EMC电磁兼容检测,ESD静电整改服务

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ESD静电分为:接触放电(导电表面)和空气放电(绝缘表面)有四个推荐的应力水平。许多系统被规定为在标准中的最高限定水平(接触放电为8kV,空气放电为15kV)下通过。

从手机到计算机的静电放电(ESD)抗扰度测试通常使用IEC 61000-4-2标准.1但是IEC61000-4-2纯粹是系统级测试规范,不是个人规范组件。因此,组件制造商被迫在没有标准的指导下定义测试计划,并且来自不同组件制造商的测试结果可能显着不同。那么组件测试到这个标准是什么意思?这里是要考虑的主要问题,特别是关于接触放电与空气放电结果。

接触放电试验

接触放电(导电表面)和空气放电(绝缘表面)有四个推荐的应力水平。许多系统被规定为在标准中的最高限定水平(接触放电为8kV,空气放电为15kV)下通过。在接触 - 放电测试中,ESD枪被充电,枪的尖端被放置在待承受的物体上,并且枪内的继电器被关闭,引发应力。 IEC 61000-4-2规定了接触电平测试的波形(图1)。电流波形的特征在于具有0.7至1.0ns的上升时间和30ns和60ns的规定电流的初始电流尖峰。电流水平与2000至8000伏的电压成线性比例。在8000伏特,峰值电流为30安培,30纳秒和60纳秒电流水平分别为峰值电流的53%和27%。熟悉组件级ESD测试的人员可能认为根据IEC 61000-4-2的接触放电测试与人体模型测试类似。指定的波形被强制进入一个器件引脚,而一个或多个其他引脚保持在地,这是制造商如安森美半导体做出的假设。安森美半导体在其器件上应用的测试是在每个电压下将每个引脚施加10倍正电压和10倍负电压。

在任何情况下,当评估组件的接触放电数据时,您需要知道哪些引脚已经受到应力,哪些引脚在应力下已接地,如何接地连接到被测试的组件,以及数量和极性 对部件的应力。

排气试验

在空气放电测试中,启动接触放电的ESD枪中的继电器在整个测试期间保持闭合。 ESD枪中的电容和ESD枪的尖端同时充电。 然后将ESD枪的尖端朝向预期应力点移动,直到形成弧或枪的尖端接触被施加应力的系统。 空气放电测试对于组件测试来说更具挑战性。 根据表1,有些人认为15 kV的空气放电等效于8 kV的接触放电试验。 然而,假设通过4级接触放电测试的部件也通过4级空气放电试验是无效的。

所有器件级ESD标准规定了特定电压应力水平的电流波形,因此标准倾向于确保某种程度的测试再现性。然而,IEC标准没有规定空气放电的波形。空气放电波形取决于电压和目标的几何形状。 IEC标准规定了用于验证接触放电波形参数的电流感测目标。目标安装在接地平面的中心,并具有2欧姆(接地)的特性阻抗。当连接到输入阻抗为50欧姆的示波器时,目标为每安培电流产生1伏特。放电点是直径为26mm的金属盘。

图2和图3显示接触放电和空气放电波形直接到IEC目标2,8和16 kV。在2和8kV,接触和空气放电波形非常相似,但在16kV,空气放电波形中不存在初始电流尖峰。对于在高电压下的空气放电,在枪和靶之间形成非常长的电弧。长弧比直接接触具有更高的电阻和电感,并且大大减小了初始电流尖峰。该弧的性质取决于弧的区域中的几何形状。

用于空气放电的枪尖是圆形尖端,IEC指定目标具有平坦表面。电场与几何相关。尖点尖端增加局部电场并且比平坦或钝的几何形状更早地引发电击穿。现有技术封装中的电气部件具有非常小的触点,与IEC靶的平坦表面非常不同。对IEC目标的放电表面的修改已经允许研究几何效应。

IEC目标的中心盘可以用3 mm螺纹杆拧入主体中。在HBM事件之前,研究了一系列替代的目标中心来研究电压特性。这些目标是了解电流波形如何依赖于几何形状的理想选择。电子目标由齐纳二极管(击穿是10伏)组成,阳极连接到IEC目标,阴极连接到各种几何引脚以模拟不同的集成电路封装。二极管模拟IC或ESD保护组件的ESD保护电路。在各种针几何形状上进行接触放电和空气放电测量。平面几何形状产生与图1和图2所示非常相似的结果。 2和3,虽然齐纳已添加到电流路径。

图4和图5示出了直径为0.4mm的销(类似于现代BGA焊球的尺寸)的结果。接触放电测量仍然看起来非常类似于直接到IEC目标的接触放电的测量,如图1所示。 2.为了空气放电到小引脚,抑制初始电流尖峰开始于低得多的电压。这是因为小引脚周围的电场增强,结果是电弧更长,因此具有比平坦表面更高的电阻和电感。

这些测量显示在空气放电和接触放电条件下的应力水平之间没有简单的相关性。接触放电的电流波形随电压线性变化,而空气放电波形形状取决于电压电平和发生放电的局部几何形状。为了在低电压下放电至平坦表面,空气放电和接触 - 放电电流非常相似。

在较高电压下,随着空气放电的电弧长度增加,初始电流峰值减小并消失,同时上升时间增加。为了放电到小几何形状,例如现代集成电路封装上的引脚,接触放电和空气放电之间的偏差发生在较低电压下。然而,接触和空气放电之间的偏差不大,使得8kV 4级接触放电等于15kV 4级空气放电,如图1所示。 6用于放电至0.4-mm引脚。即使两个放电的峰值电流非常相似,由15-kV空气放电输送的总能量比从8-kV接触放电高得多。

空气放电测试也受到改变电弧特性的所有特性的影响,包括湿度,大气压力和接近速度。在这里给出的测量中,在每个电压下获取几个空气放电脉冲,并且选择被认为代表该电压和几何形状的特定脉冲。

诸如安森美半导体的制造商非常保守地规定了空气放电额定值。在许多情况下,基于器件在超过15kV的电压电平下通过接触放电的能力来指定级别4,15kV的空气放电额定值。这种方法是有效的,因为在所有情况下,在相同电压下接触放电是比空气放电更严重的应力。对于部件上的放电测试,部件通常安装在板上,其中被测试的引脚通过短路连接到施加空气放电的平坦焊盘。如上所示,向平坦表面的空气排放给出比小针更严重的应力。如在接触放电中,用正极性和负极性执行10个应力。接触 - 放电应力的测试可以提供可重现的结果,但仅在使用相同的引脚组合时。

如前所述,该标准没有给出引脚组合的指导,因为它不适用于组件级测试。空气放电的测试结果更成问题,因为应力的性质对放电发生的几何形状非常敏感。另外,基于1〜4的接触放电等级的等级通常不等于相应的放电等级。基于等于或大于电压接触 - 放电应力的能力的放电额定值是保守和合理的假设。

综上所述

使用IEC 61000-4-2的组件的ESD测试有很大的不确定性。需要的是一个标准化的测试方法。静电放电协会(ESDA)工作组5.6目前正在制定这样的标准。在这种可用的时间之前,根据IEC 61000-4-2测试的部件的结果可能难以再现,特别是对于排气测试,并且需要小心地解释测试结果的意义。

参考文献

1.“IEC 61000电磁兼容性(EMC)第4-2部分:测试和测量技术 - 静电放电抗扰度测试基本EMC出版物”1998年1月23日。

2. R.A. Ashton,“System Level ESD Testing:The Test Setup”,Conformity,2007年12月,第34页。

3. R.A. Ashton和E.Worley,“Pre Pulse Voltage in the Human Body Model”,2006 EOS / ESD Symposium,Tucson,AZ September 2006。

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