쌓여서 생기는 손상: 사건이 없는 고장

무엇을 출하했나

평범한 제품의 평범한 외부 인터페이스입니다. IEC 61000-4-2 전체 인증을 통과했습니다. 요구 레벨까지 모든 레벨, 노출된 모든 핀, 전 항목 판정 A. 아슬아슬한 결과도 아니었고 설계에 이상한 점도 없었습니다.

그리고 출하되었고, 한동안 아무 일도 없었습니다.

무엇이 돌아왔나

인터페이스 핀이 접지 대비 수백 킬로옴을 보이는 제품이 돌아옵니다. 원래는 개방이어야 합니다. 단락도 아니고 개방도 아닌 그 중간, 아무도 분류할 칸을 가지고 있지 않은 값입니다.

더 나쁜 것은 이 고장들에 딸린 사건이 하나도 없다는 점입니다. 낙하도 없고, 정전기를 맞았다는 신고도 없고, 취급에 대한 불만도 없습니다. 제품은 그냥 동작을 멈췄고 현장은 이유를 설명하지 못합니다. 현장 입장에서는 아무 일도 일어나지 않았기 때문입니다.

왜 찾기 어려웠나

두 가지 사실이 떠오르는 조사 경로를 모두 막았습니다.

• 같은 보드를 ESD 건으로 다시 시험해도 여전히 통과합니다. 설계가 규격에 대해 아슬아슬하지 않고 인증 결과도 운이 아니라는 뜻입니다.
• 손상된 것과 양품이 같은 날 같은 릴에서 나왔습니다. 로트 문제도, 공정 이상도, 공급업체 변경도 아니라는 뜻입니다.

둘을 합치면 흔한 결론은 전부 쓸 수 없게 됩니다. 설계도 아니고 로트도 아니며 특정할 수 있는 단일 사건도 아닙니다. 이 조합이야말로 이 고장 모드의 지문이고, 시험이 한 번도 묻지 않았던 것을 가리킵니다.

업계에는 이런 부품을 부르는 말이 이미 있습니다. walking wounded, 걸어 다니는 부상자입니다. 파괴하기에는 모자란 응력에 열화되어 그 손상을 현장까지 안고 가는 부품입니다.

메커니즘: 무언가 부서지기 전부터 손상은 쌓인다

소자가 견딜 수 있는 범위에 충분히 들어오는 방전이라도 산화막에는 열전자가 흘러듭니다. 그중 일부는 트랩에 붙잡히고, 포획된 전하는 그 자리에 남습니다. 그 뒤에도 소자는 동작하지만, 예전과 같은 소자는 아닙니다.

한 번 더 반복하면 트랩은 쌓입니다. 하나 늘 때마다 누설은 조금씩 올라갑니다. 극적인 구석이 전혀 없고 밖에서는 보이지도 않습니다. 그러다 트랩이 충분히 많아져 산화막을 관통하는 도전 경로가 완성되면 소자는 고장 납니다.

핵심은 쌓인다는 말에 있습니다. 마지막 일격을 가한 응력은 특별하지 않습니다. 오히려 가장 작은 응력인 경우가 많고, 다만 마지막에 왔을 뿐이며, 상대는 이미 마진을 다 써버린 소자였습니다. 그래서 이 고장에는 사건이 딸리지 않습니다. 중요했던 사건은 끝을 낸 사건이 아니었습니다.

열화되는 것은 칩인가 보호 부품인가

이 질문이 무엇을 측정할지를 결정하므로, "소자"라고 뭉뚱그리지 말고 정확히 쓰겠습니다. 둘 다 손상을 축적하며, 메커니즘이 다릅니다.

• 포트 뒤의 IC는 게이트 산화막에서 열화됩니다. 위 그림이 그린 것이 이것입니다. 열전자, 포획 전하, 그리고 마지막에 산화막을 관통하는 경로. 절연막 고장이며, 전형적인 증상이 입력 핀이 개방이 아니게 되는 것인 이유이기도 합니다.
• 보호 부품은 접합에서 열화됩니다. 사건마다 작은 실리콘 영역으로 전류가 흐르고, 반복되면 국소적인 손상이 남습니다. 절연 파괴가 아니라 열적이고 구조적인 고장이며, 겉으로는 어레이 자체의 역방향 누설 증가로 나타납니다.

둘은 연결되어 있고 바로 그 점이 쓸모 있습니다. 마진이 큰 클램프는 응력 대비 더 일찍 더 강하게 켜지므로 각 사건 중 IC까지 도달하는 몫이 줄어듭니다. 보호 부품에서 마진을 사는 것은 보호 부품을 살리기 위해서만이 아닙니다. 그 뒤의 칩을 산화막이 전하를 모으기 시작하는 영역에서 멀리 떨어뜨려 놓는 것이 더 큰 목적입니다.

그러니 측정하러 갈 때는 어느 쪽을 짚고 있는지 분명히 하세요. 보호 어레이의 누설은 그 어레이가 힘들게 일해 왔다는 것을 알려 줍니다. IC 핀의 누설이나 저항값은 응력이 그곳을 지나갔다는 것을 알려 줍니다. 둘 다 유용하고, 의미가 다릅니다.

왜 당신이 하는 모든 시험이 통과하는가

사람을 답답하게 만드는 부분입니다. 시험이 틀린 것이 아니기 때문입니다. 답하고 있는 질문이 필요한 질문과 다를 뿐입니다.

• 기능 시험이 묻는 것은 동작하느냐입니다. 동작합니다. 산화막이 상하고 누설이 올라간 소자도 기능상으로는 통과합니다. 통과하지 못하게 되는 그 순간까지는요.
• 누설 시험이 묻는 것은 데이터시트 한계 안이냐입니다. 안입니다. PZ0303P-F10이라면 그 한계는 V_RWM 3.3V에서 I_R 최대 1.0 µA이고, 열화 중인 소자는 거의 전 구간 그 아래에 있습니다.
• ESD 건을 다시 쏘는 것은 설계가 규격을 견디느냐를 묻습니다. 견딥니다. 그것은 인증이 이미 알려 준 사실입니다.

그래서 회사 안의 모든 계측기가 이 부품은 괜찮다고 말하고, 그 전부가 사실을 말하고 있습니다.

아무도 남기지 않는 기준값

손상은 실재하고 그동안 내내 측정 가능합니다. 다만 데이터시트의 숫자에 대해서는 측정되지 않습니다. 보이는 것은 그 개체 자신의 초기 누설과 비교했을 때뿐이고, 그것을 기록해 두는 사람은 거의 없습니다.

40nA에서 시작해 지금 400nA에 있는 부품은 열 배 열화되었으면서도 1µA 한계 안쪽에 여유 있게 들어 있습니다. 세상 어느 입고 검사도 통과시킵니다. 잡아낼 수 있는 유일한 측정은 응력 전에 재고 뒤에 같은 개체와 비교하는 것뿐입니다.

그 숫자가 종이에 인쇄된 한계를 넘을 무렵이면 고장은 이미 당신의 실험실에 없습니다. 현장에 있고, 누군가 반품을 접수하기 한참 전부터 현장에 있었습니다.

무엇을 공개하고 왜 그렇게 공개하는가

저희는 ESD 부품마다 누군가의 요구 레벨에서 합격했다는 문장이 아니라 절대 정격을 적습니다. 종이 위에서는 비슷해 보이지만 같은 주장이 아닙니다.

"8kV 합격"이 알려 주는 것은 해야만 했던 그 시험을 견뎠다는 사실뿐입니다. 어디서부터 열화가 시작되는지는 전혀 알려 주지 않고, 열화는 파괴보다 훨씬 앞서 시작됩니다. 절대 정격은 부품이 실제로 어디서 멈추는지를 알려 주고, 쓸모 있는 숫자는 그것과 당신의 요구 사이의 거리입니다. 반품률을 예측하는 것은 마진입니다.

이 주장이 어디까지인지는 분명히 해 두는 편이 낫습니다. 저희 ESD 라인에서 접촉과 공기의 절대 정격은 모든 데이터시트에 적혀 있습니다. 보호 부품 뒤의 IC가 실제로 보는 전압을 정하는 동적 저항은 많은 곳에 적혀 있지만 아직 전부는 아닙니다. 필요한데 인쇄되어 있지 않다면 문의해 주세요, 보내 드리겠습니다.

마진을 사세요, 가장 싼 대책입니다

이 고장 모드에 대한 다른 대책은 전부 비쌉니다. 공급망 전체의 취급 관리를 조이는 것은 비쌉니다. 개체별 기준값을 갖춘 입고 누설 선별을 추가하는 것도 비쌉니다. 반품이 시작된 뒤에 포트를 재설계하는 것은 아주 비쌉니다.

요구보다 한참 위에서 열화가 시작되는 부품을 지정하는 값은, 위 예에서는 0.45pF입니다.

1. 고속 포트. PZ0303P-F10, 8kV 요구에 대해 접촉 16kV와 공기 21kV, 0.45pF, 4채널. 마진의 신호 품질 대가가 사실상 없고, 여기서 살 만한 이유가 바로 그것입니다.
2. 범용 라인. PS와 PT 패밀리. 용량 제약이 덜하니 여유가 있는 곳에서는 여유를 가져가세요. 요구에 딱 맞추지 마세요.
3. 사용자가 만질 수 있는 모든 포트. 누적 응력이 실제로 일어나는 곳이 여기입니다. 제품 수명 동안 작은 사건의 횟수는 많고, 그 어느 것도 보고되지 않기 때문입니다.

요구를 딱 맞추는 부품을 고르려는 본능은 공학의 대부분 장면에서 합리적입니다. 여기서는 그것이 열화가 시작되는 지점을 제품의 일상 바로 옆에 놓는 일이 됩니다.

이미 반품이 있고 사건을 재현할 수 없다면

두 집단을 갈라 주는 측정이 보통 하나 있고, 게다가 돈이 들지 않습니다.

1. 기능이 아니라 누설을 재세요. 문제를 감추고 있는 것이 기능입니다. 잠재 손상이 가장 먼저 드러나는 곳은 누설입니다.
2. 둘 다 짚되 따로 기록하세요. 보호 어레이에서는 I/O 핀에서 접지로의 역방향 누설을 동작 전압에서 잽니다. 3.3V 부품이라면 3.3V에서의 I_R입니다. IC에서는 전원을 끈 상태로 핀에서 접지로의 저항을 잽니다. 앞에서 수백 킬로옴을 낸 것이 이 값입니다. 서로 다른 질문에 답하므로 둘 다 필요합니다.
3. 반품과 같은 품번의 새 재고를 비교하세요. 개체별 기준값이 없으니 집단을 기준으로 쓰면 됩니다. 두 집단이 뚜렷이 갈리면 그것이 답입니다.
4. 동작 전압에서 재세요, 항복점이 아닙니다. 이 고장이 사는 곳은 누설 영역이지 무릎이 아닙니다.

반품 집단이 새 재고보다 한 자릿수 높은데 둘 다 데이터시트 한계 안에 있다면, 찾은 것입니다. 그리고 ESD 건으로는 애초에 재현되지 않았을 것입니다. 어레이는 깨끗한데 IC 핀은 그렇지 않다면, 응력이 보호로 들어간 것이 아니라 지나쳐 간 것이고, 문제는 부품 자신의 내구성이 아니라 마진을 가리킵니다.