ESD的产生原理及防护

会计学1ESD的产生原理及防护主要内容ESD的产生原理几种常见的ESD模型ESD的防护ESD防护器件的摆放第1页/共35页ESD的产生原理ESD：ElectrostaticDischarge，即是静电放电通过摩擦使得A物体的电荷移动，从而A带有静电；A周边的电磁场发生改变，导致A带有静电；当A接触B时，A的静电流入B。ESD的放电过程很短，一般是ns级别，但是放电瞬间会产生很高的电流第2页/共35页几种常见的ESD模型人体放电模型(Human-BodyModel,HBM)机器放电模型(MachineModel,MM)元件充电模型(Charged-DeviceModel,CDM)电场感应模型(Field-InducedModel,FIM)第3页/共35页几种常见的ESD模型

人体放电模型(Human-BodyModel,HBM)人体放电模型(HBM)的ESD是指人体在地上走动摩擦或其他因素在人体上累积了静电，当此人去触碰IC时，人体上的静电便经由IC的pin脚进入IC内部，再经由IC内部放电到地。放电过程会在几百ns的时间内产生数安培的瞬间放电电流，此电流可能会把IC内的元件给烧毁。第4页/共35页几种常见的ESD模型

人体放电模型(Human-BodyModel,HBM)第5页/共35页几种常见的ESD模型

人体放电模型(Human-BodyModel,HBM)工业标准MIL-STD-883Cmethod3015.7中HBM的等效线路图，其中人体的等效电容定义为100pF,人体的等效放电电阻定义为1.5kohm第6页/共35页几种常见的ESD模型

机器放电模型(MachineModel,MM)机器放电模型的ESD是指机器本身也积累了静电，当此机器去触碰IC时，静电便经由IC的pin脚放电。机器放电的放电过程时间更短，在几十ns的时间内会有数安培的瞬间放电电流产生。工业标准EIAJ-IC-121method20中MM的等效电路图，其中机器的等效电容定义为200pF，机器的等效放电电阻为0ohm第7页/共35页几种常见的ESD模型

机器放电模型(MachineModel,MM)人体放电模型2kV和机器放电模型200V的放电电流比较图第8页/共35页几种常见的ESD模型

机器放电模型(MachineModel,MM)第9页/共35页几种常见的ESD模型

元件充电模型(Charged-DeviceModel,CDM)元件充电模型是指IC本身先因摩擦或其它因素而在IC内部累积了静电，但在静电累积的过程中IC并未损伤。在处理此IC的过程中，IC的pin脚触碰到了地，IC内部的静电便经由IC内部的pin脚流出来，而造成了放电现象。此种模式的放电时间更短，仅约为几ns，而且放电现象更难以被真实的模拟。因为IC内部积累的静电会因IC内部的等效电容的不同而改变。第10页/共35页几种常见的ESD模型

元件充电模型(Charged-DeviceModel,CDM)两种常见的CDM的放电情况第11页/共35页几种常见的ESD模型

元件充电模型(Charged-DeviceModel,CDM)CDM测试标准第12页/共35页几种常见的ESD模型

元件充电模型(Charged-DeviceModel,CDM)HBM2kV,MM200V,CDM1kV三种模型的放电电流比较图CDM更容易造成IC的损伤第13页/共35页几种常见的ESD模型

电场感应模型(Field-InducedModel,FIM)FIM的静电放电是因电场感应而引起的。当IC因传输带或其它因素，经过一个电场时，其相对极性的电荷可能会从IC的pin脚排放掉，这样当IC通过电场以后，IC便累积了静电。此静电再以类似CDM放电模型的情况放电出来。第14页/共35页ESD的防护器件选型时必须认证ESD等级IO接口线路上摆放ESD防护器件做好EMI防护第15页/共35页ESD的防护常用的ESD防护器件：二极管阵列第16页/共35页ESD的防护ESD防护器件的一般连接方式第17页/共35页ESD的防护ESD防护器件可以有效的抑制由ESD放电产生的直接电荷注入PCB设计中更重要的是克服放电电流产生的电磁干扰效应----EMI措施：通用的PCB板布线准则；ESD防护器件的摆放位置第18页/共35页ESD防护器件的摆放ESD电流路径上寄生自感的影响被保护IC所承受的电压Vx其中VF1为D1的正向导通电压第19页/共35页ESD防护器件的摆放在PCB布线时，遵循几个简单的规则就可以使这些寄生自感最小：1、尽可能地，用Vcc和地平面充当电源和地分散能量。2、要确保印刷电路上的走线—从ESD保护二极管阵列的Vp和Vn到Vcc和地平面间走线尽量地短、宽。理想情况是，将Vp和Vn直接通过多个口连到Vcc和地平面。3、在Vp和地平面间连入一个高频旁路电容---用最短的走线使自感最小第20页/共35页ESD与EOS的区别EOS:ElectricalOverStress指所有的过度电性应力，超过其最大指定极限后，器件功能会减弱或损坏ESD:ElectricalstaticDischarge静电放电，电荷从一个物体转移到另一个物体。区别：EOS通常产生于电源测试装置

其过程持续时间可能是几微妙到几秒，很短的EOS脉冲导致的损坏与ESD损坏相似。ESD属于EOS的特例，能量有限，由于静态电荷引起。其持续过程为几PS到NS。其可见性不强。通常导致晶体管级别的损坏。第21页/共35页导致EOS的原因：

*由于测试程序切换（热切换）导致的瞬变电流/峰值/低频干扰

*电源(AC/DC)干扰和过电压。

*测试设计欠佳，例如，在器件尚未加电或已超过其操作上限的情况下给器件发送测试信号。

*从其他装置发送的脉冲。

*工作流程不甚合理

*接地反弹（由于接地点不够，快速电流切换导致电压升高）

4、EOS的避免

*电源

–确保交流电源配备了瞬态电流抑制器（滤波器）

–电源过压保护

–交流电源稳压器（可选）。

–电源时序控制器，可调整时序

–不共用滤波器和稳压器

*工作流程

–将正确流程存档。

–确保针对以下内容进行培训并给出警示标志：

%电源开/关顺序

%不可“热插拔”

%正确的插入方向

–定期检查以确保遵守相关规定

第22页/共35页随着半导体行业的发展，微电路制造工艺不断提高（国外普遍采用0.8-1.0um，国内也达到2-3um的水平），以硅半导体为基础的微细工艺技术更加突显ESD对电子工业的危害，主要表现在：大规模集成电路IC的pin脚和I/O接口越来越多，pin间距越来越小，受到ESD时，其放电回路的阻抗非常小，无法限制放电电流的突变，使得IC的相关pin脚瞬间达到几十安培的大电流，过流和过热会导致IC严重损坏。另外ESD会使IC工作不正常，高电压在CMOS器件内会形成大电流通道，引起IC逻辑电路锁死。第23页/共35页、问：1M电阻在半导体装配过程中的作用是什么？

答：假设1：我们正谈论ESD控制问题；假设2：人体与半导体及带有半导体的器件接触，在防静电腕、防静电鞋、拉链、地线等地方均可发现1M串联电阻，其作用是限制可通过人体的电流量，保护人体安全。1M电阻的主要限定要求是：在250V交流有效值时，电流被限制到250微安，正好是大多数人的感知水平（神经系统发生反射的临界值）