AMAZINGIC晶焱科技：在生產(chǎn)線或應(yīng)用時，造成EOS破壞的原因

隨著半導(dǎo)體制程技術(shù)越來越先進、操作電壓越來越低以及系統(tǒng)功能越來越復(fù)雜，導(dǎo)致EOS (Electrical Over Stress，過度電性應(yīng)力) 更容易竄到系統(tǒng)內(nèi)部，使得損壞面積加大。多年來，EOS一直是科技產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品故障率最高的原因之一。但就解決時間和成本而言，發(fā)生EOS的代價過于昂貴，因此在大多數(shù)的應(yīng)用中，會提供產(chǎn)品中的失效元件給供應(yīng)商，供應(yīng)商利用專業(yè)的量測與分析來判斷失效現(xiàn)象并尋找出失效的根本原因，以此實施有效的解決方案，否則極可能會影響整個產(chǎn)品的長期可靠性。

如圖一所示，造成EOS破壞的原因可以分為三大類。第一類為自然環(huán)境的EOS事件：主要發(fā)生在戶外或有連接戶外線纜的產(chǎn)品。如連接室外網(wǎng)路線的路由器、連接室外攝影機的DVR監(jiān)控主機或連接室外天線的電視機等等，在天氣不佳時可能直接遭受雷擊的攻擊，亦或因間接雷擊感應(yīng)至線材而竄進產(chǎn)品內(nèi)部，皆是造成EOS損毀的原因之一。此外，雖然很多系統(tǒng)會針對室外電纜接口完成EOS防護設(shè)計，但若系統(tǒng)接地不良造成雷擊能量宣泄不及，可能透過與其他系統(tǒng)連接的介面(如HDMI)宣泄到相連接的系統(tǒng)，此時極可能造成此連接兩系統(tǒng)的介面發(fā)生EOS損毀。

第二類為系統(tǒng)操作時的EOS事件：這一類的事件除了在消費者使用系統(tǒng)時可能發(fā)生，亦有可能出現(xiàn)在工廠生產(chǎn)線測試或組裝階段。常見的現(xiàn)象包括：測試電流或電壓不穩(wěn)定、測試治具破損、接頭排針或觸點歪斜導(dǎo)致錯孔、接頭反接、帶電切換開關(guān)、熱插拔…等等。熱插拔意味著在帶電的情況下，突然改變電流，因此可能產(chǎn)生危險的感應(yīng)電壓影響系統(tǒng)運作。而且在插拔時，極易造成線纜中電源或訊號發(fā)生overshoot或undershoot的不穩(wěn)定現(xiàn)象。更嚴重的情況可能發(fā)生在連接兩個接地電位不同的設(shè)備時，極可能因過大電壓差或大電流而發(fā)生EOS損毀，此時甚至可以觀察到火花。為了避免熱插拔造成的 EOS 損壞，許多行業(yè)會在連接器上使用先插后斷 (First Mate Last Break, FMLB) 的接地點，執(zhí)行上只需延長接地觸針即可。使用這樣的連接器時，接地觸針會先觸碰系統(tǒng)的地，在拔出過程中最后斷開，從而確保有100%可靠的接地電位可以參考。

此外，還需要特別注意電源端是否有電壓不穩(wěn)定的狀況，在開發(fā)中國家的電源基礎(chǔ)設(shè)施可能不夠健全，因此容易有電源電壓不穩(wěn)定的情形，導(dǎo)致大能量的突波，造成EOS破壞。上述系統(tǒng)工作期間可能遭遇的EOS事件，可以透過系統(tǒng)的散熱設(shè)計、穩(wěn)壓設(shè)計、有效的OVP或TVS防護方案來減低EOS對產(chǎn)品造成的破壞。

第三類是因瞬態(tài)雜訊 (transient noise) 所引起的EOS事件：這樣的現(xiàn)象可能存在于系統(tǒng)耦合RF、雜散EMI或電磁脈沖…等，而發(fā)生EOS現(xiàn)象。舉例來說，當(dāng)使用天線或雷達時，若有雜訊被天線接收，系統(tǒng)中需要設(shè)計適當(dāng)?shù)姆雷o電路及濾波電路，否則經(jīng)由電路放大后的雜訊可能造成探測器的電路永久損壞。而在配電箱電源或電路中的繼電器開關(guān)切換時，高頻的突波亦可能直接損壞系統(tǒng)。因此在負載較大的電路中或設(shè)備較敏感時，應(yīng)考量添加防護元件或使用穩(wěn)壓設(shè)備。此外，若系統(tǒng)中存在馬達或逆變器等容易產(chǎn)生雜訊的部件，若未經(jīng)適當(dāng)?shù)钠帘位蚋綦x，原有的高頻突波透過線纜的電感和電容效應(yīng)，亦可能在后端轉(zhuǎn)變成低頻的EOS突波[1]，進而導(dǎo)致后端產(chǎn)品受到EOS損壞。

圖一、造成EOS的根本原因

根據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，最常見的EOS原因包含熱插拔、過電壓、電源突波和元件焊接錯誤，大部分損壞不是發(fā)生在元件制造過程中，而是發(fā)生在PCB/模組組裝過程中(約30 %)或應(yīng)用過程中(約40%) [2]。另外在分析EOS問題時，最重要的是充分描述發(fā)生情況以及量化數(shù)據(jù)，包括異常是如何被發(fā)現(xiàn)？是否可以復(fù)現(xiàn)？應(yīng)用場景？突波可能的路徑與能量大小，甚至是IC損壞的情形(封裝熔化/打線燒斷/晶片燒毀)等等，這些資訊可以讓EOS分析變得更加準確。如以下實際案例，搜集損毀的樣品，發(fā)現(xiàn)大多IC燒毀的情況皆為單一元件被熔毀所造成的損害，使用surge設(shè)備復(fù)現(xiàn)出相同的燒毀現(xiàn)象后，進而得知是遭受7A左右的8/ 20?s突波能量導(dǎo)致?lián)p壞，因此可以建議使用IPP大于7A的防護元件提供系統(tǒng)保護，能夠改善當(dāng)前60%以上的EOS問題，如圖二。這就是譬如把TVS想像成保險絲的概念，萬一TVS損毀時，可以使用復(fù)現(xiàn)的方法得知遭遇多大的突波能量，進而選擇更加正確的TVS。只要設(shè)計時在端口或是電源加入適當(dāng)?shù)腡VS防護元件，既可以在事前做好防護的工作，避免系統(tǒng)產(chǎn)品損壞或死機，導(dǎo)致?lián)p耗提高成本，也可以減少客退問題，提升公司的品牌形象。

圖二、使用Surge機臺復(fù)現(xiàn)出EOS損毀現(xiàn)象

晶焱科技有先進的靜電放電防護設(shè)計技術(shù)，特別針對需要EOS防護的產(chǎn)品，開發(fā)出不同封裝且多種規(guī)格的突波防護元件，可供客戶依照產(chǎn)品需求做選用，如圖三。晶焱科技利用自有的專利技術(shù)推出一系列保護元件，對應(yīng)不同的應(yīng)用提供0603的方案，單體ESD耐受度皆超過30kV且具有EOS防護的能力。其中0603封裝大小只有1.6 mm x 1.0mm，厚度只有0.5 mm，可滿足新產(chǎn)品對于小封裝的需求。隨著未來的新科技走向，晶焱科技將持續(xù)開發(fā)出更加符合市場客戶需求的防護元件，亦可提供客制化產(chǎn)品的完美方案。

圖三、晶焱科技在DFN1610包裝的EOS防護方案列表