Efficacité des condensateurs céramiques multicouches pour la protection contre les décharges électrostatiques

Une technique simple pour gérer les décharges électrostatiques peut être obtenue en montant des condensateurs céramiques multicouches (MLCC) sur les broches du connecteur d'E/S du PCB qui constituent le point d'entrée des décharges électrostatiques. Les ingénieurs EMC recommandent d'utiliser des MLCC 0603 placés à proximité immédiate de chaque broche du connecteur, ce qui impose une stratégie de montage à faible inductance associée aux traces et vias du PCB. Lors de la sélection du MLCC à technologie de montage en surface (SMT) pour la protection ESD des broches d'E/S, les ingénieurs spécifient la valeur du condensateur ESD, sa tension CC nominale et un choix de technologie (X7R ou C0G). MLCC, en tant que dispositif de dérivation ou de dérivation ESD, est utilisé pour détourner le courant ESD vers la terre. Les dispositifs de protection ESD doivent effectuer une atténuation ESD et ne doivent pas présenter de dégradation, tout en conservant la robustesse ESD tout au long de la durée de vie d'un produit. Néanmoins, l'examen post-ESD des MLCC 0603 à faible empreinte révèle de graves dommages structurels, se manifestant électriquement par un changement radical des caractéristiques d'impédance. Il s'agit d'un changement majeur par rapport à un condensateur pré-ESD, entraînant ainsi des fuites excessives à basse fréquence et un mauvais comportement fonctionnel.

Les décharges électrostatiques (ESD) constituent l’un des problèmes de fiabilité les plus importants dans l’industrie des circuits électroniques. Généralement, dans l'industrie des circuits intégrés (CI), un tiers à la moitié de toutes les défaillances sur le terrain (retours clients) sont dues aux décharges électrostatiques. Alors que les dommages ESD sont devenus plus fréquents dans les technologies les plus récentes en raison de la plus grande sensibilité des composants de circuits plus petits, les efforts visant à comprendre les défaillances ESD par la modélisation et l'analyse ont augmenté en conséquence. Les fabricants de circuits intégrés fournissent des informations sur les tests ESD. Cependant, les données ESD sur les normes de niveau IC (modèle du corps humain (HBM), modèle de dispositif chargé (CDM), modèle de machine (MM) et tests de verrouillage du système) prêtent souvent à confusion.

La conception de circuits ESD robustes reste un défi car les mécanismes de défaillance ESD deviennent plus aigus à mesure que les dimensions critiques des circuits continuent de diminuer. Les concepteurs de circuits imprimés sont en outre limités par leur capacité à concevoir des circuits imprimés très encombrés et à répondre aux exigences ESD. HBM fournit de nombreuses informations sur le comportement de l'appareil lors d'un événement ESD [1,2].

Un événement ESD est le transfert d'énergie entre deux corps à des potentiels électrostatiques différents, soit par contact, soit via une décharge ambiante ionisée (une étincelle). Ce transfert a été modélisé dans divers modèles de circuits standards pour tester la conformité des cibles des appareils. Les modèles utilisent généralement un condensateur chargé à une tension donnée, puis une forme de résistance de limitation de courant (ou de climatisation ambiante) pour transférer l'impulsion d'énergie à la cible.

Afin de répondre aux tests ESD au niveau du module, diverses méthodes et techniques sur les cartes de circuits imprimés ont été mises en œuvre et étudiées. Une technique efficace consiste à ajouter des composants ou des filtres discrets de découplage du bruit dans des produits IC complexes basés sur CMOS pour découpler, contourner ou absorber la tension électrique transitoire (énergie) dans le cadre du test ESD au niveau du système [3]. Différents types de réseaux de filtres de bruit peuvent être utilisés pour améliorer les tests de contrainte ESD au niveau du système, notamment des filtres à condensateur, des billes de ferrite, un suppresseur de tension transitoire (TVS), une varistance à oxyde métallique (MOV) et un filtre LC de 2e ordre ou une section π de 3e ordre. filtres.

Les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) sont utilisés comme mécanisme de contournement ESD au niveau des broches de connecteur des modules de commande électroniques. Un module de commande automobile peut nécessiter l'utilisation d'un seul connecteur haute densité avec une densité de broches supérieure à 200. Dans une application typique, un connecteur peut présenter au concepteur une matrice de 4 x 50 (4 rangées de 50 broches à chaque rangée). ) dans un parc immobilier PCB très encombré. Pour prendre en charge la protection ESD pour chaque broche d'E/S au niveau du connecteur d'un PCB très encombré, les ingénieurs de conception recommandent l'utilisation de condensateurs MLC de style 0603. Dans la plupart des applications, les condensateurs MLC utilisés pour la protection ESD sont conçus pour un niveau de contrainte de 100 V. Cependant, les caractéristiques post-ESD des MLCC sont souvent ignorées ou mal comprises. En réalité, les MLCC exposés à des contraintes ESD présentent un changement spectaculaire dans leur comportement d'impédance caractéristique. Un examen minutieux des MLCC révèle des dommages structurels permanents entraînant des fuites excessives à basse fréquence. Le comportement post-ESD du MLCC entraîne une déviation fonctionnelle du module de commande et il est fondamentalement dangereux d'utiliser le produit pour l'application prévue. Il est suggéré de ne pas utiliser de condensateurs 0603 à profil bas pour la protection ESD, comme indiqué dans cet article. Des solutions alternatives peuvent être trouvées en utilisant des suppresseurs de tension transitoire (TVS) à faible profil ou des varistances à oxyde métallique rapides (MOV). Cependant, les MLCC de style 0805 avec une capacité élevée (> 47 nF) constituent une bonne solution et peuvent être utilisés en toute sécurité comme élément de contournement ESD.