Защита светодиодов от электростатического разряда

 

 

Введение.

 

Современные источники света с использованием светоизлучающих диодов (СИД) все более активно используются в различных устройствах и приборах, успешно конкурируя с другими источниками света. Этому способствует появление СИД с высокой яркостью, перекрытие видимого диапазона волн, многообразие диаграмм излучения, типов корпусов. Для управления большими массивами СИД появляется все больше интегральных микросхем (ИС) для питания, регулировки яркости свечения и коммутации у многих крупных производителей электронных приборов.

 

Современные СИД обладают высокой эффективностью за счет использования гетероструктур (www.leds.ru/anl17.html). При этом толщина слоя гетероперехода, где происходит излучательная рекомбинация составляет несколько нанометров. Использование тонких структур приводит к чувствительности полупроводникового прибора на их основе к электрическим перегрузкам. Электрической перегрузкой называют состояние, при котором на какой –либо вывод электронного полупроводникового прибора (ЭПП) подано напряжение, превышающее величину, указанную в предельно допустимых параметрах в документации на прибор (Absolute Maximum Ratings). Электрические перегрузки происходят в виде выбросов напряжения при коммутации, подаче питания, электростатических разрядах и др.

 

В данной статье рассматриваются способы защиты СИД, источником которых является электростатический разряд (ЭСР). Данный источник перегрузок имеет ряд особенностей, что определяет выбор соответствующих средств защиты. Отличительные особенности перегрузок от электростатики и других источников представлены в табл.

 

	Электростатический разряд	Электрические броски
Напряжение	До +/- 15 кВ	4 кВ
Энергия	10 мДж	300 Дж
Частота повторения	Единичный	6 импульсов / мин.
Предельная частота	1 гигагерц	350 килогерц
Подверженная аппаратура	Приборы, испытывающие прикосновение людьми	Линии переменного тока, измерительные линии, линии передачи данных

 

Электростатический разряд (ЭСР) – это быстрая однократная, сильноточная передача заряда между двумя объектами с разными электрическими потенциалами. СИД подвержены выходу из строя во время электрического монтажа, сборки устройства, настройки, а также во время эксплуатации, если к выводам СИД возможны прикосновения или воздействие электрического поля. Это приводит к необходимости установки средств защиты для СИД от воздействия ЭСР.

 

Для изучения устойчивости ЭПП к электростатическим разрядам и разработки средств защиты были разработаны три модели ЭСР, отражающие реальные ситуации ЭСР для различных заряженных объектов и условий передачи заряда (www.analog.com ADI Reliability HandBook on EOS ESD).

 

Модель тела человека (Human Body Model).

 

Это наиболее ранняя и хорошо изученная модель. Эта модель была принята в полупроводниковой промышленности в конце 60-х годов, как метод для моделирования отказов перехода в полевых транзисторах, используемых в бортовом управляющем компьютере при выполнении космической программы США Титан III. Эта модель состоит из простой RC цепи с величиной R и С, выбираемой для моделирования ЭСР от кончика пальца человека, прикасающегося к ИС. Хотя эта модель активно использовалась в 70-е годы, отсутствие стандарта для проведения тестирования приводило к плохому согласованию результатов для одинакового порога у разных систем тестирования.

 

Согласие между разными тестами было улучшено с появлением стандарта на военные ЭПП “MIL-STD-883 Метод 3015 Классификация чувствительности к ЭСР”. Этот метод предполагал R = 1500 Ом, С = 100 пФ (см рис.).

 

 

Пиковое значение тока ЭСР определяется как:

 

Iэср = Uэср / (R2 + Rэпп).

 

Например, пиковое значение тока при напряжении Uэср = 10 кВ и нулевом сопротивлении испытуемого ЭП составит 6.6 А. Кривая импульса тока имеет нарастающий участок длительностью 6-8 нс и экспоненциально затухающий участок длительностью T = R2*C1 = 150 нс.

 

Стандарт MIL-STD-883 не обновлялся с 1989 г. Позже появились два новых стандарта, которые более тщательно описывали систему испытаний: ESD-STM5.1-1998 (ссылка Ассоциация ESD) и EIA/JEDEC Test Method A114-A (Япония). Они отличаются количеством импульсов разряда, которое нужно произвести, сопротивлением R2 (500 Ом) и критерием повреждения (предполагается тестирование всех максимально допустимых параметров по документации на ЭПП).

 

Машинная модель (Machine Model).

 

Машинная модель использует ту же электрическую схему, что модель тела человека за исключением использования нулевого сопротивления R2 и использования большей емкости C1 = 200 пФ. И за большого тока на нулевом сопротивлении напряжение при котором испытуемый ЭП выдерживает разряд составляет 1/5 или 1/20 от напряжения при котором не происходит нарушений для испытаний по модели тела человека.

 

Модель с заряженным прибором (Charged Device Model).

 

Модель с заряженным прибором была впервые использована AT&T в 1974 г. для моделирования разряда при воздействии на прибор электрического поля, который не описывается моделью тела человека. Эта модель предполагает, что испытуемый ЭП заряжается непосредственно трибоэлектричеством, либо через внешнее электрическое поле. Далее, каждый вывод ЭП разряжается до нулевого потенциала. Это приводит к тому, что заряд накопленный на подложке и других проводящих материалах ЭП будет очень быстро перемещен. Разряд будет мгновенным из за почти нулевого сопротивления ЭПП (1 Ом) и малой индуктивности (1 нГн). Примерами ситуаций, описываемых этой моделью в случае трибоэлектрического заряда являются случаи трения ЭПП о поверхность при перемещении роботом, при извлечении им ЭПП из упаковки, перемещении с поверхности на поверхность, а затем установки на проводящую поверхность. Ситуации заряда во внешнем электрическом поле возникают при быстром снятии крышки с упаковочной катушки с ЭПП и т.д.

 

Модель с заряженным прибором используется при описании ЭСР, наблюдаемого при работе автоматизированного оборудования в производстве, хранении и транспортировке ЭПП. Емкость ЭПП зависит от вида корпуса и составляет 1 пФ для маленьких корпусов и 20 пФ для больших. Форма кривой тока в этой модели, измеренная 10 ГГц осциллографом дает 200 пс для времени нарастания и 2 нс для длительности импульса. Действительное время нарастания не известно. В отличие от модели тела человека в модели заряженного ЭПП подверженность ЭПП разрушению зависит от типа корпуса ЭПП.

 

В настоящее время в электронной промышленности часто используется стандарт ЭСР Международного Электротехнического Комитета (IEC61000-4). Этот стандарт предполагает 2 типа импульса разряда – длительный (8/20 мс –время нарастания / длительность импульса) и короткий (1/60 нс). Форма импульсов тока этого стандарта представлена на рис.

 

 

Механизмы повреждения от ЭСР.

 

Основными механизмами повреждения ЭПП от ЭСР являются:

- плавление проводников,

- повреждение диэлектрика,

- повреждение перехода.

 

Плавление проводников наблюдается при использовании тонких проводников или резисторов. ЭСР вызывает быстрое локальное нагревание проводника, а затем плавление проводящего материала. В большинстве случаев плавление приводит к обрыву проводника, а в случае резистора к изменению его номинала.

 

Повреждение диэлектрика возникает в случае если электрическое поле поперек диэлектрического слоя превышает величину диэлектрического пробоя. Наиболее часто оно возникает в случае описываемом моделью заряженного ЭПП, т.к. большое время нарастания приводит к образованию наибольшего напряжения.

 

Повреждение перехода обычно происходит, когда тонкий поверхностный переход (например, база-эмиттер биполярного транзистора) входит в режим лавинного пробоя с последующим пробоем и наконец термическим разрушением. Последовательность событий в случае пробоя следующая:

1. Происходит превышение порога лавинного пробоя обратно-смещенного перехода,

2. Возникает вторичный пробой в наиболее нагретой точке перехода с тепловой генерацией носителей заряда, превышающей генерацию зарядов для лавинного пробоя,

3. В месте вторичного пробоя протекает большой ток, вызывая локализованное нагревание, локальное нагревание ускоряет генерацию зарядов. Это в свою очередь приводит к дальнейшему увеличению тока, возникают условия для термического разгона, если температура превысит 1415 град. Цельсия возникает плавление кремния.

4. Если температура достаточна для плавления металла, то электрическое поле заставляет мигрировать расплавленный металл вдоль перехода, вызывая замыкание.

 

Проектирование защиты СИД от электростатики.

 

Существующие способы защиты от электростатических перегрузок ЭПП, в том числе СИД можно разделить на несколько типов:

- организационные,

- аппаратные, с использованием ограничителей на нелинейных элементах (стабилитронах и варисторах),

 

Идеальной аппаратной защитой от электрических перегрузок ЭПП является идеальный ключ, который разомкнут (имеет нулевое сопротивление, емкость и индуктивность) для диапазона напряжений нормальной работы ЭПП, и который мгновенно замыкается (т.е. имеет нулевую емкость, индуктивность и сопротивление) при появлении выброса напряжения.

На практике любой прибор защиты не является идеальным ключом. В нормальном режиме работы защищаемого прибора он является источником дополнительного тока утечки, паразитной емкости и индуктивности. Реальный прибор защиты при возникновении выброса имеет определенное время включения и ненулевое сопротивление во включенном состоянии. Это делает проектирование защиты компромиссным, особенно для скоростных ЭПП. Для СИД это относится к их применению в области оптической связи.

Например, на рис. ниже показана схема защиты в виде П - цепи из двух защитных приборов и сопротивления. Назначение защитного приборов 1 как можно ближе удержать напряжение выброса к одному из порогов напряжения нормальной работы СИД. Резистор гасит скорость нарастания тока выброса. Второй защитный прибор удерживает напряжение выброса в диапазоне допустимого напряжения работы СИД.

 

 

Для светоизлучающего диода опасность разрушения представляют как выбросы повышенного прямого напряжения смещения Uf, так и обратного напряжения смещения Ur. Напряжение прямого смещения зависит от структуры СИД (цвета излучения) и лежит в диапазоне от 1.2 В для инфракрасного излучения 800 нм и до 4 В для ближнего УФ 400 нм. Максимально допустимое обратное напряжение смещение для СИД как правила в два раза больше прямого. Поэтому защитный прибор (ключ) должен быть разомкнут вплоть до напряжения Uf СИД и замыкаться при его превышении. Выброс смещающий СИД в обратном напряжении может быть полностью подавлен (ключ замыкается при любом Ur СИД).

Наиболее подходящем ЭПП защиты для СИД может быть стабилитрон с напряжением пробоя немного выше Uf СИД (см рис.).

 

При защите последовательной цепочки СИД следует использовать стабилитрон с напряжением пробоя равным суммарному напряжению прямого смещения цепочки СИД (см рис.).

 

Стабилитрон является ограничивающим прибором и имеет вольтамперную характеристику, показанную на рис. ниже. Кривая имеет две области. Область нормальной работы соответствует напряжению от 0 В до Vrm. В этой области стабилитрон не воздействует на напряжение приложенное к СИД, за исключением небольшого тока утечки (микроамперы) и небольшой паразитной емкости (10 – 500 пФ). Вторая часть ветви соответствует напряжениям от Vbr до Vcl, где происходит подавление выброса до напряжения ограничения Vcl. Причем, напряжение ограничения

 

                                   Vcl = Vbr + Rd * Ipp,

 

где параметры стабилитрона Vbr – напряжение изгиба, Rd – динамическое сопротивление (30..500 Ом), Ipp – значение тока во время выброса (1..20 А). Отрицательные напряжения ограничиваются стабилитроном до напряжения обычного pn-перехода.

 

 

Фирма SGS Thomson (www.st.com AN1826/0104) приводит сравнение защиты выполненной на стабилитронах TRANSIL и варисторах. ВАХ варистора и защитных стабилитронов Transil приведена на рис. ниже. При этом оба прибора были подобраны на одинаковую мощность и напряжение для правильного сопоставления.

Первое, что нужно заметить: варистор является двухполярным ограничителем, а защитные приборы на основе стабилитронов могут быть как одно, так и двухполярными, что обеспечивает большую свободу при проектировании.

Второе, то что ток утечки в области напряжения изгиба у варистора значительно больше. Наконец, стабилитрон имеет более низкое дифференциальное сопротивление Rd в сравнении с варистором. В результате при том же токе ограничения, напряжение на защищаемом приборе будет меньше.

 

 

Результатом указанных различий является форма напряжения при воздействии импульсом ЭСР в несколько киловольт (ток 8/20 мкс) на стабилитрон и варистор в соответствии со стандартом IEC61000-4-2. Время включения для стабилитронов Transil составило порядка 10пс, а для варистора – 500-1000 пс. В первые несколько пикосекунд напряжение на вариcторе составило около 70 В, на стабилитроне – 55В. После этого напряжение на варисторе было – 30 В, на стабилитроне – 15 В. Кроме того, при последовательном воздействии на варистор серии ЭСР его ток утечки увеличивается, что называется эффектом старения. Стабилитрон не подвержен такому эффекту.

 

 

Фирма Philips (http://www.semiconductors.philips.com/) приводит в описании на свои диоды защиты от ЭСР серии BZA и PESD осциллограммы импульса ЭСР и остаточного напряжения на защитном диоде, приведенные ниже.

 

 

Большинство защитных ЭСР диодов выпускаются производителями на напряжения сигналов цифровых шин данных – 3.3, 5 и 12 В. Однако, для защиты СИД лучше подбирать защитные диоды ЭСР с напряжением защиты немного превышающем напряжение прямого смещения СИД. Для этой цели имеются серии защитных диодов с шагом по защитному напряжению от 2 В до более 70 В. Например,

 

- Philips BZX384: от 2.4 В до 75В, корпус SOD323(SC76) с габаритом 2.5 x 1.2 мм,

- Philips PESDxS1UB: от 3.3 В до 24В, корпус SOD523 с габаритом 1.6 x 0.8 мм,

- NEC NNCDxx: от 3.3.В до 27 В, корпус SC78, SC-76.

- Vishay VESDxx-02V: от 1 В до 12 В, корпус SOD523.