование защитных TVS-диодов и сборок с высокой собственной емкостью, которая бы искажала форму сигналов. Группе ESD-сборок для низковольтных цепей в ряде случаев высокая емкость может приносить пользу, выступая как дополнительный фильтр.

В общем случае приложениями для ESD-сборок для низковольтных цепей становятся:

Общие рекомендации по применению представлены в таблице 6.

Таблица 6. Рекомендации Littelfuse по применению ESD-сборок для низковольтных цепей

Рассмотрим в качестве примера организацию защиты наиболее популярных интерфейсов и приложений.

Организация защиты интерфейса RS-232

Этот интерфейс является достаточно гибким и может быть реализован различными способами. В классическом полном варианте он представляет собой шестипроводную шину с частотой передачи данных до 20 кбайт/с и биполярным уровнем сигналов с диапазоном до ±24 В. Однако в большинстве случаев используются уровни сигналов ±12 В. Существуют также и однополярные реализации с напряжениями 0…3,3 и 0…5 В.

В зависимости от уровней сигналов конкретной реализации выбираются и защитные диоды или сборки.

Если для RS-232 используются биполярные сигналы, то идеальным способом защиты станут двунаправленные ESD-сборки серии SDxxC. К примеру, если уровень сигналов составляет ±24 В, то стоит остановить свой выбор на SD24C-01FTG. Если используются сигналы ±12 В, то логично применять SD12C-01FTG (рисунок 5).

При однополярной реализации RS-232 удобно для защиты использовать многоканальные сборки SP05xx. Например, для шестипроводной шины потребуется три SP0502BAHTG (рисунок 5).

Рис. 5. Использование ESD-сборки SP0502BAHTG для защиты RS-232

Организация защиты интерфейса LIN

Рис. 6. Использование SD24C-01FT G для защиты устройства, подключенного к LIN-шине

Интерфейс LIN (Local Interconnect Network) изначально разрабатывался для создания дешевого и простого способа обмена данными между интеллектуальными блоками автомобиля. LIN до сих пор широко распространен, несмотря на наличие таких более скоростных шин, как CAN.

C физической точки зрения LIN представляет собой однопроводную сеть с одним мастером и несколькими ведомыми устройствами. Уровень сигналов LIN определяется напряжением бортовой сети автомобиля. То есть штатное пиковое значение для легковой машины будет лежать в диапазоне 9…15 В.

Таким образом, для защиты устройства, подключенного к шине LIN, будет достаточно одного мощного TVS-диода или сборки. В данном случае идеальным решением будет выбор компактной двунаправленной сборки SD24C-01FTG (рисунок 6).

Организация защиты устройств, подключенных к шине CAN

Изначально сетевой протокол CAN разрабатывался для использования в автомобильных приложениях. Однако он оказался столь удачным, что сейчас применяется и в промышленности, и в военной сфере, и в приборостроении.

Чаще всего CAN реализуется в виде двухпроводной шины, к которой подключаются узлы сети. Уровень сигналов может быть различным, но обычно используют диапазон 0…5 В с защитой от выбросов более 24 В.

Для защиты устройств, подключенных к шине CAN, можно использовать специализированные ESD-сборки, такие как SM24CANA-02HTG или SM24CANB-02HTG. При этом получается весьма малогабаритное решение, так как обе сборки объединяют в одном корпусе по два двунаправленных TVS-диода (рисунок 7). Рабочее напряжение для SM24CANA-02HTG и SM24CANB-02HTG составляет 24 В.

Защита может быть организована и с помощью пары более мощных одноканальных TVS-диодов, например SD36C-01FTG (рисунок 7).

Рис. 7. Использование SD36C-01FT G для защиты устройства, подключенного к CAN-шине

Организация защиты устройств, подключенных к шине RS-485/422

Рис. 8. Использование SP1001-02JTG для защиты устройства, подключенного к шине RS-485

Интерфейс RS-485 является одним из наиболее популярных из-за простоты реализации. Он применяется в самых различных областях электроники. Для создания такого канала потребуется всего лишь приемопередатчик и один UART, который присутствует в составе практически любого контроллера.

Наиболее часто RS-485/422 реализуется в виде дифференциальной двухпроводной шины, к которой подключаются приемопередатчики. Для полнодуплексной передачи необходима четырехпроводная шина (два дифференциальных канала).

Для передачи данных, как правило, используются сигналы с диапазоном 0…6 В, но большинство приемопередатчиков имеет встроенную защиту от напряжений +7/-12 В или даже выше.

Для дополнительной защиты приемопередатчика с однополярным питанием от статических разрядов можно использовать многоканальные ESD-сборки SP1001. Например, для защиты стандартной полудуплексной шины подойдет двухканальная сборка SP1001-02JTG в миниатюрном корпусе SC70 (рисунок 8).

Организация защиты SIM-контроллера

Интерфейс с SIM-контроллером организуется с помощью трех сигнальных линий. При этом используется стандартный логический уровень сигналов.

Для создания наиболее компактного и бюджетного решения следует использовать многоканальные сборки. В данном случае удобны в применении SP1001-04JTG или SP0503BAHTG (рисунок 9).

Защита клавиатуры и кнопок

Опрос кнопок происходит с помощью портов ввода-вывода контроллера, поэтому уровень используемых сигналов соответствует напряжению логики.

Если требуется защитить индивидуальные кнопки – логично использовать одноканальные TVS, например, SD05C-01FTG.

Для защиты нескольких кнопок или клавиатур лучше использовать многоканальные сборки. Например, для пятиканальных клавиатур идеально подойдут SP1001-05JTG и SP0505BAHTG (рисунок 10).

Рис. 9. Использование SP0503BAHTG для защиты SIM-контроллера	Рис. 10. Использование SP1001-05JTG и SP0505BAHTG для защиты клавиатуры

Заключение

При создании электронных устройств важно обеспечить их защиту от помех и статических разрядов. Очень часто эта задача решается за счет использования недорогих и малогабаритных ESD-сборок. Компания Littelfuse представляет сборки TVS-диодов трех групп: сборки для низковольтных цепей, сборки для высокоскоростных интерфейсов и сборки повышенной мощности.

Сборки для низковольтных приложений производства компании Littelfuse позволяют обеспечить защиту электроники в соответствии с самыми жесткими требованиями МЭК 61000-4-2. При этом они отличаются разнообразием конфигураций и корпусных исполнений.

Благодаря своей универсальности сборки этой группы способны защищать цифровые порты ввода/вывода, аналоговые цепи и низкочастотные интерфейсы RS-232, LIN, CAN, RS-485/422.

Литература

SP05: TVS-сборки Littelfuse для защиты от ESD уровня ±30 кВ

Кремниевые защитные сборки SPA® (Silicon Protection Array) производства компании Littelfuse представляют собой интегрированную структуру на основе нескольких TVS-диодов в одном корпусе. Данные сборки предназначены для защиты электроники от очень быстрых и высоковольтных разрядов с крутым фронтом, вызванных последствиями молний или электростатических разрядов (ESD). Они представляют собой идеальное решение для защиты чувствительных линий интерфейсов, цифровых и аналоговых сигналов уровня 5 В в промышленной и потребительской электронике. Серия сборок SP05 семейства SPA® представляет собой 2-, 3-, 4-, 5 и 6-канальные матрицы TVS-диодов, выполненные в миниатюрных SMD-корпусах SOT23 3, SC70 3, SOT143 4, SOT23 5, SC70 5, SOT23 6, SC70 6 и MSOP 8. Данные сборки предназначены для защиты от ESD уровня ±30 кВ и обеспечивают соответствие требованиям следующих стандартов:
• IEC 61000-4-2, контактный разряд до30 кВ (уровень 4);
• IEC 61000-4-2, воздушный разряд до 30 кВ (уровень 4);
• MIL STD 8833015.7 до 30 кВ
Входная емкость сборок SP05 не превышает 30 пФ, что позволяет относить их к классу низкоемкоcтных защитных компонентов. Основное применение данной серии – это защита низковольтных интерфейсов I/O, аналоговых аудио- и видеосигналов, линий USB 1.1, интерфейсов карт памяти и SIM, LCD-дисплеев, а также кнопочных и клавиатурных шин. Рабочее напряжение на каждой из защищаемых линий рассчитано на уровень 5 В. Из отличительных особенностей серии SP05 можно выделить малые значения токов утечки (

Источник