ESD原理詳解（一）
更新時間：2023-09-19 點擊次數：1572
ESD（Electro-Static discharge ）是廣泛存在（zài）於你我身邊的（de）自然現象，小時候上自然課就學過摩擦生電。而靜電對於工業界（jiè）來說有時候是很頭疼的東（dōng）西，世（）界.上.最（zuì）大的飛艇興登堡號就是因為靜（jìng）電原因墜（zhuì）毀的。隨著IC的規模（mó）越來越大，線寬越來（lái）越小，芯片也越來越嬌（jiāo）貴，EOS（Electrical Over Stress ）失效問題也日益嚴重，而ESD是EOS失效（xiào）的主要原因，ESD防護也成為ICdesigner需（xū）要（yào）考慮的問（wèn）題，而其中模擬IC因為其自（zì）身特性，需要更加注重ESD防（fáng）護。ESD防護在模擬IC設計中是很重（chóng）要的一環，但是國內IC企業很少有專人去負責（zé），所以本文將對ESD的原理和分類（lèi）進（jìn）行由淺（qiǎn）入深的總（zǒng）結，希望無論是IC設計人員還是硬件（jiàn）工程師都不需要去翻閱大量的資料，而對ESD有一個認知。1.發生在芯片上PCB板（bǎn）前的（de）過程中（生產 、封（fēng）裝、運輸、銷售、上板）這類ESD事件完.（）全需（xū）要（yào）由芯片自己承受。業界（jiè）對於這類ESD事（shì）件進行了分類主（zhǔ）要分為三種模型：HBM（Human body Model），MM（Machine Model），CDM（Charged Device Model），SDM（socket device Model），顧名（míng）思義（yì）HBM模型是仿真人體接觸模型（就（jiù）是憨（hān）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（děng）原因內部集聚了電荷，然（rán）後通過探針或者封裝等途徑從（cóng）芯片內（nèi）部放電到外部（bù），起初CDM模型有兩種分類，其中（zhōng）一種是non-socket device Model，是在測試的時候探針直接紮入（rù）PAD，而另一種socket device Model是測試的時候把芯片放入一個基座然後探（tàn）針（zhēn）紮入基座，後（hòu）來這兩種方式（shì）的結果差距有些大（dà），就把SDM單獨拎出來（lái）了。目前還是以MIL-883作為主（zhǔ）流標準。 2.芯片（piàn）已經在PCB上（shàng）電工作後發生的ESD事（shì）件。這類ESD事（shì）件主要包含：接觸放電，空（kōng）氣放電，熱插拔，浪湧這（zhè）幾種（zhǒng）。這類ESD事件普遍能量大，時間（jiān）久。但是與前一類最大的區別，這類PCB上電後的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（shēn）在外界的幫（bāng）助下可以不需要承受靜（jìng）電流。而這類ESD事（shì）件的詳規主（zhǔ）要在IEC61000-4-2和IEC61000-4-5中，目前國（guó）內硬件工程師主（zhǔ）要解決這方麵的ESD事件。HBM是目前片級ESD防護比較成熟的模型。通過建（jiàn）立人體放電模型，仿真人體無保護（hù）直接接觸芯片的（de）情況（kuàng）。
圖2.HBM放電波形
圖3.HBM等級
一般以電壓來表達HBM等級，不同的IC根據使用場景對於HBM等級有（yǒu）不同的要求。而隨（suí）著越來越規範（fàn）的生產製度，HBM模型造成（chéng）的失（shī）效（xiào）比例在（zài）一步步的降低。
圖4.HBM測（cè）試模型（xíng）
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（fàng）電模型
圖6.MM放電波形
圖7.MM放（fàng）電（diàn）等級
MM放電模型也隨著高度規（guī）範的生（shēng）產流程，慢慢淡出人們的視線。現在業界將HBM與MM進行整合，製定了HMM模型。
3.CDM模型 ！！！！
這是本期的重點，因（yīn）為隨著IC規模越來越大，ESD失（shī）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（de）場景是芯片因為摩擦或者其它原因在襯底內部集（jí）聚（jù）了很（hěn）多電荷，當在封裝或者測試時芯片引腳接觸到探針後（hòu）發生的放電事（shì）件。CDM放電（diàn）事件主要會對MOS器（qì）件的柵極造（zào）成損壞（huài），造成（dielectric failure）。CDM是三種模型（xíng）中最難處理的情況（kuàng），放電時（shí）間短，電流幅值大。放電路（lù）徑與HBM和MM有差異。
圖8.CDM放電模型
圖9.CDM放（fàng）電模型
圖10.CDM放電等級
CDM模型500V折算電流是10.4A。而且CDM的脈衝時（shí）間極短，大約~0.3ns達到電流最大（dà）值。
圖11.CDM放電測試模（mó）型（xíng）
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