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大型鋼結構建筑、汽車、山脈，甚至人類都能在真正的大氣閃電中幸存下來。人類還可以創造自己的微型閃電（火花）并生存。然而，當這些火花到達 IC 時，就會出現嚴重的問題。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適合用于保護具有較小幾何形狀的現場可編程門陣列 (FPGA)。通過采取這些措施，FPGA 中的 IC 保持更加可靠并提供一致的質量性能。

無論是多大的設備，都必然會受到閃電、鋼鐵建筑、汽車、山脈甚至人的影響。在本應用筆記中，我們將解釋保護 IC 免受 ESD 破壞的機制。防止 IC 和電路板的 ESD 和 EOS 破壞是產品可靠性和性能的一個關鍵方面。

閃電可以是有趣的、有趣的，也可以是危險的、具有破壞性的。也許所有這些事情都會同時發生——這取決于你在哪里、你在做什么以及你的身高。對于 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，所以不用擔心。暴風雨過后，這是一場持續約 10 分鐘的壯觀表演。

大型鋼結構建筑、汽車、山脈，甚至人類都能在真正的大氣閃電中幸存下來。人類還可以創造自己的微型閃電（火花）并生存。然而，當這些火花到達 IC 時，就會出現嚴重的問題。納米高的晶體管需要保護才能承受人類火花的影響。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適合用于保護具有較小幾何形狀的現場可編程門陣列 (FPGA)。通過采取這些措施，FPGA 中的 IC 保持更加可靠并提供一致的質量性能。

兩種視角的火花

人類產生的火花從何而來？它們是由摩擦電荷引起的。這是一個很大的詞。當兩種材料接觸（摩擦有幫助）然后分離時就會發生這種情況。一些電子會轉移到其中一件物品上。有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來源。撫摸貓的皮毛、在頭發上摩擦氣球以及走過地毯都可以表現出摩擦起電效應。

難怪當我們走過地毯并觸摸門把手時會感到疼痛！一般規則是，5,000 V 在 50% RH 空氣中可以跳動約 1 厘米（0.4 英寸）。對于五六英尺高的人來說，這是一個火花；對于一個五六英尺高的人來說，這就是一個火花。這很痛苦，但我們活了下來。現在改變你的觀點。火花會對幾微英寸高的物體（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。

現在，我們可以轉向 IC。微處理器長期以來一直引領著數字半導體密度的提高。制造技術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 計算機處理單元 (CPU)。在 20 世紀 80 年代和 90 年代，該工藝制造出的零件比細菌還小。2012 年，IC 的密度將比 1971 年技術小 1,000 倍，而且芯片上的功能比病毒還要小。2012 年，人們可以購買具有 28 nm 特性和 68 億個晶體管的 FPGA，并且有望在未來幾年內將密度增加一倍。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）下運行以控制產生的熱量。

為了正確理解 28 納米，請注意零：它是十億分之 28 米 (0.000000028)。假設舊金山和紐約市之間的距離為一米（約 4000 公里或 2500 英里）。現在 28 納米（三千六百萬分之一）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？如何保護如此必要且有用的 FPGA？

簡單的答案是使用連接數字和模擬世界的 I/O 接口設備。模擬混合信號 IC 采用相對較大的幾何形狀（比數字大 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字晶體管更堅固。盡管當今的模擬混合信號器件通常能夠耐受 ESD，但它們確實受益于分立 ESD 器件。

了解火花造成的損壞

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

起初，電氣應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的方式運行，但仍然通過自動測試設備 (ATE) 的檢查，只是后來在現場失敗。EOS 和 ESD 故障是可以預防的，并且毫無疑問是關鍵的質量控制問題。

在制造過程中構建 IC 是容易發生 EOS 和 ESD 損壞的地方。圖 1A 顯示了 PCB 示意圖。我們可能會認為IC是受到串聯電容的保護。不是這種情況。第二個損壞機會是當客戶將 IC 安裝在 PCB 上以構建產品時。仔細觀察圖 1B，我們發現電容器的工作電壓為 50 V，但兩個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。結果可能是 IC 付出了生命的代價（圖 1C）。，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，有很多機會造成相當大的損害。我們實際上可以看到 IC 內部 EOS 和 ESD 破壞的結果。為此，必須去除封裝環氧樹脂材料。這通常是在雙層手套隔離箱中使用熱酸來完成的。這個過程非常危險。這些煙霧是致命的。一口氣就會痛苦地死去；一滴酸落在人體皮膚上，輕則導致手或手臂截肢，重則導致死亡。

顯微照片圖 2A 顯示沒有明顯損壞。提供了標有 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），與心情環和兒童額頭溫度計中使用的液晶類似。它會隨著溫度的微小變化而改變顏色。當 IC 通電時，消耗過多電流的區域（此處用黃色框標記）會發熱并改變顏色。這是一個熱點。這很有趣，但是是什么導致了這個問題呢？