מאת: יובל הרניק, ריצ’רד זוראט ויוסי צברי, VISHAY Precision Group
מהם הסיכונים הטמונים בפריקה
אלקטרו–סטטית (ESD)
נזק מפריקה אלקטרו-סטטית עלול להתרחש בכל שלב של חיי רכיב, החל משלב הייצור ועד השלב של היותו בשימוש. במשך שנים רבות שלטה המחשבה שרכיבים מוליכים למחצה, כגון דיודות וטרנזיסטורים, הם הרגישים במיוחד לפריקה אלקטרו-סטטית. עם זאת, אנחנו יודעים כיום שרכיבים פסיביים, כגון נגדים, עלולים לעתים להיות רגישים לפריקה אלקטרו-סטטית, אף יותר מאשר רכיבים אקטיביים. מגוון רחב של רכיבים אלקטרוניים עלול להינזק על ידי פריקה אלקטרו-סטטית, אלא אם ננקטים אמצעי זהירות מסוימים. הגורם הנפוץ ביותר לנזק מפריקה אלקטרו-סטטית הוא ההעברה הישירה של מטען חשמלי מגוף של אדם או מחפץ טעון כלשהו אל התקן רגיש לפריקה אלקטרו-סטטית (ESD-sensitive – ESDS).
נגדים ופריקה
אלקטרו–סטטית
הרגישות לפריקה אלקטרו-סטטית בנגדים היא פונקציה של הגודל, הערך, המבנה הפיסי והעובי. ככל שהנגד קטן יותר, כך יש מרחב קטן יותר לפיזור האנרגיה הנגרמת על ידי אות הפריקה האלקטרו-סטטית. כאשר אנרגיה זו מרוכזת באזור קטן של החלק הפעיל בנגד, ובמיוחד במקום שבו יש צפיפות זרם גדולה, או “נקודות חמות”, (Hot Spot) החלק ההתנגדותי עלול להתחמם עד לנקודה שבה נוצר נזק בלתי הפיך. עם העלייה במגמת מזעור, ההתקנים האלקטרוניים, לרבות נגדים, הופכים להיות קטנים יותר ויותר, עובדה הגורמת להם להיות פגיעים יותר לנזקי פריקה אלקטרו-סטטית. השינויים בהתנגדות, הנובעים מנזק שנגרם על ידי פריקה אלקטרו-סטטית, בדומה לשינויים הנגרמים מעומס, קבועים ויכולים להגדיל או להקטין את ערך ההתנגדות של ההתקן כתלות בתכנון ובטכנולוגיה של הנגד.
שלוש קטגוריות של נזק מפריקה
אלקטרו–סטטית
כשל פרמטרי (Parametric Failure) מתרחש כאשר אירוע של פריקה אלקטרו-סטטית משנה פרמטר אחד, או יותר, מבין הפרמטרים של ההתקן (במקרה של נגדים תהיה זו ההתנגדות), וגורם לו לא להימצא בתחום האפיצות (Tolerance) הנדרשת שלו. המשמעות של סוג כזה של תקלה אינה איבוד יכולת התפקוד. כשל פרמטרי בהכרח עלול להתרחש אף אם ההתקן עדיין מתפקד. לדוגמה, אם נגד של 10 קילו-אוהם עם אפיצות של אחוז אחד נפגע מאירוע פריקה אלקטרו-סטטית אשר משנה את ההתנגדות שלו ל-11 קילו-אוהם (סטייה של 10 אחוזים), ההתקן עדיין יוכל לתפקד כנגד. ואולם הפרמטרים שלו ישתנו והוא לא יהיה עוד מתאים לייעודו המקורי. התוצאות של שינויים כאלה עלולות שלא להתגלות באופן מיידי, אלא ייתכן שיורגשו רק כאשר יהיו שינויים בטמפרטורה של המעגל, בהלמים תרמיים (Thermal Shocks), מתוך פעולה בעומס או כתוצאה מכל השפעה שמשנה פרמטרים, אשר במצב רגיל הייתה נספגת בתוך מעטפת השגיאות המתוכננת.
נזק הרסני (Catastrophic Damage) מתרחש כאשר אירוע פריקה אלקטרו-סטטית גורם להתקן להפסיק לתפקד באופן מיידי. מצב זה עלול להתרחש לאחר אירוע אחד או לאחר מספר אירועים של פריקה אלקטרו-סטטית מתוך כמה וכמה סיבות, כמו למשל פריקה מגוף של אדם או אף מהימצאות של שדה אלקטרו-סטטי.
נזק נסתר (Latent Damage) מתרחש כאשר אירוע פריקה אלקטרו-סטטית גורם להתקן נזק מתון, נזק שלא ניתן להבחין בו, מאחר שנראה שההתקן מתפקד כביכול בצורה תקינה. עם זאת, אורך חיי הפעולה של ההתקן התקצר באופן משמעותי ביותר. הידרדרות נוספת שנגרמת על ידי מאמצים במצב פעולה עלולה לגרום להתקן להתקלקל במהלך הפעולה הרגילה. נזק נסתר הוא המקור לדאגה הגדולה ביותר מאחר שקשה ביותר לגלות אותו בעזרת מדידה חוזרת או באמצעות בדיקה חזותית, מאחר שייתכן שהנזק התרחש מתחת לציפוי החיצוני.
טכנולוגיות של נגדים ורגישות לפריקה אלקטרו–סטטית
בטכנולוגיות שונות של נגדים קיים מגוון רמות של רגישות לנזק מפריקה אלקטרו-סטטית. הנזק הנגרם להתקן רגיש לפריקה אלקטרו-סטטית תלוי ביכולתו של ההתקן לפזר את האנרגיה ולעמוד ברמות האנרגיה והמתח הכרוכות בכך. כאשר מדובר בנגדים, נזק כזה יופיע בדרך כלל בצורה של שינוי בהתנגדות החשמלית של ההתקן. מצב כזה עלול להיות קריטי במיוחד בנגדים אשר מהם נדרשים רמת דיוק ואמינות גבוהה.
שלוש הטכנולוגיות הנפוצות ביותר בנגדים הן: שכבה דקה (Thin Film), שכבה עבה (Thick Film) ויריעה . לכל אחת מהן יש מאפיינים ייחודיים המתייחסים לפריקה אלקטרו-סטטית.
נגדי שכבה דקה (Thin Film) מבוססים על נידוף מתכת (evaporation or sputtering process) מתכת שעובייה מאות ספורות של אנגסטרם בלבד, שנוצר בתהליך ואקום על מצע קרמי. מצב זה מגביל באופן חמור את היכולת של ההתקן לעמוד באנרגיה המועברת דרכו במהלך פריקה אלקטרו-סטטית, עובדה הגורמת לנגד להיות רגיש ביותר לנזקים הנגרמים מפריקה אלקטרו-סטטית. כתוצאה מכך, נגדי שכבה דקה רגישים לאנרגיה וההתנגדות שלהם עלולה להשתנות עד 5 אחוזים לפני שהפריקה אלקטרו-סטטית גורמת לקרעים בשכבת ההתנגדות או להתכתה. בגלל מסת המתכת הקטנה שלהם, נגדי שכבה דקה גם רגישים לאיכול-עצמי (etching) בנוכחות של לחות. אדי מים צוברים זיהומים כשהם חודרים למעטפת ומפתחים תהליכי איכול כימיים אשר יכולים לגרום לנגד להיות בנתק בתוך שעות אחדות בעת שימוש ב-DC במתח נמוך.
נגדי שכבה עבה (Thick Film) מורכבים מחלקיקי מתכת מוליכים בנתונים המפוזרים אקראית בתוך מצע חלקיקי לא מוליך, בדרך כלל קרמי, ועל כן הם ידועים גם בשם נגדי cermet. הזרם העובר דרך הנגד עוקב אחרי המגעים האקראיים הנוצרים בין החלקיקים המתכתיים. נחשולי הספק גורמים לפריצות בחלק מאזורי הבידוד שבין החלקיקים ובכך מקטינים את ההתנגדות על ידי יצירה של נתיבי זרם נוספים. לכן, נחשולים של פריקה אלקטרו-סטטית גורמים כמעט תמיד להקטנה של ההתנגדות. עובדה זו מוכחת היטב עד כדי כך שיצרני הנגדים בשכבה עבה משתמשים בנחשולי הספק מבוקרים על מנת לכייל את הנגדים להתנגדות ולאפיצות הדרושים, אפיצות שבדרך כלל נמצאת בין 5 אחוזים ל-20 אחוזים. הרגישות לשינויים אינה נפסקת בשלב הייצור, והנגד נתון לשינויים דומים בכל פעם שהוא נפגע באירוע פריקה אלקטרו–סטטית. השינויים הנוצרים כתוצאה מהפריקה האלקטרו–סטטית כאשר ההתקן נמצא בשימוש רגיל, עלולים לגרום לשינויים בהתנגדות שיכולים להגיע עד 50 אחוזים, שינוי שמספיק לגרום לתקלה.
נגדי יריעה Bulk Metal® Foil לנגדים אלו יש כמה מאפיינים שהופכים אותם לעדיפים על נגדי שכבה דקה ובנוסף על נגדי שכבה עבה בכל הנוגע לעמידה בפריקה אלקטרו-סטטית. נגדי יריעה Bulk Metal® Foil מורכבים משכבה יחידה של סגסוגת מתכתית מיוחדת עם תכונות ידועות ונשלטות. את הסגסוגת מרדדים לצורת יריעה מתכתית אשר אותה מדביקים על גבי מצע קרמי בעל מוליכות חום גבוהה, עם מגע מרבי בממשק שבין שכבת ההתנגדות למצע הקרמי, למען קבלת מוליכות מרבית של החום. כיריעה, המבנה המולקולרי של החלק ההתנגדותי זהה לזה של הסגסוגת הבסיסית, ועל כן יש לו אותה יציבות מטלורגית, אותה היכולת לעמוד בנחשולי הספק ואותה סחיפה (Drift) בטווח הארוך. שכבת ההתנגדות של נגדי היריעה בדרך כלל עבה פי 100 מנגדי שכבה הדקה, ולכן יכולת העמידה בפני טמפרטורה גבוהה של שכבת ההתנגדות גבוהה בהרבה בהשוואה לזו של השכבה ההתנגדותית בנגדי השכבה הדקה. יש לציין כי נגדי ה-Bulk Metal® Foil מיוצרים בישראל.
טבלה 1 מאפיינים חשמליים של שבבי יריעה ושכבה דקה
טבלה 2 פריקה אלקטרו–סטטית של 2 קילו–וולט – השוואת הסטיות, נגדי יריעה (Foil) לעומת נגדי שכבה דקה (TF)
טבלה 3 פריקה אלקטרו–סטטית של 3 קילו–וולט – השוואת הסטיות, נגדי יריעה (Foil) לעומת נגדי שכבה דקה (TF)
טבלה 4 פריקה אלקטרו-סטטית של 24 קילו-וולט - השוואת הסטיות, נגדי היריעה לעומת נגדי שכבה דקה
בדיקת הרגישות של נגדים לפריקה
אלקטרו–סטטית
יצרנים בודקים את הרגישות לפריקה אלקטרו-סטטית (ESDS) על פי בקשה של לקוח, אך בדרך כלל אין הם מפרסמים את מפרטי הרגישות לפריקה אלקטרו-סטטית בדפי הנתונים שלהם. עם זאת, הרגישות של נגדי שבבים (Chip resistors) מדויקים לפריקה אלקטרו-סטטית תלויה בגורמים הבאים:
טכנולוגית הייצור (שכבה עבה, שכבה דקה או יריעה)
גודל השבב
העובי של השכבה ההתנגדותית
מבנה הנגד
התכנון של תבנית השכבה ההתנגדותית
בבדיקת ההשפעה של הגורמים האלו, התוצאות תלויות גם בשיטת הבדיקה שבה משתמשים.
טבלה 1 מציגה פרמטרים אופייניים עבור שתי טכנולוגיות עיקריות המשמשות בייצור של נגדי שבבים מדויקים להתקנה משטחית (surface mount): נגד יריעה (®Bulk Metal Foil) ונגד שכבה דקה (Thin Film).
שבבים של Bulk Metal® Foil מיוצרים על ידי הדבקה של סגסוגת ניקל כרום, אשר מרודדת לעובי שבין 2 מיקרון ל-10 מיקרון, על מצע קרמי. לעומת זאת, הייצור של שבבי שכבה דקה כרוך בנידוף מתכתי (deposition) של שכבה, בעיקר כזו העשויה מניקל כרום או מטנטלום חנקני שנוצר בתהליך ואקום על מצע קרמי. העובי האופייני של השכבה הדקה הוא בערך מאית מזה של נגד Bulk Metal® Foil.
התוצאות הבאות (מופיעות בטבלאות 2, 3, ו-4) מדגימות את הבדיקות של פריקה אלקטרו-סטטית על נגדי שבבים מסוג שכבה דקה, שכבה עבה ויריעה בגודל מארז 1206. ההדמיות של הפריקה האלקטרו-סטטית (לפי תקן IEC 6100 – 4-2) מבוססות על מודל הגוף האנושי (HMB). אות פריקה אלקטרו-סטטית בעל מתח ניתן לכוונון הופק על ידי פריקה של קבל של 150 פיקו-פאראד אל תוך היחידה הנמצאת בבדיקה, עם נגד פריקה של 330 אוהם בטור.
העליונות של הנגדים המדויקים בטכנולוגיית Bulk Metal® Foil בהשוואה לנגדי השכבה הדקה בהיותם נתונים לפריקה אלקטרוסטטית, נזקפת בעיקר לעובי הגדול יותר שלהם ולכן, קיבולת החום של שכבת היריעה ההתנגדותית, תהיה גדולה יותר בהרבה בהשוואה לזו של השכבה הדקה. נגדי שכבה דקה נוצרים באמצעות תהליכי נידוף מתכתי של חלקיקים (אידוי או sputtering) ואילו נגד ה-Foil הוא סגסוגת בעלת נפח עם מבנה גבישי שנוצר באמצעות רידוד חם וקר של החומר המותך. בדיקות מראות שנגדי שבב Bulk Metal® Foil יכולים לעמוד באירועים של פריקה אלקטרו-סטטית בעלי יותר מ-25 קילו וולט ואילו לנגדי שבב בשכבה דקה נגרמו כשלים אסוניים, במצבים של פוטנציאל חשמלי של 3000 וולט בלבד, וכשלים פרמטריים במתחים נמוכים עוד יותר. אם סביר שהיישום יעמיד את הנגד באותות פריקה אלקטרו-סטטית בעלי עוצמה משמעותית, הבחירה הטובה ביותר עבור הנגד תהיה מסוג יריעה Bulk Metal® Foil.
1a
1b
2a
2b
סיכום תוצאות הבדיקה
הטבלאות 2,3 ו-4 מפרטות את מתחי הבדיקה, את מספר הנגדים שהשתנו ביותר מאשר 0.5 אחוז ואת ההתפלגות (לפי טווחים של סטיות) עבור נגדים שהשתנו בפחות מ-0.5 אחוז. למשל, אחרי פריקה אלקטרו-סטטית של עד 24 קילו-וולט, כל 20 שבבי היריעה של 30 אוהם השתנו בפחות מ-0.2 אחוז: אחד השתנה בפחות מ-0.01 אחוז, שלושה השתנו בין 0.01 אחוז ל-0.02 אחוז, 14 השתנו בין 0.02 אחוז לבין 0.05 אחוז, אחד השתנה בין 0.05 אחוז לבין 0.1 אחוז ואחד השתנה בין 0.1 אחוז לבין 0.2 אחוז.
מנגנוני הכשל של הפריקה האלקטרו-סטטית שנצפו הם:
נזק שנגרם ממאמצים – נגדי השכבה הדקה הציגו סדקים של המצע כתוצאה ממאמצי החום שהופיעו כאשר המצע התחמם בפתאומיות בצדו האחד, כתוצאה מההתחממות הקיצונית של השכבה ההתנגדותית (עיין באיור 1). כפי שנראה באיור 2, נגדי היריעה (Foil) נותרו ללא פגע.
תזוזה של החומר ההתנגדותי ממקומו או התאדותו כתוצאה מהגורמים הבאים:
חום שנוצר בנקודה של צפיפות אנרגיה גבוהה
פריצת ניצוץ במרווחים קטנים בין קווים התנגדותיים, במיוחד בתבניות שכוללות מעט קווים ועל כן נוצר הפרש פוטנציאלים גבוה בין קווים סמוכים או על פני חתכים שנעשו באמצעות לייזר במסלולי מעקפים.
איור 1 מציג את נגד השבב בשכבה דקה בהגדלה של 1000x לפני (a) ואחרי (b) פגיעה של אות פריקה אלקטרו–סטטית של 3,500 וולט. אפשר לזהות בקלות את הסדקים באיור 1 (b). האות של 3,500 וולט גרם לא רק לשינוי של ההתנגדות, אלא גם לשינויים בהתנגדות TCR וליצירה של רעש. הבעיות העיקריות עם נגדי שכבה דקה הן אמינות ויציבות לטווח הארוך.
איור 2 מציג את נגד היריעה (VSMP 1206 של 10 קילו אוהם) של Vishay Precision Group בהגדלה של 1000x לפני (a) ואחרי (b) פגיעה של אות פריקה אלקטרו-סטטית גדול אף יותר, של 10,000 וולט. החלק ההתנגדותי נותר ללא פגע.
הדגמה חיה (Demo)
אפשר להשיג עתה קטע וידיאו מקוון בן ארבע דקות אשר מדגים את ההשפעות של פריקה אלקטרו-סטטית על שלוש טכנולוגיות הנגדים השונות שהוצגו כאן, באתר החברה. (VPG)
מסקנות
כאשר מדובר בעמידה בפריקה אלקטרו-סטטית יש לנגדי היריעה יתרון ברור בהשוואה לעמידותם של נגדי שכבה דקה.
נגדי היריעה יכולים לטפל באנרגיה של פריקה אלקטרו-סטטית בעוצמה הגבוהה יותר בסדר גודל לעומת שכבה דקה בלי שיעברו שינוי בהתנגדות.
התקן של הגנה מפני פריקה אלקטרו-סטטית עבור נגדי שבבים נמצא בטווח שבין 0.5 קילו-וולט לבין 3 קילו-וולט, אולם נגדי יריעה Bulk Metal® Foil יכולים לעמוד באותות פריקה אלקטרו-סטטית של עד 25 קילו-וולט ללא שינוי משמעותי בהתנגדות (שינויים שנמדדו היו פחות מ-0.2 אחוז עבור נגדים של 30 אוהם ופחות מ-0.01 אחוז עבור נגדים של 1000 אוהם).
נגדי שכבה דקה ממקורות שונים ועם ערכים שונים מציגים התנהגות לא אחידה ביחס להשפעות של פריקה אלקטרו-סטטית. ייתכן שמצב זה הוא תוצאה של תכנון התבנית שאינו אופטימלי לעמידה בפריקה אלקטרו-סטטית, או תוצאה של תהליך נידוף השכבה שאינו אחיד, או תוצאה של חומר המצע שאינו באיכות המשובחת ביותר
הכתבה נכתבה על ידי יובל הרניק מנהל הנדסת יישומים ויחד עם ריצ’רד זוראט, מהנדס פיתוח בכיר, ויוסי צברי, מהנדס יישומים
הכתבה נמסרה באדיבות חברת:
Vishay Precision Group.
