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浅谈ESD防护——ESD原理详解（一）

热度 32已有 8654 次阅读| 2022-8-19 15:08 |个人分类:ESD防护|系统分类:芯片设计| 模拟IC设计, IO接口设计, ESD

ESD（Electro-Static discharge ）是广泛存在于你我身边的自然现象，小时候上自然课就学过摩擦生电。而静电对于工业界来说有时候是很头疼的东西，世界上最大的飞艇兴登堡号就是因为静电原因坠毁的。随着IC的规模越来越大，线宽越来越小，芯片也越来越娇贵，EOS（Electrical Over Stress ）失效问题也日益严重，而ESD是EOS失效的主要原因，ESD防护也成为ICdesigner需要考虑的问题，而其中模拟IC因为其自身特性，需要更加注重ESD防护。

ESD防护在模拟IC设计中是很重要的一环，但是国内IC企业很少有专人去负责，所以本文将对ESD的原理和分类进行由浅入深的总结，希望无论是IC设计人员还是硬件工程师都不需要去翻阅大量的资料，而对ESD有一个认知。

一.ESD的分类：

ESD按照发生阶段主要分为两类：

1.发生在芯片上PCB板前的过程中（生产、封装、运输、销售、上板）这类ESD事件完全需要由芯片自己承受。业界对于这类ESD事件进行了分类主要分为三种模型：HBM（Human body Model），MM（Machine Model），CDM（Charged Device Model），SDM（socket device Model），顾名思义HBM模型是仿真人体接触模型（就是憨憨用手直接摸芯片），MM模型仿真机械接触，CDM模型是仿真芯片因为摩擦或者热等原因内部集聚了电荷，然后通过探针或者封装等途径从芯片内部放电到外部，起初CDM模型有两种分类，其中一种是non-socket device Model，是在测试的时候探针直接扎入PAD，而另一种socket device Model是测试的时候把芯片放入一个基座然后探针扎入基座，后来这两种方式的结果差距有些大，就把SDM单独拎出来了。目前还是以MIL-883作为主流标准。

2.芯片已经在PCB上电工作后发生的ESD事件。这类ESD事件主要包含：接触放电，空气放电，热插拔，浪涌这几种。这类ESD事件普遍能量大，时间久。但是与前一类最大的区别，这类PCB上电后的ESD事件，芯片可以靠外援，通过TVS或者ESD阵列芯片进行泄放，芯片本身在外界的帮助下可以不需要承受静电流。而这类ESD事件的详规主要在IEC61000-4-2和IEC61000-4-5中，目前国内硬件工程师主要解决这方面的ESD事件。

二.ESD的原理

不同的ESD产生的原理不同：

1.HBM模型。

HBM是目前片级ESD防护比较成熟的模型。通过建立人体放电模型，仿真人体无保护直接接触芯片的情况。

图1.HBM放电模型

图2.HBM放电波形

图3.HBM等级

一般以电压来表达HBM等级，不同的IC根据使用场景对于HBM等级有不同的要求。而随着越来越规范的生产制度，HBM模型造成的失效比例在一步步的降低。

图4.HBM测试模型

2.MM模型。

MM与HBM模型相似，仿真的是机械设备接触芯片的情况。

图5.MM放电模型

图6.MM放电波形

图7.MM放电等级

MM放电模型也随着高度规范的生产流程，慢慢淡出人们的视线。现在业界将HBM与MM进行整合，制定了HMM模型。

3.CDM模型！！！！

这是本期的重点，因为随着IC规模越来越大，ESD失效中CDM的比重正在快速上升，尤其是数-模不同电压域的芯片，更易发生CDM事件。

CDM的场景是芯片因为摩擦或者其它原因在衬底内部集聚了很多电荷，当在封装或者测试时芯片引脚接触到探针后发生的放电事件。CDM放电事件主要会对MOS器件的栅极造成损坏，造成（dielectric failure）。CDM是三种模型中最难处理的情况，放电时间短，电流幅值大。放电路径与HBM和MM有差异。