ESD原理詳解（一）
更新時(shí)間：2023-09-19 點(diǎn)擊次數：417
ESD（Electro-Static discharge ）是廣泛存在于你我身邊的自然現象，小時(shí)候上自然課就學(xué)過(guò)摩擦生電。而靜電對于工業(yè)界來(lái)說(shuō)有時(shí)候是很頭疼的東西，世（）界.上.最大的飛艇興登堡號就是因為靜電原因墜毀的。隨著(zhù)IC的規模越來(lái)越大，線(xiàn)寬越來(lái)越小，芯片也越來(lái)越嬌貴，EOS（Electrical Over Stress ）失效問(wèn)題也日益嚴重，而ESD是EOS失效的主要原因，ESD防護也成為ICdesigner需要考慮的問(wèn)題，而其中模擬IC因為其自身特性，需要更加注重ESD防護。ESD防護在模擬IC設計中是很重要的一環(huán)，但是國內IC企業(yè)很少有專(zhuān)人去負責，所以本文將對ESD的原理和分類(lèi)進(jìn)行由淺入深的總結，希望無(wú)論是IC設計人員還是硬件工程師都不需要去翻閱大量的資料，而對ESD有一個(gè)認知。ESD按照發(fā)生階段主要分為兩類(lèi)：1.發(fā)生在芯片上PCB板前的過(guò)程中（生產(chǎn) 、封裝、運輸、銷(xiāo)售、上板）這類(lèi)ESD事件完.（）全需要由芯片自己承受。業(yè)界對于這類(lèi)ESD事件進(jìn)行了分類(lèi)主要分為三種模型：HBM（Human body Model），MM（Machine Model），CDM（Charged Device Model），SDM（socket device Model），顧名思義HBM模型是仿真人體接觸模型（就是憨憨用手直接摸芯片），MM模型仿真機械接觸，CDM模型是仿真芯片因為摩擦或者熱等原因內部集聚了電荷，然后通過(guò)探針或者封裝等途徑從芯片內部放電到外部，起初CDM模型有兩種分類(lèi)，其中一種是non-socket device Model，是在測試的時(shí)候探針直接扎入PAD，而另一種socket device Model是測試的時(shí)候把芯片放入一個(gè)基座然后探針扎入基座，后來(lái)這兩種方式的結果差距有些大，就把SDM單獨拎出來(lái)了。目前還是以MIL-883作為主流標準。 2.芯片已經(jīng)在PCB上電工作后發(fā)生的ESD事件。這類(lèi)ESD事件主要包含：接觸放電，空氣放電，熱插拔，浪涌這幾種。這類(lèi)ESD事件普遍能量大，時(shí)間久。但是與前一類(lèi)最大的區別，這類(lèi)PCB上電后的ESD事件，芯片可以靠外援，通過(guò)TVS或者ESD陣列芯片進(jìn)行泄放，芯片本身在外界的幫助下可以不需要承受靜電流。而這類(lèi)ESD事件的詳規主要在IEC61000-4-2和IEC61000-4-5中，目前國內硬件工程師主要解決這方面的ESD事件。HBM是目前片級ESD防護比較成熟的模型。通過(guò)建立人體放電模型，仿真人體無(wú)保護直接接觸芯片的情況。
圖2.HBM放電波形
圖3.HBM等級
一般以電壓來(lái)表達HBM等級，不同的IC根據使用場(chǎng)景對于HBM等級有不同的要求。而隨著(zhù)越來(lái)越規范的生產(chǎn)制度，HBM模型造成的失效比例在一步步的降低。
圖4.HBM測試模型
2.MM模型。
MM與HBM模型相似，仿真的是機械設備接觸芯片的情況。
圖5.MM放電模型
圖6.MM放電波形
圖7.MM放電等級
MM放電模型也隨著(zhù)高度規范的生產(chǎn)流程，慢慢淡出人們的視線(xiàn)?，F在業(yè)界將HBM與MM進(jìn)行整合，制定了HMM模型。
3.CDM模型 ?。。?！
這是本期的重點(diǎn)，因為隨著(zhù)IC規模越來(lái)越大，ESD失效中CDM的比重正在快速上升，尤其是數-模不同電壓域的芯片，更易發(fā)生CDM事件。
CDM的場(chǎng)景是芯片因為摩擦或者其它原因在襯底內部集聚了很多電荷，當在封裝或者測試時(shí)芯片引腳接觸到探針后發(fā)生的放電事件。CDM放電事件主要會(huì )對MOS器件的柵極造成損壞，造成（dielectric failure）。CDM是三種模型中最難處理的情況，放電時(shí)間短，電流幅值大。放電路徑與HBM和MM有差異。
圖8.CDM放電模型
圖9.CDM放電模型
圖10.CDM放電等級
CDM模型500V折算電流是10.4A。而且CDM的脈沖時(shí)間極短，大約~0.3ns達到電流最大值。
圖11.CDM放電測試模型
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