ESD是 Electro Static Discharge(静电放电)的缩写,是一种高能脉冲瞬态干扰,电荷从一个物体转移到另一个物体。

ESD产生:

 摩擦或接触引起的电荷累积 

 如在干燥或者摩擦时人手容易丢失电子,从而使人手带有正电荷。当携带正电荷的人手接触外部导体时,导体的电子会向人手转移,从而产生电流,在这个过程中产生的电压可达上千伏特。

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为什么要关注ESD?

器件越做越小,越来越集成时,核心电压越来越低时,器件对ESD的敏感性增加

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ESD引起的问题

ESD击中半导体器件后可能会导致氧化物穿孔、硅融化等事件

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ESD模型:

器件级ESD

HBM(Human Body Model:人体模型):假设由人体静电放电时的测试

例:人接触到电子设备放电

MM(Machine Model:机械模型):假设由机械静电放电时的测试

例:带电设备接触到其他电子设备后放电

CDM(Charged DevIEC Model:带电设备模型):假设由带电设备静电放电时测试

例:用带电的镊子去碰芯片

在制造环境下,IC一般能承受2KV HBM的ESD电击,小型器件静电规定低于500V。

系统级ESD:

IEC61000-4-2标准模拟现实世界中终端用户ESD事件。

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系统级ESD与器件级ESD标准的不同

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1.电流差异:

强电流可以引起结点损坏和栅氧化损坏,8KV的HBM保护芯片(峰值电流5.33A)可能会因为2KV IEC模型电击(峰值电流7.5A)而损坏。系统设计人员不能把HBM额定值同IEC模型额定值混淆

2.电压尖峰上升时间差异

HBM规定上升时间为25ns,IEC模型上升时间小于1ns,在最初的3ns消耗掉大部分能量。如果HBM额定器件需要25ns做响应,则在保护电路激活前器件已经损坏。

3.测试电击次数不同

HBM模型只要求测试1次正电击,一次负电击。IEC模型要求10次正电击,10次负电击。器件可能能够承受第一次电击,但初次电击带来的损坏仍然存在,其会在后续电击中失效。右图显示,相比所有器件级模型脉冲,IEC模型脉冲携带更多能量。

IEC61000-4-2标准

IEC61000-4-2规定的系统级测试用于模拟现实世界中终端用户ESD事件。

IEC规定了两种系统级测试:

接触式放电:测试模拟器与受测试器件(DUT)保持接触。

非接触式(空气)放电:模拟器带电电极靠近DUT,同DUT之间产生火花促使放电。

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IEC61000-4-2标准ESD 等级和测试电压:

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IEC61000-4-2标准ESD电流波形如下:在最初的3ns内消耗主要的ESD能量

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IEC61000-4-2标准测试条件

要求在如下条件下进行ESD测试:

环境温度:15℃~35℃

环境湿度:30%~60%

大气压力:86kPa(860mbar)~106kPa(1060mbar)

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ESD测试后的结果可能如下:

A类:•功能正常

B类:•功能异常但可自恢复

C类:•功能异常需要操作员干预或系统重置(操作员可以是最终用户)

D类:•设备、软件损坏或数据丢失而无法恢复

作者:李光熠