ابزار و روش تشخیص[1] ESD

این مقاله بر روش‌شناسی، تکنیک‌ها و ابزارهایی برای شناسایی، طبقه‌بندی و کمیت‌سازی رخدادهای ESD در تولید قطعات نیمه‌رسانا و قطعات الکترونیکی متمرکز است. روش‌شناسی مناسب تشخیص و اندازه‌گیری رویدادهای ESD در ابزارهای کاری که اجزای حساس به ESD را مدیریت می‌کنند، شناسایی نوع CDM تخلیه‌ها و مرتبط کردن تخلیه‌ها با مراحل خاص فرآیند با جزئیات در سطح قابل استفاده برای طیف گسترده‌ای از متخصصان توضیح داده شده است. استفاده از ابزارهایی مانند اسیلوسکوپ های ذخیره سازی پرسرعت، آنتن های ویژه، آشکارسازهای ESD و مانیتورها به تفصیل توضیح داده خواهد شد. این مقاله  برای بسیاری از مهندسان که در تلاش برای حفظ بازده کاری هستند مناسب خواهد بود.

 https://ntp-electronic.com/Article/%D8%A7%D8%AB%D8%B1%D8%A7%D8%AA-%D8%AA%D8%AE%D9%84%DB%8C%D9%87-%D8%A8%D8%A7%D8%B1-%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%DB%8C%DA%A9%DB%8C-%D8%B3%D8%A7%DA%A9%D9%86-(ESD)-%D8%A8%D8%B1-%D8%B3%D9%84%D8%A7%D9%85%D8%AA

اگر شما یک مهندس مسئول تولید دستگاه های نیمه هادی یا مونتاژ PCB هستید و به شما گفته شده است که یکی از آی سی های موجود در کار شما دارای آستانه آسیب 100 ولت CDM (مدل دستگاه شارژ) است، چگونه اطمینان حاصل می کنید که اقدامات شما آیا برای چنین دستگاه هایی ایمن است؟ اگر از کاربران این دستگاه‌ها هستید، آیا برایتان جالب نیست که آی‌سی‌هایی که به تازگی دریافت کرده‌اید، قبل از دریافت آن‌ها در چه سطحی از ESD قرار گرفته‌اند؟ اگر سطح آسیب واقعاً 100 ولت CDM باشد، چگونه می خواهید با دستگاهی که در معرض 99 ولت قرار دارد کار کنید؟ آیا 98 ولت انجام می دهد؟

قرار گرفتن در معرض ESD با قطعات الکترونیکی حساس در حال حاضر یکی از عوامل اصلی در مدیریت عملکرد و کیفیت است. هیچ‌کس نمی‌خواهد با محصولی که در بازخوردهای مشتری شکست خورده به نظر می رسد برخورد کند. و هیچ کس نمی خواهد با مسائل مربوط به بازدهی که می تواند علاوه بر ضرر و زیان، فشار قابل توجهی بر برنامه وارد کند، سر و کار داشته باشد.

     هیچ مدیریت موثر ESD نمی تواند بدون ابزار مناسب اندازه گیری تأیید کند که محیط برای انجام اقدامات الکترونیکی و .... ایمن است یا خیر. بیشتر روش‌های پیشگیری از « ESD سنتی» بر این فرض استوارند - این تفکر به این صورت است که اگر از مواد استاتیکی اتلاف‌کننده، یونیزر، زمین و مچ‌بند استفاده کنیم، همه چیز درست می‌شود. این کار، البته، زمانی که حساسیت قطعات 500 ولت یا بیشتر بود، به خوبی کار می کرد اما دیگر کافی نیست. بیایید روش‌شناسی و ابزارهایی را بررسی کنیم که به ما در شناسایی و تعیین کمیت قرار گرفتن در معرض دستگاه‌های حساس به  ESD در فرآیند تولید کمک می‌کنند.

مبانی روش شناسی برای ارزیابی قرار گرفتن در معرض ESD با دستگاه ها

روش های مختلفی وجود دارد که می توان قرار گرفتن در معرض ESD با دستگاه های در حال کار را ارزیابی کرد. اگرچه همه روش ها و ابزارها برای این هدف کافی نیستند. ما چندین مورد از محبوب ترین روش ها را بررسی می کنیم و مزایا و معایب آنها را خلاصه می کنیم.

     شکل 1 نشان می‌دهد که اندازه‌گیری‌هایی که معمولاً برای مطابقت با استانداردهای ANSI/ESDA S.20.20 یا EN61340-5-1 انجام می‌شوند چقدر متفاوت از پارامتری است که به دستگاه آسیب می‌زند. این استانداردها در ایجاد محیطی که قرار گرفتن در معرض ESD را به دستگاه ها به حداقل می رساند بسیار مفید هستند، با این حال این استانداردها هیچ وسیله ای برای تأیید ندارند و به کاربر آرامش نمی دهند که دستگاه هایی که قرار است از آنها محافظت کنند واقعاً ایمن هستند. بیایید روش‌شناسی، مزایا و معایب هر روش را در نظر بگیریم.

اندازه گیری رویدادهای ESD

ایده آل ترین راه برای اندازه گیری رویدادهای ESD اندازه گیری مستقیم جریان تخلیه خواهد بود. این اندازه‌گیری‌ها به‌طور معمول در طول مشخص‌سازی دستگاه انجام می‌شوند. استانداردهایی مانند JEDEC' JESD22-C101C  و روش‌هایی با استفاده از آزمایش‌کننده‌های CDM و TLP اندازه‌گیری‌های جریان را انجام می‌دهند تا تجزیه و تحلیل کنند که دستگاه در چه ولتاژ تخلیه آسیب می بیند و کدام پین های خاص حساس تر به قرار گرفتن در معرض ESD هستند. هر چقدر هم که این روش دقیق و مطلوب باشد، در یک محیط تولید واقعی به سختی واقع بینانه است، زیرا هیچ راه عملی برای قرار دادن سنسور جریان بین دستگاه و سطحی که آن را لمس می کند، مانند سوکت تست، شاتل در کنترلر آی سی یا IC وجود ندارد. یک پد PCB تنها زمانی که آزمایش تحت شرایط ویژه کنترل شده با استفاده از وسایل سفارشی انجام شود، چنین اندازه گیری هایی امکان پذیر است. بزرگترین مشکل آنها این است که ممکن است ارتباط بسیار کمی با تخلیه های واقعی در فرآیند داشته باشند، بنابراین، هدف کلی افزایش دقت اندازه گیری ها را تحت الشعاع قرار می دهد. عملی‌ترین راه برای تشخیص و اندازه‌گیری رویدادهای ESD در فرآیند ساخت واقعی، گرفتن یک نشانه الکترومغناطیسی بسیار خاص است که توسط یک رویداد ESD ایجاد می‌شود.

     به این ترتیب خود فرآیند بدون وقفه و ایمن از اثر اندازه گیری ها باقی می ماند. یک رویداد ESD با دو پدیده همزمان مشخص می شود : افت ناگهانی ولتاژ تا حدی به دلیل تخلیه آن و یک موج بسیار کوتاه جریان تخلیه خود. هر دو پدیده بر اساس اصول میدان های الکتریکی و مغناطیسی عمل می کنند. با گرفتن و اندازه گیری این میدان ها می توان توان دبی را ارزیابی کرد و با مشاهده شکل موج آن، نوع دبی (CDM، MM یا HBM) را ارزیابی کرد.

اندازه گیری میدان های الکترومغناطیسی دقیقاً به اندازه اندازه گیری جریان مستقیم به دلیل بازتاب امواج الکترومغناطیسی و تضعیف ناشی از موانع فلزی دقیق نیست. با این حال، انجام صحیح آنها می توانند دقت و ارتباط معقولی را ارائه دهند.

شکل 1 "زنجیره " اندازه گیری ESD

شکل 2 همبستگی بین اندازه‌گیری‌های جریان مستقیم در یک دستگاه تست ویژه طراحی‌شده و سیگنال الکترومغناطیسی تولید شده ناشی از تخلیه و دریافت شده توسط یک آنتن واقع در نزدیکی محل تخلیه را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده شد، هر دو همخوانی خوبی دارند و اطمینان در ارتباط و دقت داده های به دست آمده را فراهم می کنند.

شکل 2اندازه گیری توان  رویداد ESD با اندازه گیری جریان و میدان

همبستگی با توان فرایندها

ارتباط داده های گرفته شده با قدرت رویدادهای ESD یک کار دلهره آور است. متغیرهای محیطی احتمال خطای قابل توجهی دارند. تفاوت در اندازه بسته بندی دستگاه می تواند تغییرات زیادی در جریان تخلیه و انتشار الکترومغناطیسی آن  ایجاد کند. یک بسته SOT23 یا DFN16 مصنوعات کوچکتری نسبت به مثلاً بسته 208 QFP تولید می کند. برای مقابله با همه این تغییرات ممکن است مفید باشد که به برخی از استانداردهای تثبیت شده ارجاع داده شود تا کاربران بتوانند بسته های خاص خود را با بسته های استاندارد مرتبط کنند. JEDEC JESD22-C101C دو اندازه را برای شبیه سازی تعریف می کند: دیسک فلزی کوچک (قطر 8.89 میلی متر، ضخامت 1.27 میلی متر) و دیسک فلزی بزرگ (قطر 25.4 میلی متر، ضخامت 1.27 میلی متر).

فقدان چنین همبستگی منجر به اندازه گیری های کیفی و نه کمی می شود که طبیعتاً ارزش بسیار کمتری دارند. اگر دستگاه های شما ممکن است توسط تخلیه 100 ولت CDM آسیب ببینند، آیا نمی خواهید بدانید که فرآیند شما در واقع چه چیزی ایجاد می کند؟ یک شکل موج روی صفحه یک اسیلوسکوپ یا یک "بوق" یک نشانگر در حالی که برخی اطلاعات را ارائه می دهد ممکن است قادر به پاسخگویی به این سوال نباشد در حالی که خواندن ابزاری که قادر به همبستگی با رویدادهای ESD واقعی است ارزش قابل توجهی دارد.

دامنه زمان در مقابل دامنه فرکانس

تخلیه الکترواستاتیک یا رویدادهای ESD چند نانوثانیه طول می کشد. به این ترتیب، آنها به یک رویکرد خاص برای گرفتن سیگنال و کمی کردن آن نیاز دارند. یک رویداد ESD یک پدیده حوزه زمانی است. مانند موج سینوسی دوره ای نیست و مدت زمان بسیار کمی دوام می آورد. به این ترتیب، رویدادهای ESD باید با ابزارهای حوزه زمان اندازه‌گیری شوند، نه با ابزارهای حوزه فرکانس مانند آنالایزرهای طیفی - ابزار دوم برای ثبت رویداد بسیار کند هستند. یک تحلیلگر طیفی که ابزاری عالی برای بسیاری از اهداف دیگر است، که سیگنال ها را در یک فرکانس اندازه گیری می کند حداقل چندین میلی ثانیه طول می‌کشد تا مدل‌های برتر کل محدوده فرکانس را پوشش دهند. از آنجایی که یک رویداد ESD تنها چند نانوثانیه طول می‌کشد، تجزیه‌کننده طیف مطمئناً بخش قابل‌توجهی از طیف سیگنال را از دست می‌دهد. فقط ابزارهای حوزه زمانی مناسبی که در زیر توضیح داده می شوند برای گرفتن و اندازه گیری مناسب هستند.

رویدادهای ESD

یکی از سوالات متداول من در مورد رویدادهای ESD این است که محدوده فرکانس آنها چقدر است. از آنجایی که یک رویداد ESD یک سیگنال غیرقابل تکرار است، نمی تواند فرکانس داشته باشد. با این حال، طیفی دارد که برای اکثر رویدادهای ESD از کمتر از مگاهرتز تا گیگاهرتز یا بالاتر گسترش می‌یابد. برخی از اسیلوسکوپ های ذخیره سازی دیجیتال دارای ماژول FFT داخلی هستند که امکان مشاهده طیف سیگنال گرفته شده را فراهم می کند. با در نظر گرفتن همه این موارد، اطلاعات در مورد طیف یک رویداد ESD نسبتاً آکادمیک است. آنچه واقعاً بر آسیب دستگاه ها تأثیر می گذارد پارامترهای حوزه زمان مانند زمان افزایش رویداد، حداکثر دامنه و انرژی آن است.

اسیلوسکوپ ذخیره سازی دیجیتال پرسرعت

یک اسیلوسکوپ که به درستی مشخص و تنظیم شده باشد، مسلماً بهترین ابزار برای مشاهده شکل موج تخلیه و تجزیه و تحلیل نوع تخلیه است. این ابزار یک ابزار حوزه زمان است که برای چنین اندازه گیری هایی مناسب است. انتخاب اسیلوسکوپ باید با دقت انجام شود - ابزاری که عملکرد ضعیفی دارد داده ها را مخدوش می کند و ممکن است شما را به نتیجه گیری های اشتباه برساند. دو پارامتر اصلی برای بررسی وجود دارد - نرخ نمونه برداری و پهنای باند.

Ø     نرخ نمونه برداری

نرخ نمونه برداری تعیین می کند که سیگنال ورودی چند بار در ثانیه نمونه برداری می شود. این پارامتر باید با ویژگی های سیگنال مرتبط باشد. زمان افزایش یک رویداد CDM می تواند بسیار کمتر از 1 نانوثانیه باشد. برای نمایش صحیح آن، حداقل نرخ نمونه‌گیری باید حداقل دو برابر سریع‌تر باشد (طبق قضیه نمونه‌گیری نایکویست-شانون). هر چه نرخ نمونه برداری بیشتر باشد، نمایش شکل موج دقیق تر خواهد بود. امروزه تهیه اسیلوسکوپ با 5Gs/Sec (گیگا نمونه در ثانیه) با قیمت مناسب در بازار کاملاً امکان پذیر است که حداقل نرخ نمونه برداری توصیه شده است.

Ø     پهنای باند

این پارامتر، اگرچه مهم است، اما در واقع کمتر از نرخ نمونه برداری دارای اهمیت است. نرخ نمونه‌برداری ناکافی منجر به تغییر شکل موجی قابل توجهی می‌شود یا آرتیفکت‌های سیگنال از دست رفته، در حالی که پهنای باند محدود معمولاً منجر به دامنه کمتر پیک‌های تیز می‌شود اما همچنان شکل موج خود را نشان می‌دهد.

به طور کلی، حداقل مشخصات برای یک اسیلوسکوپ توصیه می‌شود که نرخ نمونه‌برداری 5Gs/Sec و پهنای باند 500MHz باشد، هرچند هر چه هر دو پارامتر بالاتر باشند، نمایش با کیفیت بهتری از سیگنال دریافت می‌کند.

Ø     آنتن

میدان های الکترومغناطیسی با استفاده از آنتن های تخصصی اندازه گیری می شوند. انتخاب آنتن ممکن است حیاتی باشد. یک آنتن معمولی یا یک پروب برای انطباق الکترومغناطیسی (EMC) توصیه نمی شود - چنین آنتن هایی پاسخ صافی در سراسر باند فرکانس ندارند. هنگامی که با آنالایزر طیف استفاده می شود، این آنالایزر اصلاح دامنه را برای هر فرکانس جداگانه در حین پیشروی ابزار با اسکن خود در سراسر باند فرکانسی فراهم می کند. در اندازه‌گیری‌های حوزه زمان، همه فرکانس‌ها به یکباره اندازه‌گیری می‌شوند و اصلاح فرکانس برای نقص آنتن غیرممکن است. فقط آنتن هایی با پاسخ فرکانسی نسبتاً مسطح می توانند نمایش مناسبی از شکل موج تخلیه ایجاد کنند. یک آنتن یا کاوشگر EMC معمولی معمولاً دارای افت حساسیت قابل توجهی در فرکانس های پایین است که به شدت انرژی تخلیه را روی صفحه نمایش نادرست نشان می دهد. شکل 3 مقایسه پاسخ‌های فرکانس را بین یک آنتن فعال حوزه زمانی خاص طراحی‌شده با پاسخ فرکانس تخت در سراسر محدوده فرکانس و پروب‌های دامنه فرکانس معمولی نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده شد، کاوشگرهای غیر فعال بیش از 20 دسی بل (10 برابر) در فرکانس های زیر 400 مگاهرتز از دست می دهندکه شبیه به کاهش کامل بیس در استریو و گوش دادن به صدای فرکانس بالا به جای یک سیگنال کامل است. شکل 4 شکل موج رویداد ESD حاصل را نشان می دهد که با هر دو آنتن گرفته شده است. شکل موج آنتن فعال ردیابی بالایی است، پاسخ آنتن غیرفعال ردپای پایین است. همانطور که مشاهده شد، ردپای پایین نه تنها یک رویداد بسیار ضعیف‌تر را نشان می‌دهد (که با این واقعیت توضیح داده می‌شود که سیگنال آنتن غیرفعال تقویت نمی‌شود) بلکه همچنین شکل موج به طور مشخص فاقد یک جزء فرکانس پایین است که انرژی تخلیه را نشان می‌دهد. . اختلاف زمانی کم بین شکل موج ها و قطب معکوس نتیجه تاخیر گروهی و نوع تقویت کننده در آنتن فعال است.

شکل 3 پاسخ‌های فرکانس آنتن فعال حوزه زمان و پروب‌های غیرفعال معمولی

شکل 4 شکل موج های تخلیه مشابه با آنتن فعال حوزه زمان و یک پروب غیرفعال معمولی گرفته شده است.

مانیتورهای رویداد ESD

در حالی که اسیلوسکوپ ها مزایای غیرقابل انکار خاصی برای نمایش شکل موج سیگنال دارند، اما محدودیت هایی دارند. برای شروع، آنها می توانند گران باشند. عملکرد برخی از اسیلوسکوپ ها پیچیده است که ممکن است منجر به اشتباه یا گم شدن داده شود. اسیلوسکوپ‌ها می‌توانند رویدادهای ESD را فقط در تعداد محدودی از نقاط در یک زمان اندازه‌گیری کنند که تشخیص مشکل ESD را در ابزارهای پیچیده‌ای مانند هندلرهای IC بسیار دشوار می‌کند. اسیلوسکوپ‌ها می‌توانند تنها روی یک قطب سیگنال راه‌اندازی کنند، در حالی که رویدادهای ESD می‌توانند با هر قطبی باشند - بدیهی است که می‌توان برخی از رویدادها را از دست داد. اسیلوسکوپ‌ها به دلیل مشکلاتی که باعث راه‌اندازی می‌شوند نمی‌توانند تخلیه‌های متعدد را حل کنند – این امر به طور جدی تجزیه و تحلیل مشکلات ESD را در این فرآیند با مشکل مواجه می‌کند.

مانیتورهای ESD اختصاصی بیشتر مشکلات فوق، و نه همه، را برطرف می کنند. نمونه ای از چنین مانیتوری در شکل 5 نشان داده شده است. این مانیتور ESD قادر است نه تنها بر رویدادهای ESD بلکه بر ولتاژ ساکن را نیز نظارت کند که به تشخیص ESD کمک می کند. یک مانیتور ESD رویدادهای ESD را شناسایی و قدرت آنها را اندازه گیری می کند. برخلاف اسیلوسکوپ، نمایشگر رویداد ESD نمی تواند شکل موجی از تخلیه را تولید کند. در عوض، ویژگی‌های شکل موج تخلیه را اندازه‌گیری می‌کند و سیگنالی تولید می‌کند که بازتابی از قدرت تخلیه است. شکل 6 نمونه ای از داده های یک مانیتور ESD را نشان می دهد.

شکل 5 مانیتور ESD

شکل 6 داده های معمولی از مانیتور ESD شامل ولتاژ استاتیک و واپاشی یونیزاسیون

این مانیتور ESD خاص به طور کامل برای مدل‌های مختلف تخلیه خروجی مشخص دارد تا کاربر بتواند بداند که یک رویداد خاص، مثلاً 100 ولت CDM یا 200 ولت CDM بوده است. یکی دیگر از ویژگی های کلیدی این مانیتور توانایی آن در رفع تخلیه های متعدد است که در ابزارهای حرکت سریع بسیار مهم است. این مانیتورها به یک سیستم جمع‌آوری داده متصل هستند که می‌تواند تعداد قابل توجهی از این مانیتورها را در خود جای دهد که امکان تشخیص ESD و عیب‌یابی در چندین مکان را به طور همزمان فراهم می‌کند. استفاده از مانیتورهای ESD آسان است و همراه با سیستم جمع‌آوری داده‌ها، هر چیزی را که در این فرآیند می‌بینند، ثبت می‌کنند. مانیتورهای ESD را می توان برای اهداف مختلفی استفاده کرد:

o       تشخیص مشکل ESD

o       ممیزی های ESD

o       ESD صلاحیت ابزارها و فرآیندها

o       ممیزی تامین کنندگان

o       و خیلی های دیگر.

o       رویداد سنج ESD

در حالی که نمایشگرهای رویداد ESD برای ضبط و نمایش داده ها نیاز به راه اندازی و اتصال به رایانه دارند، رویداد سنج های دستی ESD ، امکان جمع آوری داده ها در رویدادهای ESD را بدون هیچ گونه تنظیمات خاصی فراهم می کند. چنین ابزارهایی قادر به تشخیص، اندازه گیری و مشخص کردن رویدادهای ESD و ضبط آنها بر روی کارت حافظه با مهر زمان/تاریخ هستند. اگرچه چنین ابزارهایی می توانند رویدادهای ESD را فقط در یک نقطه در یک زمان اندازه گیری کنند، اما روشی بسیار راحت، سریع و دقیق برای تشخیص محیط ESD را امکان پذیر می کند. این ابزار اجازه می دهد تا از یک آنتن از راه دور مشابه مانیتور ESD که در شکل 5 نشان داده شده است استفاده کنید تا تخلیه های داخل ابزار را در جایی که خود کنتور جا نمی گیرد یا نگه داشتن آن در داخل فرآیند ناخوشایند یا ناامن است، ضبط کند.

نشانگرهای رویداد ESD

نشانگرهای رویداد ESD، رویدادهای ESD را بالاتر از یک آستانه تعیین شده شمارش کرده و قدرت نسبی آنها را روی یک نوار LED نشان می دهد. خوانش ها و آستانه ها نسبی هستند، اما این ابزار نسبتاً ارزان هستند و استفاده از آن بسیار آسان است. همچنین جداسازی رویدادهای ESD نوع CDM از سایر انواع انتشار الکترومغناطیسی را ارائه می دهد.

جایگاه فیلد متر استاتیک در اندازه گیری ESD

یک میدان سنج دستی در همه جا به طور گسترده در محیط تولید برای اندازه گیری ولتاژ استاتیک انباشته استفاده می شود. هر اندازه که چنین ابزارهایی برای اندازه گیری ولتاژ در دستگاه های نیمه هادی مناسب باشند، محدودیت هایی نیز دارند. هنگامی که محدودیت ها را بدانیم، در موقعیت بهتری خواهیم بود که از ابزار برای هدف مورد نظر استفاده کنیم و خواندن آن را بهتر درک کنیم. در زیر تنها تعدادی از محدودیت های این دستگاه آورده شده است.

نتیجه گیری

در میان بسیاری از انواع اندازه‌گیری‌هایی که برای اطمینان ESD انجام می‌شود، تنها یک اندازه‌گیری واقعاً به قرار گرفتن در معرض ESD با دستگاه مربوط می‌شود - اندازه‌گیری‌های خود رویدادهای ESD. این اندازه‌گیری‌ها اطلاعات واقعی را فراهم می‌کند که بسیار مرتبط با کسانی است که وظیفه آنها این است که اطمینان حاصل کنند که هیچ دستگاهی در فرآیند تولید در معرض سطوح غیرقابل قبول ESD قرار نمی‌گیرد و همچنین برای کسانی که از این دستگاه‌ها برای مونتاژ بردهای رایانه شخصی و محصولات نهایی استفاده می‌کنند فقط مدیریت ESD مبتنی بر نتایج می تواند واقعاً مؤثر باشد و این همان چیزی است که اندازه گیری رویدادهای ESD ارائه می دهد.