ESD笔记（一）_ESD基础

一时失言乱红尘 2022-08-31 01:47 237阅读 0赞

## 基本ESD模型 ##

将一个电容充电到高电压（一般是2kV至8kV），然后通过闭合开关将电荷释放进准备承受ESD冲击的“受损”器件（图1）。电荷的极性可以是正也可以是负，因此必须同时处理好正负ESD两种情况。

*  (1 ) HBM ( Human Body Model)，人体放电模型；

指带电荷的人体与集成电路产品的管脚接触并发生静电荷转移时，产生的ESD现象。  
人体等效电阻约1500欧姆，等效电容值为lOOpF，Ls与Cs寄生电感和电容。该ESD放电产生电流波形的上升时间在2~ 10ns范围内，持续时间在150 ~ 200ns范围内.由于HBM模型中的电感、电容等参数针对于不同环境和人体会有所差异，因此各组织机构制定各自HBM模型中的寄生电容、电感值略有差异，但其HBM放电波形基本一致。  
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*  (2 ) MM ( Machine Model)，机器放电模型；

模拟机器手臂等金属工具与芯片管脚接触并发生静电荷转移，产生的ESD事件。  
金属机械的寄生电阻较小（约20欧姆）、等效电容较大（200pF)且存在寄生电感Ls,因此MM放电过程维持时间短，电流波形呈阻尼振荡且峰值电流较高，一般为相同等级HBM ESD峰值电流的20 ~ 30倍。MM波形上升时间在6 ~ 8ns范围内，脉宽约为100ns。  
备注：MM模型，由于电阻过小，实验严苛，目前已经基本不再进行，用CDM代替；  
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*  (3 ) CDM ( Charged Device Model)，组件充电模型；

主要模拟封装后的芯片在装配、运输中由于摩擦或者感应自身携带了电荷，当芯片管脚接触到地或其他物体引起电荷转移，大量电荷从IC内部流出产生的ESD现象。  
芯片本身的寄生电阻、电容和电感与芯片的版图尺寸、封装形式、放电位置等都有密切关系。芯片寄生电阻较小（约15欧姆），因此CDM放电过程迅速，其电流波形的上升时间约为0.2ns ~ 0.4ns，脉宽小于5ns,电流峰值也较大，约为相同等级HBM ESD的15 ~ 20倍。由于其电流脉冲上升时间极短，对ESD防护器件的开启速度要求十分严格。

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*  (4 ) HMM ( Human-Metal-Model)，人体金属放电模式；

业界最新研究的一种ESD模式，主要模拟带有静电荷的人体通过金属、机械等与芯片管脚相接触，发生电荷转移的ESD过程。  
HMM主要用来评价芯片在系统级ESD测试中的鲁棒性。该模型尚在广泛讨论当中，并无标准的模型和参数，只有两个指导性文档ESD TR5.6-01-09和DSP5.6。

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备注：上图中模拟了一种人体金属模式等效电路图，等效电容为150pF，等效电阻约为330^2, L1、C1、L2为放电回路寄生参数，Cb为平板电容，其放电波形的上升时间大概为0.8ns±0.2ns，持续时间约为50ns。

## ESD 失效原因 ##

失效类型分为两大类：致命失效 & 性能退化；

*  致命失效：介质击穿、金属溶断、PN结穿刺、接触孔金属电迁移等，它会直接造成开路、短路或漏电增大，导致芯片永久性失效；
 *  性能退化：会造成芯片内部电路参数漂移、寿命降低，影响芯片的工作性能但一般不会立刻导致芯片失效。

## ESD保护电路的功能 ##

其在芯片功能正常工作时处于透明状态，不影响产品性能参数，占据芯片版图面积小，并且在ESD应力下能够及时快速的开启，将ESD电流通过ESD防护电路顺利泄放，将芯片内电压箱位在安全范围，有效保护芯片内部胞弱的晶体管，同时ESD防护器件本身要足够强壮而不被ESD应力损坏。这就要求了设计优异ESD防护器件应满足的四个标准：透明性、敏捷性、有效性和鲁棒性。

## ESD 关键参数 ##

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说明：

1.  反向工作电压：对应线路上的工作电压 or 最高变频电压；
2.  最小击穿电压：测量方式为反向电流1mA时的电压；
3.  反向漏电流：在最大反向工作电压对应的电流；高阻端口
4.  钳位电压：当电路经过8个20us的pulse后，在规定电流下的残余电压；为了确保在8个20us的pulse后，电路依然可以正常工作；
5.  结电容：速率高的场景，对结电容敏感；

注意：

*  ESD的截止电压需要大于被保护IC的最大工作电压，否则会影响电路正常工作；如：工作电压为5V的线路，应选择截止电压大于等于5V的ESD器件进行保护；
 *  在高速端口（如：USB 3.0, USB3.1, HDMI, IEEE1394等）,ESD保护器件的结电容应选择尽量小，以避免影响通信质量；
 *  根据电路设计布局及被保护线路选择合适的封装形式。一般情况下：ESD器件封装大小从一定程度上可以反应防护等级大小，一般封装越大，可容纳的ESD芯片面积也越大，防护等级也越高；
 *  接口尽量靠近大面积的底线，泄放回路也是越短越好；

## 电路保护器件 ##

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