ESD分析Part(2)
--靜電放電模式

前一部分介紹了靜電的產(chǎn)生機(jī)理，在這一部分則是要研究進(jìn)一步的問(wèn)題：靜電在哪里？從哪里來(lái)到哪里去？等等。

這一系列的文章主要是針對(duì)集成電路而言的，所以要拉回到主題上來(lái)。大家知道，要使物體帶電，主要的方式有，摩擦、接觸和靜電感應(yīng)。靜止的電荷不均勻分布在物體上，可能是在chip本身，在人體上，在機(jī)器上，在chip能夠存在的環(huán)境及周匝的事物上。所以這些靜止的電荷，隨時(shí)都可能通過(guò)某種方式釋放出來(lái)。然而研究并非盲目的，從事ESD研究的研究人員針對(duì)集成電路(封裝好的芯片)的測(cè)試，歸集出了主要的四類測(cè)試模式：

(1) 人體放電模式 (Human-Body Model, HBM) 
(2) 機(jī)器放電模式 (Machine Model, MM) 
(3) 組件充電模式 (Charged-Device Model, CDM) 
(4) 電場(chǎng)感應(yīng)模式 (Field-Induced Model, FIM) 

集成電路ESD規(guī)格

              HBM        MM       CDM
OK            2kV       200V      1kV
Safe          4kV       400V    1.5kV
Super        10kV        1kV      2kV

就個(gè)人對(duì)這四類模式的歸納：1-2-3-4都是以接觸的方式釋放電荷 (應(yīng)該有不接觸到就能釋放的可能)。
1-2的靜電存在于人體和機(jī)器上，3-4的靜電存在于chip本身。四類模式具體介紹如下：

(1) 人體放電模式HBM
HBM是傳統(tǒng)的測(cè)試模式，定義在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (MIL-STD-883x)中。人體上帶電，特別在干燥的冬天，常會(huì)接觸如門把手時(shí)便會(huì)有被電到的感覺(jué)。這是人體活動(dòng)的結(jié)果，靜電荷積聚在人體上，當(dāng)我們?nèi)ソ佑|芯片時(shí)，人體上的靜電就經(jīng)由IC的pin腳進(jìn)入芯片內(nèi)部，然后經(jīng)由IC放電到地。(不只在接觸PIN時(shí)才會(huì)發(fā)生，因?yàn)榉庋bIC的表面就存在靜電荷，接觸包裝表面也會(huì)發(fā)生。)放電過(guò)程在瞬間發(fā)生，大概幾納秒內(nèi)將IC組件燒毀。


    MIL-STD-883E中等效人體模型放電模式測(cè)試電路。883B與此類似，在883B測(cè)試電路中首先2000V
的電壓串聯(lián)約100M ohms電阻給100pf的電容充電，然后經(jīng)由1.5K電阻串聯(lián)放電給測(cè)試器件，以模擬人
體放電現(xiàn)象。就實(shí)際情況看，人體電容依據(jù)不同個(gè)體及接觸面積的大小大約在150-500pf之間，人體內(nèi)
阻也是受許多外在因素的影響，如皮膚的濕度等。如果是人通過(guò)手拿的金屬物體如起子，鑷子等，電阻會(huì)假設(shè)在幾十個(gè)ohm。基于這些因素的考慮，標(biāo)準(zhǔn)IEC802-2采用了電容150pf和更實(shí)際的放電電阻
330ohms。然而，考慮到測(cè)試的實(shí)際性，并不能直接應(yīng)用到集成電路中。采用2000V也是有問(wèn)題的，通過(guò)經(jīng)由手指測(cè)試出的電壓也在4000V以上。較少的能量在保護(hù)電路中消耗，相對(duì)而言是較小的。大部分能量都經(jīng)由電阻轉(zhuǎn)換成了熱能釋放出來(lái)。測(cè)試中要考慮許多重要的參數(shù)，按照這種方法，放電是在電流上上升的時(shí)段。IEC802-2中定位實(shí)際放電時(shí)段在電流上升約0.7ns時(shí)。這個(gè)值的來(lái)源很值得考慮，對(duì)于很快的放電，在弟一時(shí)刻只有少部分保護(hù)電路器件打開(kāi)，在接下來(lái)的階段(極短的時(shí)間)電流才完全傳播開(kāi)來(lái)。因此，在放電弟一階段，保護(hù)電路過(guò)載的危險(xiǎn)是存在的。相似的現(xiàn)象可通過(guò)可控器件來(lái)觀察到。如此，觸發(fā)后上升電流必須被限制。首先，只有靠近觸發(fā)電極少部分器件被導(dǎo)通，高的電流濟(jì)終導(dǎo)致組件的燒毀。這種現(xiàn)象雖然與大電流有關(guān)，但高電壓與電路破壞之間并沒(méi)有必然的聯(lián)系。通常這一點(diǎn)并沒(méi)有出現(xiàn)在連接到集成電路的地方，而是在一些設(shè)備或連接插頭處。在這個(gè)點(diǎn)與受威脅的電路之間，存在很長(zhǎng)導(dǎo)通路徑，這里存在著有明顯的放電電流，傳播甚至覆蓋了整個(gè)保護(hù)電路。

(2) 機(jī)器放電模式MM
機(jī)器放電模式，也就是將人體換成了機(jī)器設(shè)備，主體部分的改變，使得測(cè)試模式的改變。在這情況下，指靜電電荷積累在機(jī)器設(shè)備上，當(dāng)接觸到IC進(jìn)對(duì)芯片放電，并因此毀壞了電路。機(jī)器放電模式，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)EIAJ-IC-121 method20。MM測(cè)試電路與HBM相似，數(shù)值改變?nèi)纾娙葜禐?/span>200pf,充電電壓500V,充電電阻100Mohms，放電部分加>500nH電感(電感量與電流無(wú)關(guān)，感抗XL=2πfL，f為頻率)。因?yàn)榻^大部分機(jī)器是金屬的，等效電阻極小，導(dǎo)致瞬時(shí)放電電流巨大(幾安培)。


(3) 組件充電模式CDM
這種模式下，電荷積聚在IC本身，可能是因?yàn)榕cPIN摩擦，或者是接觸到其他物體的靜電電荷，使本身
帶電。再通過(guò)直接接地或間接接地進(jìn)行放電，而形成的一種放電現(xiàn)象。此類現(xiàn)象的模擬十分困難，是因為導(dǎo)致放電的組件差異所造成的。這種現(xiàn)象表明IC可能在生產(chǎn)過(guò)程中受損，比如IC在傳輸過(guò)程中帶電，在安裝到電路板上時(shí)接地而損壞。有時(shí)也可能在測(cè)試過(guò)程中受到損壞。CDM等效電路因情況的不同而多種多樣。因?yàn)榉庋b很小，所以電容和電感值都很小，大約5pf和10nH。CDM的放電時(shí)間很短，電流能在1ns時(shí)間內(nèi)沖到15安培的高峰，因此這種現(xiàn)象更容易對(duì)IC造成損傷。CDM與HBM沒(méi)有相互關(guān)連性，成功的CDM測(cè)試不能預(yù)示器件用HBM會(huì)發(fā)生什么情況!
以下是HBM,MM和CDM電流時(shí)間對(duì)比曲線:


(4) 電場(chǎng)感應(yīng)模式FIM
此類模式與CDM相似，只是IC帶電方式不同。這種模式是IC在電場(chǎng)環(huán)境中，因感應(yīng)而使本身帶電，放
電模式與CDM類擬。這種模式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JESD22-C101)，詳情請(qǐng)閱讀相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。