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ESD原理詳解(一)

更新時間:2023-09-19      點擊次數:1298
ESD(Electro-Static discharge )是廣泛存在于你我身邊的自然現象,小時候上自然課就學過摩擦生電。而靜電對于工業界來說有時候是很頭疼的東西,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IC的規模越來越大,線寬越來越小,芯片也越來越嬌貴,EOS(Electrical Over Stress )失效問題也日益嚴重,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,但是國內IC企業很少有專人去負責,所以本文將對ESD的原理和分類進行由淺入深的總結,希望無論是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有一個認知。
一.ESD的分類:
ESD按照發生階段主要分為兩類:
1.發生在芯片上PCB板前的過程中(生產 、封裝、運輸、銷售、上板)這類ESD事件完.()全需要由芯片自己承受。業界對于這類ESD事件進行了分類主要分為三種模型: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,其中一種是non-socket device Model,是在測試的時候探針直接扎入PAD,而另一種socket device Model是測試的時候把芯片放入一個基座然后探針扎入基座,后來這兩種方式的結果差距有些大,就把SDM單獨拎出來了。目前還是以MIL-883作為主流標準。
 2.芯片已經在PCB上電工作后發生的ESD事件。這類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ESD事件普遍能量大,時間久。但是與前一類最大的區別,這類PCB上電后的ESD事件,芯片可以靠外援,通過TVS或者ESD陣列芯片進行泄放,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。
二.ESD的原理
不同的ESD產生的原理不同:
1.HBM模型。
HBM是目前片級ESD防護比較成熟的模型。通過建立人體放電模型,仿真人體無保護直接接觸芯片的情況。


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                                        圖1.HBM放電模型

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圖2.HBM放電波形

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圖3.HBM等級

一般以電壓來表達HBM等級,不同的IC根據使用場景對于HBM等級有不同的要求。而隨著越來越規范的生產制度,HBM模型造成的失效比例在一步步的降低。

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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。

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圖5.MM放電模型

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圖6.MM放電波形

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圖7.MM放電等級

MM放電模型也隨著高度規范的生產流程,慢慢淡出人們的視線。現在業界將HBM與MM進行整合,制定了HMM模型。

3.CDM模型 !!!!

這是本期的重點,因為隨著IC規模越來越大,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,更易發生CDM事件。

CDM的場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芯片引腳接觸到探針后發生的放電事件。CDM放電事件主要會對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,放電時間短,電流幅值大。放電路徑與HBM和MM有差異。

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圖8.CDM放電模型

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圖9.CDM放電模型


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圖10.CDM放電等級

CDM模型500V折算電流是10.4A。而且CDM的脈沖時間極短,大約~0.3ns達到電流最大值。

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圖11.CDM放電測試模型

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