ESD w centrum zainteresowania przemysłu półprzewodnikowego

Zawiązana w poprzednim roku nieformalna grupa przedstawicieli przemysłu półprzewodnikowego, The Industry Council on ESD Target Levels (ICESDTL), proponuje obniżenie co najmniej o połowę wymaganych poziomów ochrony ESD. Członkowie grupy przypuszczają, że zmniejszy to koszty wytwarzania układów oraz cykl ich wprowadzania na rynek. Twierdzą też, że aktualne poziomy są przestarzałe i zbyt restrykcyjne, a ich obniżenie nie będzie miało negatywnego wpływu na jakość i wydajność. W skład ICESDTL wchodzi 16 dużych firm: Analog Devices, Advanced Micro Devices, Freescale, Fujitsu, IBM, Infineon, Intel, LSI, Matsushita, NXP, Oki, Renesas, Samsung, Sarnoff, Texas Instruments i TSMC.

Członkowie ICESDTL mają nadzieję na osiągnięcie porozumienia w sprawie przyszłych poziomów ESD przed rokiem 2008 i zamierzają zaprezentować swoją białą księgę organizacji standaryzacyjnej JEDEC (Joint Electron Device Engineering Council). Nie oczekuje się jednak, że JEDEC uzna propozycję za formalny standard, ale może przynajmniej zatwierdzić lub sklasyfikować nowe poziomy ESD.

Ponieważ producenci OEM naciskają na zwiększenie ochrony ESD w swoich produktach, próby obniżenia poziomów ochrony nie znajdują akceptacji wśród wielu producentów. Jedna z firm uważa nawet, że miałoby to wpływ na spadek niezawodności układów i stanowi uchylenie się od odpowiedzialności producentów półprzewodników w zakresie ESD. Dotychczas produkty OEM były chronione przed ESD w trzech zakresach: w systemie, na płytce montażowej i w układzie scalonym. W systemie wykorzystywane są samodzielne urządzenia, zaprojektowane do zabezpieczenia przed elektrycznością statyczną w obrębie określonych wejść, wyjść, złączy lub innego komponentu. Są one wykonane zgodnie z normą IEC 6100-4-2, zapewniającą ochronę przed wyładowaniem elektrostatycznym w powietrzu na poziomie 15kV oraz przed kontaktem bezpośrednim do 8kV. Układy scalone urządzeń odpornych na ESD powinny zawierać specjalistyczne diody lub inne obwody ochronne. Ponadto, wielu producentów układów scalonych stosuje własne, wbudowane rozwiązania ESD.

Rys. 1. Porównanie kosztów ochrony ESD dla dwóch modeli HBM

Firma Sarnoff ostrzega jednak, że obniżenie poziomów ochrony ESD może sprawić poważny problem dla przemysłu elektronicznego, a zmiana standardu jest lekkomyślna oraz może być niekorzystne dla firm i ich działalności. Sarnoff nie wytwarza układów scalonych, więc pojawiają się głosy, że sprzeciw firmy może być związany z jej interesami w branży badawczo-rozwojowej, które mogą ucierpieć po obniżeniu poziomów ochrony ESD. Firma Texas Instruments zapewnia, że obniżenie standardów ochrony nie spowoduje spadku jakości układów. Szczegółowe testy przeprowadzane w rzeczywistych warunkach pokazały, że układy scalone ze zredukowanymi poziomami ESD doświadczają relatywnie mniejszej liczby problemów i charakteryzują się znikomą wadliwością.

Szczegóły propozycji

Grupa ICESDTL zaproponowała zmiany w dwóch głównych modelach testowania odporności ESD: HBM (Human Body Model) i MM (Machine Model). Przez ponad dwie dekady producenci układów scalonych rozwijali produkty z obwodami chroniącymi przed ESD do 2kV dla modelu HBM i 200V dla modelu MM. Firmy oczekują obniżenia tych poziomów odpowiednio do 1kV i 30V.

Test HBM symuluje przepływ ładunku od ciała człowieka do urządzenia, podczas gdy test MM – między maszyną testującą a urządzeniem. ICESDTL nie proponuje zmian odnośnie trzeciego głównego modelu – CDM (Charged Device Model), symulującego przepływ ładunku między urządzeniami, który znajduje się na poziomie 500V. Specyfikacje HBM, MM i CDM nie są uznawane przez organizacje standaryzacyjne, jednak przez lata producenci układów scalonych i ich klienci akceptowali je jako standard ad hoc.

Proces technologiczny a ESD

W coraz mniejszych układach scalonych i opartych na ich bazie produktach uszkodzenia rosną wraz ze wzrostem wymagań dotyczących ESD. Zgodnie z informacjami organizacji EDA (Electrostatic Discharge Association), koszt uszkodzonych z tego powodu elementów waha się od kilku centów dla prostej diody do kilkuset dolarów dla złożonych produktów.

Przedstawiciele firmy Infineon Technologies twierdzą, że w procesie technologicznym 90nm i niższym, obecne poziomy ochrony ESD na poziomie urządzeń są zbyt restrykcyjne i popiera ich obniżenie. Miałoby to spowodować redukcję czasu przeznaczanego na testowanie i poprawianie układów, co zlikwiduje opóźnienia w ich wejściu na rynek. Infineon uważa, że dzisiejsze poziomy ochrony ESD dla urządzeń są przestarzałe, ponieważ zostały ustalone 20 lat temu, gdy hale fabrycznie nie były wyposażone w odpowiednią ochrony przed ESD. Ponieważ cyfrowe układy scalone ewoluują w kierunku coraz mniejszych rozmiarów, spełnienie obecnych restrykcyjnych standardów ochrony stanowi dla ich wytwórców rosnący problem.

W nowych procesach technologicznych widoczna jest także tendencja do przejścia w kierunku ultracienkich tlenków izolujących bramki tranzystorów tworzących układy scalone. Jest to istotny problem z powodu częstszych w takich sytuacjach uszkodzeń termicznych i utajonych, spowodowanych wyładowaniem elektrostatycznym.

Problem jest jeszcze bardziej złożony dla układów SoC (System-on-Chip), a szczególnie w przypadku urządzeń Bluetooth wykorzystujących fale radiowe. W urządzeniach tego typu stosuje się obniżone poziomy ESD (np. 250V dla modelu HBM w układach wykonanych na podłożu GaAs), ponieważ do tej pory nie powstały rozwiązania ochrony ESD dla tych układów, które byłyby technicznie i ekonomicznie wykonalne.

Dostępne rozwiązania, nowoczesne materiały

Sarnoff licencjonuje opracowany przez siebie projekt ochrony ESD, zwany TakeCharge, do kilku japońskich firm: Epson, Renesas, Toshiba oraz innych. W Japonii stopień zabezpieczenia ESD jest cechą decydującą o atrakcyjności towaru.

Semtech z kolei powiększył rodzinę samodzielnych urządzeń o linię produktów RailClamp, zapewniającą ochronę układów przed wyładowaniem elektrostatycznym. Dwa urządzenia, RClamp 1502B i RClamp 2402B, o pojemności 0,6pF zapewniają ochronę linii danych o wysokiej szybkości bez tłumienia sygnału.

Sanmina-SCI, jeden z największych światowych producentów elektroniki, używa specjalnych polimerów od firmy Shocking Technologies, dzięki którym można wbudować ochronę ESD bezpośrednio w płytki drukowane. Firmy te rozwijają materiały dielektryczne, które w zależności od przyłożonego napięcia mogą funkcjonować jako izolatory lub przewodniki.

Tymczasem, White Mountain Labs, które dostarczają usługi testowania ESD, zawarły porozumienie ze spółką SRF Technologies, która zapewnia wsparcie w projektowaniu urządzeń ESD.

Grzegorz Michałowski