Tecniche di progettazione contro le ESD

Scopo di questo articolo è quello di illustrare le principali tecniche di progettazione adottate per contrastare, o quantomeno per ridurre al minimo, i danni provocati sui circuiti elettronici dalle cariche elettrostatiche e dalle sovratensioni da esse generate.

Il controllo dell’elettricità statica (ElectroStatic Discahrge, o semplicemente ESD) gioca un ruolo importantissimo nei circuiti elettronici moderni, dove occorre ridurre al minimo la possibilità di danni e guasti da essa causati. L’ESD è infatti uno dei principali nemici delle apparecchiaure elettroniche. In figura 1 è mostrato un fulmine nel momento in cui sta scaricando sulla superficie terrestre tutta la sua carica, un’immagine che ben rappresenta la pericolosità dei fenomeni ESD per i dispositivi elettronici.

Figura 1: un fulmine scarica a terra tutta la sua energia.

Figura 1: un fulmine scarica a terra tutta la sua energia.

I fenomeni  ESD si generano tra due oggetti che si trovano a potenziale elettrico diverso e si manifestano con tensioni che possono variare da poche decine di volt sino ad alcuni milioni di volt. Il fenomeno ESD avviene soltanto se la differenza di potenziale tra le due superfici è sufficientemente elevata per rompere la resistenza dielettrica del mezzo che le separa. La potenza in gioco è comunque molto esigua, non sufficiente per provocare danni fisici alle persone che si trovano nelle immediate vicinanze. Normalmente, infatti, le scariche elettrostatiche vengono percepite dall’uomo soltanto se le tensioni che si generano sono dell’ordine delle migliaia di volt; tuttavia, tensioni anche molto inferiori, che possono pertanto passare inosservate, sono sufficienti a danneggiare irreparabilmente i circuiti elettronici. Più precisamente, se la tensione generata si mantiene al di sotto di 3000V, il fenomeno viene percepito solo attraverso il tatto; se la tensione arriva sino a 5000V viene percepito anche con l’udito, e se infine supera i  10000V si può anche osservare visivamente. Durante il verificarsi  di un fenomeno ESD, le correnti assumono valori piuttosto elevati, ma il fenomeno ha una durata molto breve, da qualche nanosecondo a un microsecondo. Possiamo individuare due tipi di danneggiamenti: quello permanente (detto anche “catastrofico”), che si manifesta immediatamente e causa il danneggiamento totale del dispositivo elettronico, e quello “latente”, che non viene rilevato subito, ma può manifestarsi anche dopo ore o mesi di regolare funzionamento del componente. Inutile dire che quest’ultimo tipo di danno è quello più insidioso e più serio, soprattutto se l’applicazione riguarda settori critici come quello aero-spaziale o quello biomedicale. Nelle figure 2 e 3 sono rappresentati degli esempi di danneggiamenti di tipo permanente prodotti a seguito dell’esecuzione di test di compatibilità alle scariche elettrostatiche.

Figure 2: esempi di danni di tipo permanente provocati da ESD.

Figure 2: esempi di danni di tipo permanente
provocati da ESD.

 

Figure 3: esempi di danni di tipo permanente provocati da ESD.

Figure 3: esempi di danni di tipo permanente
provocati da ESD.

Immagini di questo tipo sono ottenute impiegando la tecnologia di tipo “SEM” (Scanning Electron Micrograph). Durante le fasi di fabbricazione dei componenti elettronici, dei circuiti stampati e durante l’assemblaggio finale, vengono prese delle severe misure preventive atte a contrastare l’insorgenza dei fenomeni ESD. Tuttavia, tutte queste misure non sono più in grado di fornire alcuna protezione al dispositivo elettronico quando questo sarà chiamato a operare sul campo. Proprio per questo motivo è necessario prevedere un adeguato livello di protezione ESD già durante la fase di progettazione del circuito elettronico, adottando quelle tecniche di progettazione e scegliendo quei componenti in grado di proteggere il circuito dalle sovratensioni che possono insorgere durante la normale attività del dispositivo.

Soglie di sensibilità

I componenti comunemente impiegati nei circuiti elettronici presentano delle diverse soglie di sensibilità, espresse in volt, rispetto all’insorgenza dei fenomeni di scarica elettrostatica. A titolo esemplificativo, riportiamo nella tabella 1 i  valori di sensibilità per alcune famiglie di componenti comuni.

Tecniche di progettazione contro le ESD

La prima considerazione da tenere presente è che, a causa della natura fisica dei fenomeni ESD, è molto più importante, è anzi necessario, dare priorità a quelle tecniche in grado di offrire una protezione rispetto a valori di tensione molto elevati piuttosto che a valori di corrente elevati. I fenomeni  ESD infatti generano dei picchi di tensione con fronti di salita molto ripidi, di breve durata, ma interessati da correnti di bassa intensità; sono le tensioni a danneggiare  i componenti durante i fenomeni ESD, non le correnti. Le schede elettroniche oggi hanno una densità di componenti sempre maggiore con dimensioni sempre minori: per questi motivi è conveniente selezionare dei sistemi di protezione ESD che abbiano dimensioni compatte in modo tale da essere collocati direttamente sul PCB nelle immediate vicinanze del circuito da proteggere. Il primo punto su cui occorre intervenire per proteggere  il circuito dai fenomeni ESD è la definizione del layout della board (il PCB), che deve essere progettato in modo tale da fornire un elevato grado di immunità alle scariche elettrostatiche. Occorre pertanto predisporre un adeguato piano di massa, prestare molta attenzione alle induttanze parassite che amplificano l’entità della scarica elettrica, evitare di fare passare i  segnali di importanza rilevante vicino ai bordi della scheda, minimizzare  i loop conduttivi (relativi sia all’alimentazione che alla massa) e disporre le protezioni  il più vicino possibile alle linee da proteggere. Le principali tecniche di protezione contro le ESD da applicare in fase di progettazione si possono così riassumere:

» protezione basata sull’utilizzo di condensatori;

» protezione basata sull’utilizzo di diodi Zener;

» protezione basata sull’utilizzo di diodi Schottky;

» protezione basata sull’utilizzo di diodi TSV (Transient Suppressor  Voltage);

» protezione basata sull’utilizzo di varistori.

Protezione basata  sui condensatori

Il condensatore, di cui in figura 4 è riportato il simbolo elettrico, è un componente in grado di offrire una protezione ESD molto limitata in quanto non può sopportare tensioni superiori a qualche kilovolt.

Figura 4: simbolo elettrico del condensatore.

Figura 4: simbolo elettrico del condensatore.

Per contro, rappresenta una soluzione molto semplice ed economica. Il tipo di condensatore comunemente utilizzato dai progettisti per svolgere questa funzionalità è il modello ceramico. Alcuni test condotti su condensatori ceramici di tipo commerciale hanno evidenziato che su 100 pezzi sottoposti al test, 10 si sono danneggiati applicando scariche da 5 KV, mentre tutti quanti si sono danneggiati con scariche da 15 KV. Inoltre,  i condenstaori presentano lo svantaggio che la sovratensione generata a seguito di un evento ESD non viene dissipata sotto forma di calore, ma prosegue  il suo percorso all’interno del componente attraverso la linea di massa, costituendo una pericolosa minaccia per l’integrità del circuito.

Protezione basata  sui diodi Zener

Il diodo Zener, di cui in figura 5 è riportato il simbolo elettrico, è un componente normalmente utilizzato in veste di regolatore di tensione nei circuiti di stabilizzazione.

Figura 5: simbolo elettrico del diodo Zener.

Figura 5: simbolo elettrico del diodo Zener.

Tuttavia, viene anche impiegato per svolgere un’azione di protezione contro le ESD, grazie soprattutto alla sua economicità. Da un punto di vista prettamente elettrico, i diodi Zener offrono un livello di protezione superiore ai condensatori ceramici, presentando però i seguenti  svantaggi:

» offrono una velocità di risposta ai fenomeni di sovratensione non particolarmente elevata: per talune applicazioni critiche questo fatto costituisce una considerevole limitazione che occorre tenere presente con la dovuta attenzione.  I diodi Zener non sono pertanto adatti a proteggere interfacce di comunicazione a elevato bit-rate, come ad esempio una porta USB 2.0: la capacità parassita più bassa offerta da questi diodi si colloca intorno ai 30 pF, un valore troppo elevato per consentire il passaggio di segnali a elevata frequenza senza provocare fenomeni di distorsione. Viceversa, realizzando dei diodi Zener con capacità inferiori non si riuscirebbe più a soddisfare i requisiti di protezione ESD;

» il rapporto di clamping, definito come il rapporto tra la tensione di clamping del diodo e la tensione di rottura (breakdown voltage), non è particolarmente buono per questi diodi, per cui occorre eseguire la selezione dei diodi Zener più adatti al tipo di applicazione richiesto basandosi anche su questa caratteristica.

Protezione basata  sui diodi Schottky

Il diodo Schottky, di cui in figura 6 è riportato il simbolo elettrico, viene solitamente impiegato per proteggere le linee di ingresso/uscita dei circuiti integrati e dei microcontrollori.

Figura 6: simbolo elettrico del diodo Schottky.

Figura 6: simbolo elettrico del diodo Schottky.

Lo schema elettrico adottato per assicurare questo tipo di protezione prevede l’impiego di una coppia di diodi, per ogni linea di ingresso/uscita, collegati tra la massa e la tensione di alimentazione (Vcc). Questo tipo di configurazione fa sì che ogni valore di tensione superiore a Vcc oppure inferiore al riferimento di massa venga “tosato” dai diodi in modo tale da non danneggiare  i pin di I/O del componente. Se infatti la tensione sulla linea di I/O supera il valore Vcc, il diodo superiore passa in conduzione, facendo sì che la tensione V applicata al pin sia limitata al valore V=Vcc+Vd, essendo Vd la caduta di potenziale relativa al diodo Schottky (in genere è inferiore a 1V). Analogamente, se la tensione sulla linea di I/O scende sotto il valore Vgnd, il diodo inferiore passa in conduzione, facendo sì che la tensione V applicata al pin sia limitata al valore V=-Vd. Notoriamente i  diodi Schottky presentano la caratteristica di possedere un’elevata velocità di commutazione tra gli stati di conduzione e interdizione, offrendo pertanto un adeguato livello di protezione ESD. Tuttavia, se gli impulsi di sovratensione presentano dei fronti particolarmente ripidi, con fenomeni della durata di pochi nanosecondi,  anche i diodo Schottky possono rivelarsi insufficienti per garantire un grado di protezione completo. Occorre inoltre menzionare che oggi molti circuiti elettronici dispongono già di I/O dotati inter namente di diodi Schottky; tuttavia il grado di protezione offerto non sempre si dimostra sufficiente per superare  i test di protezione contro le ESD, rendendo pertanto necessaria l’adozione di diodi Schottky addizionali da collocare all’esterno del componente, direttamente sul PCB.

Protezione basata  sui diodi TVS

Il  diodo TVS (Transient  Voltage Suppressor), di cui in figura 7 è riportato il simbolo elettrico, viene anche indicato sui datasheet con il termine “transil” oppure “transzorb”.

Figura 7: simbolo elettrico del diodo TVS.

Figura 7: simbolo elettrico del diodo TVS.

I diodi TSV offrono un’elevata resistenza nei confronti delle scariche elettrostatiche, e presentano un rapporto di clamping notevolmente migliore rispetto ad altre tipologie di diodi. Un altro vantaggio a favore dei diodi TSV è quello di possedere dei valori di capacità molto bassi, che li rendono di fatto adatti all’utilizzo per interfacce di comunicazione a elevata velocità (USB 2.0, SATA, HDMI, ecc.). Sono inoltre disponibili, a livello commerciale, con protezione sia uniche bi-direzionale, e si prestano molto bene anche per gli impieghi nel settore della protezione RF (GSM, radio, DVB, ecc.). Per contro, come tutti i diodi, hanno lo svantaggio della relativa “lentezza” nei confronti di fenomeni ESD caratterizzati da impulsi rapidi e di intensità elevata.

Protezione basata  sui varistori

Il varistore,  di cui in figura 8 è riportato il simbolo elettrico, presenta una resistenza variabile, o, in altre parole, ha il vantaggio di non avere una dipendenza lineare tra tensione e corrente.

Figura 8: simbolo elettrico del varistore.

Figura 8: simbolo elettrico del varistore.

A livello di protezione contro i fenomeni  ESD, i varistori utilizzati sono quelli di tipo multistrato, che si distinguono per il tempo di risposta molto basso (la principale  limitazione dei vari tipi di diodi) e per l’elevato grado di sopportazione delle sovratensioni, dovuto principalmente al materiale ceramico con cui vengono costruiti. Un altro vantaggio considerevole a favore di questa soluzione è da attribuirsi alla bassa capacità parassita del varistore, un elemento essenziale per l’utilizzo in applicazioni caratterizzate da interfacce di comunicazione a elevata velocità. Occorre tuttavia precisare che la protezione assicurata dai varistori è efficace a condizione che le scariche elettrostatiche abbiano una breve durata: per tempi superiori a qualche microsecondo, infatti, si produrrebbe necessariamente un serio danneggiamento del componente.

Tabella1: I valori di sensibilità per alcune famiglie di componenti comuni

Tabella 1: I valori di sensibilità per alcune famiglie di componenti comuni

Requisiti per il superamento dei test

Per i dispositivi  elettronici  commercializzati all’interno della Comunità Europea, viene applicata la specifica di test IEC 61000-4-2, la quale definisce i requisiti di immunità ai fenomeni ESD a cui i produttori si devono uniformare. In particolare, viene richiesta la conformità al livello 4 dello standard, quello più severo, che prevede l’esecuzione di test con scariche elettriche in aria fino a 15 KV, con scariche elettriche a contatto fino ad 8 KV e con correnti indotte fino a 30 A. La procedura di test richiede che il dispositivo elettronico sopporti l’applicazione di 10 impulsi, sia con polarità positiva che negativa. Pur essendo originario dell’Europa, questo standard si è imposto anche a livello mondiale e risulta molto più stringente dello standard HBM (Human Body Model), a sua volta derivato dalla versione militare U.S. MIL-STD-883. Nella tabella 2 vengono illustrati i requisiti relativi ai quattro livelli previsti dallo standard.

Tabella 2: i requisiti relativi ai quattro livelli previsti dallo standard

Tabella 2: i requisiti relativi ai quattro livelli previsti dallo standard

Conclusioni

In questo articolo sono state analizzate varie tecniche in grado di fornire un livello più o meno elevato di protezione contro i fenomeni ESD. Attualmente  i dispositivi  in grado di offrire la maggiore protezione sono i  varistori di tipo metal-oxide e i soppressori di tipo TransZorb; questi componenti, tuttavia, presentano un costo non trascurabile, riducono l’area disponibile sul PCB per gli altri componenti e aumentano la capacità delle linee di ingresso/uscita. Per tutti questi motivi, la tendenza che si sta diffondendo negli ultimi anni tra i produttori di circuiti integrati e microcontrollori è quella di innalzare  il più possibile la protezione ESD realizzata internamente al componente. Enormi progressi sono stati compiuti in questa direzione, al punto che molti dispositivi sono in grado di sopportare autonomamente livelli di tensione pari a ± 15 KV.

 

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