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1、ESD/EOS Technical Fundamentals 课程目标课程目标课程目标课程目标(Course Objective) ?1. 掌握掌握掌握掌握静电静电静电静电(Electrostatic charge)的概念的概念的概念的概念; ?2. 掌握掌握掌握掌握静电静电静电静电的危害及其周期的危害及其周期的危害及其周期的危害及其周期； ?3. 掌握掌握掌握掌握静电释放静电释放静电释放静电释放(ESD)的概念的概念的概念的概念; ?4. 掌握掌握掌握掌握静电释放静电释放静电释放静电释放(ESD)的危害和模式的危害和模式的危害和模式的危害和模式; ?5. 掌握掌握掌握掌握静电防护静电防护静电
2、防护静电防护(ESD Control)的的的的 基本原则和措施基本原则和措施基本原则和措施基本原则和措施; ? 6. 掌握掌握掌握掌握EOS与与与与ESD区别与区别与区别与区别与相关性相关性相关性相关性; ? 什么是静电（electrostatic charge)？ 静电（电荷）是物体的表面由于某种原因造成电荷不平衡而形成的: 正电荷(+ positive)；或负电荷(- negative) ? 在日常生活中经常遇到： -塑料梳子梳头发； -冬天脱毛衣; -拖鞋走在地毯上； -手摸汽车的金属扶手； -电脑，电视的屏幕；+3 -闪电; -4 -1(net charge) 1.1 静电的基本概念静
3、电的基本概念静电的基本概念静电的基本概念 + + - - - - 静电是怎样产生的静电是怎样产生的静电是怎样产生的静电是怎样产生的？ ?1. 摩擦起电摩擦起电摩擦起电摩擦起电( Triboelectric charge) 两种不同的表面摩擦,并分离起电；是静电产生的主要原因。 例子例子例子例子:10% RH55% RH 人走过地毯35,000V 7,500V 元件在普通塑料管里5,000V 1,100V 元件接触橡胶P - A 电场离开, B再次接地, 负电荷2ndCDM ESD. 静电场 Electro- static field 被感应的导体或元件 - 在制造工厂车间由于在制造工厂车间由于
4、在制造工厂车间由于在制造工厂车间由于摩擦摩擦摩擦摩擦容易产生静电容易产生静电容易产生静电容易产生静电 的地方有的地方有的地方有的地方有： ?机器的传输和搬运系统机器的传输和搬运系统机器的传输和搬运系统机器的传输和搬运系统; （如：传送带,轨道，真空P - ESD造成的电磁干扰EMI (electro-magnetic interference), 造成机器的死机或误动作； -客户投诉或客户审核时不满意； 1.Generation 2.Retention 3. Discharge 什么叫静电释放什么叫静电释放什么叫静电释放什么叫静电释放？ ? 静电释放静电释放静电释放静电释放就是静电从一个物体突
5、然的，自发的 传递到另一个电位不同的物体的过程。 (A rapid, spontaneous transfer of electrostatic charge between bodies at different electrical potentials.A subset of EOS) 物体 物体 3. 静电释放静电释放静电释放静电释放(ESD) 的概念的概念的概念的概念 + + - 4.1 静电释放静电释放静电释放静电释放(ESD)的危害的危害的危害的危害 ?1. ESD 造成的危害类型(按后果分）： 1）.灾难性的损害灾难性的损害灾难性的损害灾难性的损害 (Catastrophic
6、failure): no function, permanently damaged （焊线熔解造成开路或短路；高压或热击穿等等） 2）.潜伏的潜伏的潜伏的潜伏的，部分的损害部分的损害部分的损害部分的损害 (Latent defect): partially degraded, parameters changed; operating life reduced. ?2. 决定ESD危害程度的因素： - 产品的耐压性（Devices ESD Sensitivity ); - ESD 电压; - 静电释放速度Discharge speed; (由材料的静电特性决定) 4.2 ESD危害的类型和因
7、素危害的类型和因素危害的类型和因素危害的类型和因素 材料按材料按材料按材料按 表面电阻表面电阻表面电阻表面电阻(surface resistance)分分分分： 导电性的不同，反应了材料中的电荷转移能力的大小。 ?Insulative 绝缘材料: 电子不能在表面或体内移动, 静电不能释放; ?Dissipative 静电耗散材料:静电能安全缓慢释放; ?Conductive 导电材料: 静电会迅速释放 (包括Shielding静电屏蔽材料), 如人体，金属; 4.3 材料的防静电特性材料的防静电特性材料的防静电特性材料的防静电特性 10E1210E5 Dissipative Insulativ
8、e Conductive (Surface resistivity， Unit: Ohm/sq. ) ESDS 静电敏感性 的标准测试模型，实验室的仿真模拟。 ?1. HBM 人体模型(Human body model, ESD STM5.1-2001) ： 人接触元件,人体的静电释放给元件； 其危害是能量决定型的,常导致熔化. + DUT 双极 pulse generator 100 pF 1M ohms1.5K ohms Typical HBM circuit 4.4 ESD危害的三种模型危害的三种模型危害的三种模型危害的三种模型 ?2. CDM 带电器件模型(charged device
9、 model, STM5.3.1-1999): 带电的器件接触地或金属导体,器件的静电瞬间释放. 放电瞬间小于1纳秒。普遍存在但长期被忽略的一种严重危害， 常导致绝缘击穿(dielectric breakdown), 看上去有些洞,坑洼。 + + 导体 或地 Hi voltage generator Rc Cd Ld Rd DUT Charge probe Discharge probe Typical CDM circuit Parasitic 寄生电路 4.4 ESD危害的三种模型危害的三种模型危害的三种模型危害的三种模型(续续续续1) 带电 导体 ?3. MM 机器模型(Machine
10、model, STM5.2-1999 ): 带静电的导体接触元件,导体的静电释放给元件； 是HBM的最严重的情形(the worst case of HBM)。 + + DUT 双极 pulse generator 200 pF R 0.5 H Typical MM circuit No series resistor 4.4 ESD危害的三种模型危害的三种模型危害的三种模型危害的三种模型(续续续续2) 放电脉冲波形的比较放电脉冲波形的比较放电脉冲波形的比较放电脉冲波形的比较： CDM vs HBM vs MM 4.4 ESD危害的三种模型危害的三种模型危害的三种模型危害的三种模型(续续续续3
11、) 三种三种三种三种ESD模式的比较模式的比较模式的比较模式的比较： CDM vs HBM vs MM 4.4 ESD危害的三种模型危害的三种模型危害的三种模型危害的三种模型(续续续续4) ESDS是是是是 根据产品的耐静电电压划分的根据产品的耐静电电压划分的根据产品的耐静电电压划分的根据产品的耐静电电压划分的 最新标准: Min ( HBM, CDM) oClass 0 : most sensitive, 需要特别防护需要特别防护需要特别防护需要特别防护. (like: CMOS) oClass 1: very sensitive. 4.5 静电敏感性等级静电敏感性等级静电敏感性等级静电敏感
12、性等级（ESDS Classification） 0V200V500V2000V16000V Class 0Class IClass IIClass III(n/a) All pins need to be protected. Especially: 1.CMOS inputs: to avoid gate oxide breakdown. 2.CMOS outputs: to avoid breakdown voltage of Drain/ substrate NMOS junction 3.Bipolar ICs: to avoid breakdown of Base-emitter
13、junction. 静电危害防护的基本原则静电危害防护的基本原则静电危害防护的基本原则静电危害防护的基本原则: o最理想的方法是设计时在电子元件内加入保护性线路； (add discharging path in the design) o 建立并标志 静电防护区（ EPA )； o 消除或尽量减少静电的产生； o 消除或尽量减少静电的积累； o 静电安全的释放或中和安全的释放或中和安全的释放或中和安全的释放或中和 ； 5. 1静电释放的防护静电释放的防护静电释放的防护静电释放的防护: ESD Control ANSI/ESD S20.20的三个原则: 1. 连接并接地所有的导体； 2. 控制
14、非导体的静电； 3. 运输和存储时保护性包装； No charge, No discharge! 5. 1静电释放的防护静电释放的防护静电释放的防护静电释放的防护: ESD Control ? EPA 工作台工作台工作台工作台: static voltage within (-100v,+100v) AC 电源 公共接地点 (CPG) 防静电胶垫 (防止CDM) Wrist strap 手腕带接地点 防静电 地板 1A）的过程。产生的能量是ESD产生能量的几倍 数量级，可以造成大范围的硅熔化及氧化层击穿及金属熔化等失效模 式。 6.1 EOS与与与与ESD概念比较概念比较概念比较概念比较 EO
15、S 概要概要概要概要 EOS特指特指特指特指Lightening 闪电闪电闪电闪电 ESD 高电压(1v15kv) 作用时间短 非常低的能量 上升非常快瞬时 (110ns) 低电压(16v) 作用时间长 低能量 上升较快 (110ms) 异常高的电压 异常高的能量 都属EOS的范畴 EOS损伤通常由以下各种特定的情节造成： 客户的应用 制造过程的问题 一些边缘设计 拴锁效应（通常因不当的应用造成） ESD事件 6.2 EOS与与与与ESD失效比较失效比较失效比较失效比较 失效集中在小的区域 不会在一个芯片中造成多个元件 的损伤 细丝现象在相同芯片中出现可以 是随机的 如果集中在一点，通常会很小
16、 细丝在扩散区之间 只有一种损伤模式 大片区域的失效 可能会和ESD损伤相似，损伤可 以是局部的，形成一个洞。 扩散成大片熔化区域，导致多层 损伤 有时EOS会造成产品塑封体损 伤，例如，塑封树脂炭化。 可能会有多种损伤同时发生 ESD:EOS: 6.2 典型的典型的典型的典型的ESD/EOS 损害图片损害图片损害图片损害图片： This CDM damage was found at each gate to source edge. EOS 6.3 ESD损伤是否会导致集成电路里的损伤是否会导致集成电路里的损伤是否会导致集成电路里的损伤是否会导致集成电路里的EOS失效失效失效失效？ ESD损伤是一种小级别的损伤，而EOS是大数量级的 损伤。 当上电时， ESD损伤会成为异常电路工作的一个焦点。 而这种异常电路工作，会产生额外的功率发散。 这种高功率的发散会造成异常严
