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ESD原理详解(一)

更新时间:2023-09-19      点击次数:407
ESD(Electro-Static discharge )是广泛存在于你我身边的自然现象,小时候上自然课就学过摩擦生电。而静电对于工业界来说有时候是很头疼的东西,世()界.上.最大的飞艇兴登堡号就是因为静电原因坠毁的。随着IC的规模越来越大,线宽越来越小,芯片也越来越娇贵,EOS(Electrical Over Stress )失效问题也日益严重,而ESD是EOS失效的主要原因,ESD防护也成为ICdesigner需要考虑的问题,而其中模拟IC因为其自身特性,需要更加注重ESD防护。
ESD防护在模拟IC设计中是很重要的一环,但是国内IC企业很少有专人去负责,所以本文将对ESD的原理和分类进行由浅入深的总结,希望无论是IC设计人员还是硬件工程师都不需要去翻阅大量的资料,而对ESD有一个认知。
一.ESD的分类:
ESD按照发生阶段主要分为两类:
1.发生在芯片上PCB板前的过程中(生产 、封装、运输、销售、上板)这类ESD事件完.()全需要由芯片自己承受。业界对于这类ESD事件进行了分类主要分为三种模型:HBM(Human body Model),MM(Machine Model),CDM(Charged Device Model),SDM(socket device Model),顾名思义HBM模型是仿真人体接触模型(就是憨憨用手直接摸芯片),MM模型仿真机械接触,CDM模型是仿真芯片因为摩擦或者热等原因内部集聚了电荷,然后通过探针或者封装等途径从芯片内部放电到外部,起初CDM模型有两种分类,其中一种是non-socket device Model,是在测试的时候探针直接扎入PAD,而另一种socket device Model是测试的时候把芯片放入一个基座然后探针扎入基座,后来这两种方式的结果差距有些大,就把SDM单独拎出来了。目前还是以MIL-883作为主流标准。
 2.芯片已经在PCB上电工作后发生的ESD事件。这类ESD事件主要包含:接触放电,空气放电,热插拔,浪涌这几种。这类ESD事件普遍能量大,时间久。但是与前一类最大的区别,这类PCB上电后的ESD事件,芯片可以靠外援,通过TVS或者ESD阵列芯片进行泄放,芯片本身在外界的帮助下可以不需要承受静电流。而这类ESD事件的详规主要在IEC61000-4-2和IEC61000-4-5中,目前国内硬件工程师主要解决这方面的ESD事件。
二.ESD的原理
不同的ESD产生的原理不同:
1.HBM模型。
HBM是目前片级ESD防护比较成熟的模型。通过建立人体放电模型,仿真人体无保护直接接触芯片的情况。


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                                        图1.HBM放电模型

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图2.HBM放电波形

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图3.HBM等级

一般以电压来表达HBM等级,不同的IC根据使用场景对于HBM等级有不同的要求。而随着越来越规范的生产制度,HBM模型造成的失效比例在一步步的降低。

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图4.HBM测试模型

2.MM模型。

MM与HBM模型相似,仿真的是机械设备接触芯片的情况。

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图5.MM放电模型

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图6.MM放电波形

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图7.MM放电等级

MM放电模型也随着高度规范的生产流程,慢慢淡出人们的视线。现在业界将HBM与MM进行整合,制定了HMM模型。

3.CDM模型 !!!!

这是本期的重点,因为随着IC规模越来越大,ESD失效中CDM的比重正在快速上升,尤其是数-模不同电压域的芯片,更易发生CDM事件。

CDM的场景是芯片因为摩擦或者其它原因在衬底内部集聚了很多电荷,当在封装或者测试时芯片引脚接触到探针后发生的放电事件。CDM放电事件主要会对MOS器件的栅极造成损坏,造成(dielectric failure)。CDM是三种模型中最难处理的情况,放电时间短,电流幅值大。放电路径与HBM和MM有差异。

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图8.CDM放电模型

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图9.CDM放电模型


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图10.CDM放电等级

CDM模型500V折算电流是10.4A。而且CDM的脉冲时间极短,大约~0.3ns达到电流最大值。

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图11.CDM放电测试模型

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