ESD는 생활속에서 늘 발생한다.
대부분의 소비자는 일반적으로 자신이 매일 의존하게되는 전자 장치에 가장 큰 위험이 있다는 것을 인식하지 못한다.
정전기가 잘 발생하는 환경에서 민감한 전자 반도체가 포함 된 장치를 만지면 고장난다는 것을 모른다.
주변의 공기가 매우 건조하거나 차가울때, 차 문의 금속을 만질 때 따끔하는 정전기 방전(ESD) 를 느낄수 있다.
순간 깜짝 놀라고 마는 이 느낌이, 전자 장비에 어떤 충격을 줄 수 있는지 상상할 수 있을까?
ESD 이벤트는 휴대폰을 터뜨릴 정도로 심각하지 않을 수 있다.
키패드나 버튼이 갑자기 작동하지 않으면, 사전에 없애지 못한(또는 제어하지 못한) ESD 로 이미 손상되었을 수 있다.
USB 또는 이더넷과 같은 인터페이스 포트가 다른 장치에 연결할때 제대로 작동하지 않는 경우가 있다면, ESD가 아마도 범인 일 것이다.
ESD 이벤트는 마찰 대전 (triboelectric charge)으로 알려진 현상부터 시작되는데, 두 물질이 접촉하여 빠르게 분리 될 때 발생한다.
ESD 충격을 가할때 전하가 얼마나 높은지는 접촉하는 표면의 면적, 분리 속도, 상대 습도 및 재료의 화학성과 같은 여러 요인에 따라 달라딘다. ESD 사건은 하루에 수천 번 발생하지만, 카펫을 가로 지르거나 문 손잡이를 잡는 등 약간의 가벼운 자극을 유발할 정도로 방전이 심하지 않으면 대부분 눈에 띄지 않는다. 생성 된 전하는 수백에서 수만 Volt 에 이를 수있다.
ESD 전압 level은 접촉하는 물질에따라, 공기중 습도에 따라 달라진다. 아래표
비용에 민감한 반도체 제조 부문에서, ESD 구조는 IC 에 포함 시키기에는 너무 크고 비용이 많이 들었다.
이로 인해 IC 공급 업체는 자사 제품에서 제공하는 내부 ESD 보호 기능을 제거하거나 크게 줄였다.
이러한 IC가 소비자 제품에 설치되면 훨씬 더 심각한 ESD 불량이 발생할 수 있다. 물론, 제조환경에서는 ESD 환경을 잘 제어해 IC가 불량이 발생하지 않는다.
충돌하는 이해
인체 모델 (HBM)에서 일반적으로 사용하는 ESD 테스트 모델은 제조 환경과 관련이 있다.
사용자가 제품을 다루는 현장을 모사한 ESD 평가는 IEC (International Electrotechnical Commission) IEC 61000-4-2에 의해 정의 된보다 엄격한 모델을 사용한다. 대부분의 IC 공급 업체는 현재 HBM에 따라 500V에서 제품을 테스트하지만 OEM은 IEC 표준 을 사용하여 8000V 이상에서 테스트한다.
최악의 경우 HBM ESD의 전류 레벨은 IEC61000-4-2의 전류 레벨보다 훨씬 낮다.
(표 2에서 빨간색으로 강조 표시됨). HBM에 설명 된 동일한 8kV 이벤트와 비교하여 IEC 61000-4-2에 설명 된 8kV 이벤트는 전류가 5.6 배 크다.
HBM 테스트 (제조 환경 테스트 조건)에서 살아남은 칩셋은 ESD 노출이 훨씬 더 심각한 현장에서 생존 할 수는 없다. 대부분의 IC 공급 업체가 HBM을 사용하여 500V까지만 테스트한다는 점을 고려하면 칩셋은 현장에서 8kV ESD 과도 전류에 비해 거의 100 배 증가한 전류를 볼 수 있으며, ESD 보호 기능이 설계에 추가되지 않는 현장에서 불량을 막을 수 없다.
차이 줄이기
이 같은 불량을 막기위해
지난 몇 년 동안 응용 프로그램 테스트 요구 사항이 점점 엄격 해졌다.
8kV의 ESD 이벤트는 일반적으로 가장 낮은 수준이다. 테스트 수준은 20kV, 심지어 30kV로 추세를 보이고 있으며 IC 공급 업체들은 실리콘 영역을 절약하기 위해 보호 기능을 지속적으로 제거하여 더 많은 기능을 제공하고 있다.
IC ESD 기능과 현장의 ESD 노출 수준 사이의 차이를 줄이기 위해 보완적인 ESD 보호에 대한 요구가 증가하고 있다.
일반적으로 TVS (과도 전압 억 제기) 다이오드라는 올바른 ESD 보호 장치를 선택하는 것이 중요하다.
TVS 다이오드는 최종 응용 제품이 불량없이 계속 작동하고 필수적이다.
모든 보호 솔루션에는 클램핑 특성과 관련된 고유 저항 값이 있다.
이상적인 솔루션은 고유 저항을 최소화해, ESD 발생시, 보호 소자를 통해 빨리 charge가 빠져 나가도록 만들어준다. 아래 그림.
8kV ESD 과도 상태가 인가될때, TVS나 바리스터에 의해 빨간색선으로 표시한 전압 level이 보라색으로 clamping 된다. 빗급 화살표만큼의 에너지가 TVS를 통해 Ground로 빠져 나갔다고 해석할 수 있다.
TVS diode의 turn on 저항이 크면 V=I*R에 의해 보라색 level은 높아지고, IC를 ESD로 부터 보호하지 못하게 된다.
마무리
IC 설계자는 제한된 IC size에 더 많은 기능을 제공하려고 ESD 보호 기능을 줄인다.
반대로, IC를 사용하는 SET업체는 제품의 수명을 보장하기 위해 IEC61000-4-2 국제 표준에 따라 가혹하게 테스트한다.
양쪽의 충돌되는 이해관계를 해소하기 위해 즉,
IC자체에서 ESD를 보호하지 못하더라도, 8KV 이상의 가혹조건의 ESD 평가를 통과하기 위해선 TVS diode 사용이 필수 다.
TVS diode는 기생 Capacitance가 작을 뿐 아니라, IC를 보호 할 수 있도록 낮은 클램핑 전압을 제공 할 수 있다.