Efectividad de los condensadores cerámicos multicapa para la protección contra descargas electrostáticas

Se puede lograr una técnica sencilla para tratar las ESD montando condensadores cerámicos multicapa (MLCC) en los pines del conector de E/S de la PCB, que es el punto de entrada de ESD. Los ingenieros de EMC recomiendan utilizar MLCC 0603 colocados muy cerca de cada pin del conector, lo que exige una estrategia de montaje de baja inductancia asociada con las pistas y vías de PCB. Al seleccionar el MLCC de tecnología de montaje superficial (SMT) para la protección ESD de los pines de E/S, los ingenieros especifican el valor del capacitor ESD, su tensión nominal de CC y una opción de tecnología (X7R o C0G). MLCC, como dispositivo de derivación o derivación ESD, se utiliza para desviar la corriente ESD a tierra. Los dispositivos de protección ESD deben realizar mitigación de ESD y no deben presentar degradación, manteniendo al mismo tiempo la solidez de ESD durante toda la vida útil de un producto. Sin embargo, el examen posterior a ESD de MLCC 0603 de tamaño pequeño revela daños estructurales graves, que se manifiestan eléctricamente en un cambio dramático en las características de impedancia. Esta es una desviación importante con respecto a un condensador anterior a ESD, lo que resulta en una fuga excesiva de baja frecuencia y un mal comportamiento funcional.

La descarga electrostática (ESD) es uno de los problemas de confiabilidad más importantes en la industria de circuitos electrónicos. Normalmente, en la industria de circuitos integrados (CI), entre un tercio y la mitad de todas las fallas de campo (devoluciones de clientes) se deben a ESD. A medida que los daños por ESD se han vuelto más frecuentes en las tecnologías más nuevas debido a la mayor susceptibilidad de los componentes de circuitos más pequeños, ha habido un aumento correspondiente en los esfuerzos para comprender las fallas por ESD a través de modelos y análisis. Los fabricantes de circuitos integrados proporcionan información sobre pruebas de ESD. Sin embargo, los datos de ESD sobre los estándares de nivel IC (modelo de cuerpo humano (HBM), modelo de dispositivo cargado (CDM), modelo de máquina (MM) y pruebas de conexión al sistema) suelen ser confusos.

El diseño de circuitos ESD robustos sigue siendo un desafío porque los mecanismos de falla de ESD se vuelven más agudos a medida que las dimensiones críticas del circuito continúan reduciéndose. Los diseñadores de placas de circuitos se ven aún más limitados por la capacidad de diseñar PCB altamente congestionadas y cumplir con los requisitos de ESD. HBM proporciona mucha información sobre el comportamiento del dispositivo durante un evento de ESD [1,2].

Un evento de ESD es la transferencia de energía entre dos cuerpos con diferentes potenciales electrostáticos, ya sea a través del contacto o mediante una descarga ambiental ionizada (una chispa). Esta transferencia se ha modelado en varios modelos de circuitos estándar para probar el cumplimiento de los objetivos del dispositivo. Los modelos suelen utilizar un condensador cargado a un voltaje determinado y luego algún tipo de resistencia limitadora de corriente (o condición del aire ambiente) para transferir el pulso de energía al objetivo.

Para cumplir con las pruebas ESD a nivel de módulo, se han implementado e investigado varios métodos y técnicas en placas de circuito impreso. Una técnica efectiva es agregar componentes o filtros discretos de desacoplamiento de ruido en productos complejos de circuitos integrados basados ​​en CMOS para desacoplar, derivar o absorber el voltaje eléctrico transitorio (energía) bajo la prueba ESD a nivel del sistema [3]. Se pueden emplear varios tipos de redes de filtros de ruido para mejorar las pruebas de estrés ESD a nivel del sistema, incluidos filtros de condensadores, perlas de ferrita, supresores de voltaje transitorio (TVS), varistores de óxido metálico (MOV) y filtros LC de segundo orden o secciones π de tercer orden. filtros.

Los condensadores cerámicos multicapa (MLCC) se emplean como mecanismo de derivación de ESD en las clavijas del conector de los módulos de control electrónico. Un módulo de control automotriz puede requerir el uso de un único conector de alta densidad con una densidad de pines superior a 200. En una aplicación típica, un conector puede presentar al diseñador una matriz de 4 x 50 (4 filas de 50 pines en cada fila). ) en un sector inmobiliario de PCB muy congestionado. Para acomodar la protección ESD para todos y cada uno de los pines de E/S en el conector de espacios de PCB altamente congestionados, los ingenieros de diseño recomiendan el uso de capacitores MLC estilo 0603. En la mayoría de las aplicaciones, los condensadores MLC utilizados para protección ESD están clasificados para un nivel de tensión de 100 V. Sin embargo, las características post-ESD de los MLCC a menudo se ignoran o se malinterpretan. En realidad, los MLCC expuestos a estrés por ESD exhiben un cambio dramático en el comportamiento de impedancia característico. Un examen cuidadoso de los MLCC revela daños estructurales permanentes que resultan en una fuga excesiva de baja frecuencia. El comportamiento posterior a ESD de los MLCC da como resultado una desviación funcional para el módulo de control y es fundamentalmente inseguro utilizar el producto para la aplicación prevista. Se sugiere que los condensadores 0603 de bajo perfil no se utilicen para protección ESD, como se informa en este documento. Se pueden encontrar soluciones alternativas mediante el uso de supresores de voltaje transitorio (TVS) de bajo perfil o varistores rápidos de óxido metálico (MOV). Sin embargo, los MLCC estilo 0805 con capacitancia de alto valor (> 47 nF) brindan una buena solución y son seguros para usarse como elemento de derivación ESD.

Los MLCC utilizados como dispositivo o mecanismo de protección deben considerar el voltaje, la potencia máxima y la energía como componentes clave de una amenaza de ESD. Por tanto, es necesario caracterizar completamente la amplitud y la sincronización de los componentes ESD. Por lo tanto, la estructura de protección debe reducir el voltaje, la potencia máxima y las amenazas energéticas al desviar las corrientes de tensión lejos de las partes frágiles de los microcontroladores y otros circuitos integrados [4].

Para resolver los problemas de ESD, los condensadores MLC empleados como componente de filtro o derivación de ESD en placas de circuito impreso (PCB) deben derivar la corriente transitoria de ESD de forma segura a tierra. Es importante que los condensadores MLC, empleados como componentes de derivación, absorban el voltaje y la corriente ESD de forma segura y protejan el dispositivo bajo prueba sin degradación. Además, el condensador MLC debe permanecer dentro de su tolerancia paramétrica para que se considere un mecanismo de protección confiable.

Los condensadores cerámicos multicapa están diseñados para usarse donde se requiere un tamaño físico pequeño con una capacitancia eléctrica comparativamente grande y una alta resistencia de aislamiento. El 0603 de uso general (1,6 mm x 0,5 mm) clase II, tipo X7R (-55° C a +125° C) es una opción popular para el diseño de módulos de control electrónico automotriz. Por lo tanto, es una práctica común aplicar X7R MLCC como componente de protección ESD en todos los pines de E/S.

La Figura 1 ilustra un rectificado horizontal del MLCC 0603 (aumento X 100) con placas espaciadas a 21 mm para un condensador X7R tipo II de 10 nF. Un condensador de mayor valor está diseñado con un mayor número de placas. Esto dará como resultado un espesor dieléctrico estrecho, un posible inconveniente para los transitorios de alto voltaje. En la actualidad (mayo de 2012), los valores de los condensadores para un tipo II X7R 0603 (100 V) oscilan entre 180 pF y un valor máximo de 39 nF. Sin embargo, el rango de valores del capacitor para la misma tecnología pero con un tamaño físico mayor (0805) varía desde 220 pF hasta un valor máximo de 120 nF. Este puede ser un factor importante si se determina que el valor del capacitor de protección ESD excede el valor máximo de 39 nF disponible en el paquete 0603.

Figura 1: MLCC estándar 0603 (aumento x100)

La Figura 2 ilustra dos estilos diferentes de tecnología MLCC con respecto al diseño de placas conductoras. Los fabricantes de condensadores reconocen la preocupación por el estrés por sobretensión y han proporcionado un producto MLCC mejorado con ESD. Un examen detenido de la Figura 2 demuestra que el MLCC estilo B es un diseño mejorado con ESD.

Figura 2: MLCC 0603 'estándar' frente a 'mejorado con ESD'

La Figura 3 ilustra una molienda horizontal de un MLCC mejorado con ESD con un aumento de x100. La comparación con la Figura 1 demuestra las diferencias en el diseño de la geometría de la placa.

Figura 3: MLCC 0603 mejorado con ESD

Figura 4: Modelo eléctrico mejorado de condensadores MLC

Se necesitan diseñadores de placas de circuito impreso con formación fundamental en EMC para determinar la estrategia de montaje óptima para los condensadores ESD. Los ingenieros de EMC verifican una topología de "conexión en Y" para todos los condensadores ESD en cada pin de E/S del conector. El MLCC debe colocarse muy cerca del pin de E/S (< 1 cm) con un recorrido corto (< 1 cm) hasta el plano de retorno de la PCB. De esta manera, se minimiza la inductancia de trazas parásitas de PCB agregada y su efecto de degradación sobre la efectividad del capacitor de derivación ESD. La preocupación general es limitar la inductancia agregada debido a la inductancia del montaje de PCB y así proporcionar una ruta de baja impedancia para el flujo de corriente ESD al plano de retorno.

Otra limitación sería utilizar el condensador de menor valor disponible, donde es más efectivo a frecuencias más altas. La ESD daría como resultado una corriente de RF con un ancho de banda superior a 330 MHz. La elección entre 1 nF y 680 pF se reduciría fácilmente a este último. Sin embargo, ESD HBM consta de una capacitancia de 150 pF, por lo que se prefiere un capacitor MLC de mayor valor. Se establece una red divisora ​​de voltaje mediante la combinación de un condensador HBM y un MLCC. El voltaje desarrollado a través de un valor MLCC mayor reduciría el voltaje desarrollado a través de un circuito integrado, como se indica en la Ecuación 1.

Ec. 1

Por lo tanto, donde VMLCC << VESD, se requiere que CMLCC >> CHBM.

Varios modelos eléctricos de condensadores están disponibles en libros de texto y publicaciones de RF utilizados por la comunidad EMC/RF para describir el comportamiento eléctrico de los condensadores MLC. Generalmente se utiliza una red RLC en serie simple para proporcionar un comportamiento preciso para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, el modelo RLC simple no proporciona la información técnica adicional necesaria para el análisis de los MLCC expuestos a pulsos de ESD. El modelo modificado presentado en la Figura 1 tiene elementos adicionales para describir el comportamiento de los capacitores MLC expuestos a estrés ESD. De hecho, el modelo descrito aquí es una descripción eléctrica precisa, necesaria para tener en cuenta los diversos atributos físicos que se encuentran dentro de un condensador.

Las características de impedancia de los capacitores tipo II (0603, X7R MLC) para 680 pF y 10 nF se ilustran en la Figura 5.

Figura 5: Características de impedancia previas a ESD

ESD es un pulso de alta frecuencia con un tiempo de subida de menos de un nanosegundo, lo que da como resultado un contenido espectral superior a 330 MHz. Por lo tanto, la elección del capacitor ESD se reduce a un valor más pequeño MLCC, como se ve en la Figura 2. Un examen más detallado de la Figura 2 revela una impedancia más baja para 680 pF (1,71 Ω en f = 330 MHz) en comparación con 10 nF (3,97 Ω en f = 330 MHz). Otra consideración puede ser el resultado de la carga capacitiva de ciertas señales de E/S, es decir, bus CAN, donde se puede agregar una capacitancia limitada al bus de comunicación.

Los requisitos de un condensador ESD de valor más bajo, como en el párrafo anterior, pueden sugerir el uso del MLCC de valor más bajo disponible en la industria. Además, existe un tercer factor que se describe en la Tabla 1; R3 (resistencia de aislamiento) que puede agregar un incentivo adicional para el uso del MLCC de menor valor. Sin embargo, se necesita más información para distinguir la elección aparentemente fácil.

En la Tabla 1, todos los elementos nominales y parásitos para ambos capacitores se enumeran según el proveedor A de MLCC.

Tabla 1: Componentes del modelo de capacitor MLCC 0603

Es importante tener en cuenta que la resistencia de aislamiento R3 tiene un valor un orden de magnitud mayor para un condensador de menor valor (Tabla 1). A medida que se apilan más placas para acomodar capacitancias de mayor valor en el mismo volumen físico del paquete estilo 0603, el espesor dieléctrico se reduce en un factor de 14,7. Por lo tanto, como consecuencia del material dieléctrico más delgado entre las placas del capacitor, la resistencia de aislamiento para el capacitor de mayor valor se reduce en la misma proporción (relación del capacitor: 10 nF/680 pF = 14,7, relación de resistencia de aislamiento: 0,1 x 1012 Ω/14,7 x 1012 Ω = 1/147. Está claro que un capacitor de mayor valor sufrirá una ruptura dieléctrica en voltajes ESD más bajos. Este argumento sugirió que, para aplicaciones ESD, solo es necesario considerar capacitores de menor valor con mayor resistencia de aislamiento para para proteger contra fallas dieléctricas, es decir, 680 pF frente a 10 nF. Se requirió mayor investigación para abordar la exactitud de la declaración antes mencionada.

Si un condensador más pequeño presenta una mayor resistencia de aislamiento como se muestra arriba, es importante examinar el comportamiento de la resistencia de aislamiento después de las pruebas de ESD. Para obtener más información, es importante evaluar el impacto de la tensión ESD en los condensadores de 680 pF y 10 nF mediante la impedancia característica de los condensadores post-ESD.

Las pruebas de ESD para aplicaciones automotrices se derivan y se basan en un modelo de cuerpo humano especificado por los fabricantes de equipos originales (OEM) [5,6,7,8,9].

Una red de descarga típica de HBM consta de un condensador de 150 pF con una resistencia de 2 kΩ. El condensador HBM se puede cargar hasta 25 kV para una prueba de descarga al aire. La carga estática acumulada en el condensador de la red de descarga de 150 pF (cargado a 25 kV) ascendería a 3,75 μC. La ESD es un evento de alta frecuencia, alto voltaje y alta corriente que puede depositar 46,875 mJ de energía en el dispositivo de protección en un tiempo relativamente corto.

HBM proporciona mucha información sobre el comportamiento del dispositivo durante un evento de ESD. Aunque la tensión de HBM se caracteriza por un cierto voltaje de carga, VHBM, la resistencia en serie de 2 kΩ del circuito suele ser mucho mayor que la impedancia del dispositivo bajo prueba, por lo que pensamos en el probador de HBM como fuentes de corriente, con el pico de HBM corriente igual a 12,5 A. (VHBM = 25 kV, descarga al aire).

Para evaluar el impacto del estrés ESD en los MLCC 0603, se realizaron dos tipos diferentes de pruebas. Dado que la intención de una prueba realista es un módulo de control electrónico poblado, es importante evaluar el impacto de la tensión ESD según las técnicas de prueba ESD del OEM. En otro método, se preparó una red MLCC 0603, como se muestra en la Figura 6, con dos cables cortos (<1 cm) en cada extremo. El terminal 1 estaba conectado a un plano de tierra donde normalmente se conectaría un cable de retorno de pistola ESD. La punta de descarga de ESD se acercó lentamente al terminal flotante hasta que se logró una descarga de aire.

Figura 6: Descarga de aire ESD a 0603 MLCC

Las características previas y posteriores a ESD del condensador 0603 se registraron utilizando un analizador de impedancia Agilent 4294A (40 Hz - 110 MHz) con la ayuda de un dispositivo de prueba Agilent 16034G. Los condensadores se retiraron de la PCB de prueba o de los cables de red ESD y se montaron. dentro del dispositivo de prueba 16034G para caracterización de impedancia.

Se decidió aplicar un pulso ESD a un módulo de control electrónico automotriz completamente equipado según lo diseñado con rigurosas pautas de EMC. Como los requisitos OEM ESD proporcionan pautas [7,8,9] para pruebas de estrés ESD de acceso remoto a E/S. Se calibró un modelo HBM con red de descarga como se describe en la sección IV y se aplicaron niveles de tensión ESD desde +/- 4 kV hasta +/- 25 kV en orden sucesivo. Después de cada descarga, el MLCC se eliminó y se analizó en un analizador de impedancia según el método anterior.

La Figura 7 ilustra el impacto del pulso ESD a un nivel de +/-15 kV para el capacitor de 680 pF.

Figura 7: Medición pre-ESD y post-ESD (MLCC 680 pF)

La Figura 8 ilustra el impacto del pulso ESD a un nivel de +/-15 kV para un capacitor de 10 nF.

Figura 8: Medidas pre-ESD y post-ESD (MLCC 10 nF)

El daño dieléctrico del capacitor posterior a ESD se ilustra en las Figuras 9 a 11 (rectificado horizontal) en una escala de aumento de 100. Se muestran los daños físicos a las tecnologías X7R y C0G.

Figura 9: Daño dieléctrico para MLCC post-ESD

Figura 10: Daño dieléctrico para MLCC post-ESD X7R

Figura 11: Daño dieléctrico para MLCC C0G post-ESD

En la Figura 12, se utilizó un modelo eléctrico modificado representado según la Figura 4 para ilustrar los efectos posteriores a la ESD en ambos condensadores. En el modelo eléctrico según la Tabla 1, R3 se reemplazó con una resistencia de 500 Ω para representar el valor nominal previo a ESD proporcionado por los fabricantes de MLCC en la Tabla 1 (14,7 x 1012 Ω).

Figura 12: Características de impedancia post-ESD simuladas, R3 = 500 Ω

Figura 13: Comportamiento de impedancia post-ESD

Es importante señalar que el condensador de 10 nF desarrolló una fuga severa desde 40 Hz hasta 20 kHz, y para 680 pF la frecuencia superior es de aproximadamente 200 kHz. La impedancia de ambos condensadores registra un valor resistivo de 500 Ω en el rango de frecuencia antes mencionado. Por lo tanto, se concluye que la ESD ha causado daños permanentes e irrecuperables a los MLCC. El comportamiento post-ESD sugiere daño físico al material dieléctrico debido a la metalización de las placas del capacitor. En referencia a la Figura 4, está claro que R3 ha cambiado de su valor nominal anterior a ESD según la Tabla 1 (para 680 pF, R3 = 1,471 x 1012 Ω, o para 10 nF, R3 = 0,1 x 1012 Ω a un valor extremadamente bajo). valor de 500 Ω).

La cuestión de por qué el MLCC de 680 pF tiene una fuga de 500 Ω hasta 200 kHz, mientras que 10 nF muestra el efecto negativo sólo hasta 20 kHz, se puede explicar de la siguiente manera: el circuito de la Figura 4 se simplifica al paralelo de C1 y R3 en bajas frecuencias, y el codo de la curva de impedancia aparece para f ~ 1/2π R3C1. Para post-ESD, el MLCC de 680 pF está dominado por R3 desde CC hasta ~ 300 kHz, mientras que R3 contribuye solo hasta 20 kHz para el capacitor de 10 nF. La Figura 13 ilustra la degradación de la resistencia a fugas posterior a ESD.

Está claro que los MLCC de menor tamaño sufrirán fugas extremas en un rango de frecuencia mucho más alto. Se recomienda el uso de MLCC de mayor valor, en contradicción con las recomendaciones anteriores.

Como extensión de la exposición de los capacitores 0603 MLC al estrés ESD, se realizaron pruebas ESD adicionales en módulos poblados con capacitores 0805 MLC más grandes. La Figura 14 ilustra el impacto de la tensión ESD de HBM de +/- 25 kV en un condensador de 4,7 nF. Está claro que un condensador 0805 de 4,7 nF no cumpliría los requisitos de ESD. Sin embargo, ampliar el tamaño (valor) del capacitor en un paquete 0805 a 10 nF da como resultado el cumplimiento de ESD.

Figura 14: Post-ESD medido para un capacitor 0805 de 4,7 nF

Este estudio es un examen del daño físico a los capacitores 0603 MLC expuestos a transitorios de ESD. Muestra que el daño permanente al material dieléctrico resultó en voltajes ESD superiores a 15 kV. No se recomienda y debe evitarse el uso de condensadores 0603 MLC para las clavijas del conector de E/S, como mecanismo de derivación ESD. Sin embargo, en espacios más grandes, los MLCC 0805 cumplirán con la tensión ESD para requisitos de 25 kV, siempre que el tamaño del capacitor supere los 10 nF y esté clasificado para aplicaciones de 100 V. Una solución de derivación ESD preferida utilizaría un supresor de voltaje transitorio de baja capacitancia (TVS, CTVS <100 pF) o un varistor rápido de óxido metálico (MOV).

Sin embargo, los condensadores ESD de pines de E/S en el rango de 1 nF a 100 nF a menudo se utilizan como filtro de RF de entrada en los pines del conector. Los condensadores ESD proporcionan un elemento de derivación para las corrientes de RF inducidas en el arnés del módulo debido a la incidencia de campos electromagnéticos. La capacitancia TVS de bajo valor es insuficiente para proporcionar el filtro requerido en el ancho de banda de frecuencia de 1 MHz a 200 MHz. Se recomienda el uso de un TVS en paralelo con un condensador 0603 (10 nF – 100 nF), cuando esté permitido.

Cyrous RostamzadehMiembro senior de IEEEEspecialista técnico senior en EMC, Robert Bosch LLC, Plymouth, MI, EE. UU. [email protected]

Profesor Flavio CanaveroMiembro del IEEEPolitcnico di Torino, [email protected]

Profesor Feraydune KashefiMiembro del IEEE Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Azad, Shabestar, [email protected]

Mehdi DarbandiEscuela de Ingeniería Eléctrica e Informática, Universidad de Teherán, [email protected]

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