Syntyvä jännite on niin suuri, kuin tulevan varausvirran ja vuotovirran suhde määrää, eli: ( 1 ) U. ( 2 ) R Varautuva maksimijännite: U ) ( 7 ) max

Transkriptio

1 ESD SOJAS ESD = ElectroStatic Discharge H. Honkanen EMC määräykset sisältävät myös vaatimukset sähkö- ja elektroniikkalaitteiden staattisen sähkön siedolle. IC piirien pakkaustiheyden kasvaessa johdinleveydet ja eristevälit pienenevät entisestään. Tämä johtaa samalla myös komponenttien staattisen sähkön kestävyyden heikkenemiseen. Jopa laitteiden jäähdytykseen tarkoitetun jäähdytysilman virtaus voi aikaansaada piirien toiminnan ja kestävyyden kannalta vaarallisen suuria staattisia varauksia, ellei sitä huomioida jo suunnitteluvaiheessa! STAATTISEN VARAKSEN MODOSTMINEN Staattinen varaus syntyy kahden eri dielektrisyysvakion ( permittiivisyyden permittiviteetin, ) omaavan materian välille. ( Myös käsite materiaalin työfunktio tarkoittaa samaa asiaa ). Materiaalien etäisyyden tulee olla alle nm. Matalamman permittiviteetin omaava aine ottaa korkeamman permittiviteetin aineelta lainaksi elektroneja ja varautuu samalla negatiivisesti suhteessa korkeamman permittiviteetin materiaaliin. Atomitasolla muodostuva jännite on kuitenkin vain mv luokkaa. A Muodostuneeseen kapasitanssiin ( C ε 1 = ) on muodostunut energia: W = C ( J = Joule ) l Jos ( ja kun ) materiaalit erotetaan nopeasti toisistaan, eivät lainatut elektronit pääsekään takaisin. Energiasisältö ( W ) pysyy vakiona. Koska etäisyys ( l ) kasvaa ( lähtötilanteessa < nm ), pienenee kapasitanssi hyvin voimakkaasti. Koska energiasisältö on vakio, niin toinen muuttuva suure on jännite, W W A joka kasvaa etäisyyden kasvaessa ( = = ). Jos varausten välillä ei ole johtavuutta ( = C ε l aineet, tai ainakin toinen aine, on eristettä ) varaus ei purkaudu, vaan varausenergia tasoittuu eristeessä. Seuraava kosketus saa ilmiön toistumaan, ja jännite nousee edelleen... Syntyvä jännite on niin suuri, kuin tulevan varausvirran ja vuotovirran suhde määrää, eli: Varausvirta: = f * q ( 1 ) I C Varaus- ja purkausvirta ovat yhtäsuuret, kun : I P = IV = f * q ( ) R Varautuva maksimijännite: = R * f * q ( 3 ) Varautunut energia: 1 W = C ( 4 ) Varautumisen aikavakio: τ = R * C ( 5 ) RC Jännite ajan t kuluttua: = (1 e ) ( 6 ) ( t ) ( t ) Aika, jona jännite saavutetaan: t = R C ln(1 ) ( 7 ) Kaavoissa: - f on varauksen taajuus ( esim askellustaajuus ) - q on tulevan varauksen määrä - R = Eristusvastus ( Vuotavastus ) - = Syntyvä maksimijännite - C = Varauskapasitanssi t

2 Esimerkki: Ihminen, jonka kapasitanssi ( C ) on 150 pf askeltaa askelta sekunnissa ( f = Hz ), jokaisella askeleella häneen varautuu ( q )50 nc lisävaraus ja henkilön eristysvastus lattiaan nähden on 00 G. a) Kuinka suuri on henkilöön varautuva maksimijännite? b) Kuinka suuri on henkilöön varautuva maksimienergia? c) Kuinka kauan menee, jotta jännite on noussut 10 kv :iin? d) Kuinka suuri energia ihmiseen on varautunut 10 s kuluttua? Ratkaisut: a) ( kaava 3 ) : = R * f * q = 00GΩ * Hz * 50nC 0kV = 1 1 b) ( kaava 4 ) : W = C = 150 pf(0kv ) = 30mJ ( t ) 10kV c) ( Kaava 7 ): t = R C ln(1 ) = 00GΩ*150 pf * ln(1 ) = 0,8s 0kV RC 00GΩ*150 pf d) ( kaavat 6 ja 4 ) : t = (1 e ) = 0kV (1 e ) 5670V t 10 s ( ) = 1 1 W = C = 150 pf(5670v ) =, 4mJ

3 Triboelektroninen sarja: Material r Asbestos (Acquires More Positive Charge) Rabbit Fur Acetate Glass Mica Human Hair Nylon Wool Fur Lead Silk Aluminium Paper Cotton Steel Wood Amber Sealing Wax Hard Rubber Mylar Nickel Copper Silver Brass Gold Acetate Rayon Celluloid Acrylic Polyurethane Polyethylene Polypropylene , PVC Silicon Teflon Silicone Teflon ( PTFE ).... (Acquires More Negative Charge) YLEISTÄ ESD VARIOSTA Vaurio syntyy usein huomaamattamme, koska ihminen ei tunne alle 3000 voltin purkausta kehossaan; vasta 5000 voltin purkaus näkyy kipinänä. Herkimmät komponentit vaurioituvat jopa 30 voltin jännitteellä ja monet yleisesti käytössä olevat komponentit ovat arkoja voltin jännitteelle. Yleisimpien komponenttien ESD -jännitekesto ( MIL standardin mukaisesti testattuna ) : V-MOS V MOSFET, EPROM V JFET V OPAMP V Schottky Diodes V Film Resistors V SAW V Schottky TTL V CMOS V DRAM V Bipolar transistors V

4 VARAKSEN PRKATMINEN ja OMINAISDET Staattisen purkauksen ominaisuuksia: Huippuvirta: Jopa 00 A Suurin taajuuskomponentti: Jopa 5 GHz Kokonaisaika: 100 ns.. µs Huippuvirta: 500 ps 10 ns Nousuaika: 00 ps 70 ns HBM = Human Body Model Käsittelemme tässä osiossa ihmiskehon aikaansaamaa purkausta. Todellinen purkaustapahtuma on esitetty alla olevassa kuvassa ( Kuva 1 ). Kuva 1 : ESD purkaus ihmiskehosta Komponenttivalmistajat käyttävät yleisesti huomattavasti yksinkertaistetumpaa mallinnusta ( Kuva ), jossa kehon induktanssia ei ole huomioitu. Eri standardeissa mallinnuksen perusteet ( C ja R ) poikkeavat toisistaan. Yleisimmin komponenttien staattisen sähkön kesto on annettu MIL standardin mukaisen mallinnuksen mukaisesti. Kuva : Yksinkertaistettu mallinnus ja sitä vastaava purkaus

5 STAATTISEN SÄHKÖN SOJAS Staattisen sähkön suojauksessa on kysymys suurjännitteisestä, suuria taajuuskomponentteja sisältävästä jännitepiikistä, jonka kestoaika on lyhyt. Jos staattinen purkaus pääsee kytkentään saakka, se voi aiheuttaa virhetoimintoja ja pahimmassa tapauksessa komponenttien vioittumisen. Staattisen purkauksen aikaansaama magneettikenttä voi indusoitua kytkentään, aiheuttaen täten virhetoimintoja. Eliminointikeinot samat, kuin magneettisen kytkeytymisenkin yhteydessä. Linkki aiheeseen YLIJÄNNITESOJAS SOJASKOMPONENTIT: Ylijännitteiden suojauksissa käytettäviä komponentteja ovat kaasupurkausputki, varistori ( = VDR ) ja purkausdiodi. KAASPRKASPTKI - Perustuu tyhjö- ( tai jalokaasulla täytettyyn ) putkeen, jossa tapahtuu ylijännitteellä läpilyönti. - Ominaisuudet: - Hitain vasteaika suojauskomponenteista ( n. 100 ns ) - Kestää suurimman energian ( Hetkellinen huippuvirta voi nousta jopa 10 ka: iin! ) - Käytetäänkin energiakeston vuoksi ns. karkeasuojana voimakkaimpia ylijännitepiikkejä vastaan. 3 VARISTORI, VDR - Jänniteriippuvainen vastus. Resistanssi pienenee voimakkaasti jännitteen noustessa yli raja- arvon, jolloin oikosulkee ylijännitteen - Ominaisuudet: - Varistorit vanhenevat käytössä ja toistuvien kuormitusten seurauksena niiden vuotovirta hiljalleen kasvaa ja aiheuttaa komponentin lämpenemistä. Voi mennä oikosulkuun liian voimakkaan pulssin seurauksena. - Hieman nopeampi, kuin kaasupurkausputki ( vasteaika < 5 ns ) muttei kestä niin voimakasta virtapiikkiä ( Hetkellinen huippuvirta voi nousta ka: iin ) PRKASDIODI - Puolijohdekomponentti, suunniteltu ja valmistettu tätä tarkoitusta varten - Ominaisuudet: - Erittäin nopea, vasteaika alle 10 ps!! - Nopeus on, näistä ainoana, riittävä suojaamaan nykyaikaisia puolijohdekomponentteja. - Energiansietokyky heikko, kestää hetkellisestikin vain noin 00 A virtapiikin. - Purkausdiodi yleensä oikosulkeutuu liian rajun ylikuormituksen seurauksena.

6 Tehokkain ylijännitesuojaus saadaan porrastamalla erityyppisiä ( ja ominaisuuksisia ) ylijännitesuojia sarjaan. - Nopea transienttidiodi ei kestä suuria purkausenergioita - Purkausputki ja VDR kestävät suuria energioita, mutta ovat paljon purkausdiodia hitaampia Ylijännitesuojien välillä olevat induktanssit parantavat ylijännitesuojauksen tehokkuutta. - Induktanssiahan on aina kaikissa johtimissa, Ylijännitesuojauksen kanssa sarjassa olevat induktanssit voivat olla ongelmallisia ESD suojauksen kannalta, sillä ne hidastavat suojapiirin toimintaa, jolloin varaus voi etsiä purkausreittinsä muualta, ja lyödä läpi suunnittelemattomasta paikasta. SNNITTELESIMERKKEJÄ Kuvassa ( Kuva 4 ) on esitetty laite, jossa on liitin ja metallikotelo. Maavirtojen eliminoimiseksi piirilevy ja laitekotelo voidaan yhdistää toisiinsa vain yhdestä pisteestä. Piirilevyn maadoitus tulisi tehdä mahdollisimman läheltä liitintä ja suojauskomponentit tulisi saada mahdollisimman lähelle maadoituspistettä. Kuva 4. Piirilevy laitekotelossa Piirilevylle voidaan myös toteuttaa ylijännitesuojia piirilevytasolla, esimerkkinä kuvassa ( kuva 5) liittimen folioiden rakenneratkaisu. Ilman läpilyöntijännite on noin 1 kv / mm Kuva 5. Ylijännitesuoja piirilevyllä