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电子器件EOS的分析与设计

电子产品在使用过程中,或多或少都存在浪涌的干扰,现在的电子产品或者是智能设备有的有使用直流电源&电池或AC电源的供电系统,系统由于负载电流的增加,在使用过程中可能存在瞬态电流的冲击,瞬间的尖峰电流会对器件产生过高的电压或电流应力。以下器件的内部分析如下:

物理分析内部故障情况图片;以下为具体的驱动控制IC故障故障剖面图;

Root Cause:Electrical overstressapplied on Pin 5 (GATE)-EOS

(相关结论 IC厂家大多以英文方式给出)

EOS的含义:EOS是Electrical over Stress的缩写,指所有的过度的电性应力,过度电性应力是指当外界电流或电压超过器件的最大限制条件时,器件性能降低甚至损坏。在大多的器件失效案例中,电子元器件内部电路与参考地之间存在不同电位之间形成了短路状况,产生过电流而造成元器件损坏。此为大多数电子器件失效的主要因素。

EOS产生的原因

上面所指的过度性应力为EOS,如下的原因就可能导致EOS问题的产生!

1.外界雷电浪涌的感应Surge

2.由于大电流的存在,电源瞬态上电引起的浪涌Surge超过了IC所承受的范围。

3.电路板上开关器件及电路可能会导致电路板内部出现高压尖峰,进而传导到电路板上的其它位置及器件上;

4.电子线路中因为不好的PCB接地连接走线导致地平面的噪声过大,产生大的电压差;

5.电子产品或电子设备在强的电磁环境使用,受到其它电磁场的干扰而引起电子线路内部器件的损坏;

6.MCU及IC控制器进行开关操作产生I/O口的过冲及负电压问题;

7.电子产品或电子设备的接口连接线进行热插拔引起的浪涌Surge冲击问题;

8.电子产品及设备的应用场合由于ESD的存在,从而引起器件的损坏。

EOS与ESD的差异

ESD是ElectrostaticDischarge的缩写即静电放电。静电是一种电能,它存在于物体表面,是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象。静电测试主要是模拟人体,机器,器件之间的干扰过程,同时检验产品在相应的电磁环境中的抗干扰能力。ESD的现象可能会造成系统的误动作,严重的现象会损坏IC内部的电路结构。

EOS的电性能特征:

一般会造成IC器件内部的金属走线短路,内部功能电路损坏,烧毁,功能的丧失等等;由此可以判断ESD 是 EOS的一种失效现象!

EOS的损坏特性

EOS从表现的现象来看:一般会损坏IC,PCB-Trace烧焦,IC内部器件开路,短路;根据电子元器件的常见原因分析中,EOS占47%是所有元器件的失效之最。

EOS在器件内部的保护电路问题;

通过PN结/二极管、三极管、MOS管、snap-back进行器件的内部功能单元保护,通过PN结二极管的理论,二极管有一个特性:正向导通反向截止,而且反偏电压继续增加会发生雪崩击穿而导通,我们称之为钳位二极管(Clamp)。这正是我们设计静电保护所需要的理论基础,我们就是利用这个反向截止特性让这个旁路在正常工作时处于断开状态,而外界有静电的时候这个旁路二极管发生雪崩击穿而形成旁路通路保护了内部电路或者栅极

对于目前的常用器件的内部电子线路的保护电路采用内部Transistor(保护晶体管)误动作进而触发ESD cellsnapback,高能量的EOS会导致IC pin出现低阻抗和大电流,引发外部器件或IC损坏故障。

以上为IC的常用内部 Transistor(保护晶体管)误动作进而触发ESD cell snapback单元设计;对应一定能量的EOS能量,一般IC是会满足相关的设计标准;常常由于不良布局在强的浪涌Surge工作状况下:在进行高电压共模浪涌(高电压正负脉冲)测试时,IC-VCC电流由于内部Transistor接收到异常的高电压脉冲;内部Transistor受到干扰出现误触发状态;内部 Transistor(保护晶体管)误动作进而触发ESD cell snapback,导致IC pin出现低阻抗和大电流,引发外部器件或IC损坏故障,我们由此得到几乎对于IC来讲所有分析的结论的EOS= Root Cause:Electrical overstressapplied on *****

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杜佐兵老师在电子行业从业近20年,是国家电工委员会高级注册EMC工程师,武汉大学光电工程学院、光电子半导体激光技术专家。目前专注于电子产品的电磁兼容设计、开关电源及LED背光驱动设计。

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