ESD物理与器件 ESD物理与器件 评价人数不足

《ESD揭秘—静电防护原理与应用》读书笔记

本格周2013

第一章 静电学基本原理

随着器件尺寸减小、集成度提高,静电放电带来越来越严重的可靠性问题。

静电问题从产品研发设计到生产制造及维修等过程都存在。

身边的静电问题从油箱爆炸、计算机服务器中的闩锁到汽车噪声比比皆是。对于非专业来说这是有必要了解的。

古希腊时期有一位物理学家泰勒斯发现琥珀摩擦后能够吸引稻草,英文单词电子“electron”是由希腊语琥珀“ελεκτρον”而来。

到了18世纪人们发现当两种物质相互接触摩擦后会导致电荷在两者之间转移,得到外层轨道的电子带负电,失去电子的带正电。

两种材料的物体发生物理接触后分离,就会产生摩擦生电。因此,材料特性影响着电子能否发生转移。通过人们大量的实验构建出了一张表单来预测电荷的转移方向。(表单)

导体、半导体、绝缘体:通俗讲,绝缘体就是限制电子在其体内或表面自由流动的材料,电阻为11次方。导体的电阻小于4次方。

材料导电的特性有利也有不利,当其内部电子不能自由移动时,会积累电荷,产生电击穿或过电应力。而允许电子流动的材料则会产生大电流、静电放电、热击穿等器件和封装的熔化问题。

为避免静电的积累和大...

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第一章 静电学基本原理

随着器件尺寸减小、集成度提高,静电放电带来越来越严重的可靠性问题。

静电问题从产品研发设计到生产制造及维修等过程都存在。

身边的静电问题从油箱爆炸、计算机服务器中的闩锁到汽车噪声比比皆是。对于非专业来说这是有必要了解的。

古希腊时期有一位物理学家泰勒斯发现琥珀摩擦后能够吸引稻草,英文单词电子“electron”是由希腊语琥珀“ελεκτρον”而来。

到了18世纪人们发现当两种物质相互接触摩擦后会导致电荷在两者之间转移,得到外层轨道的电子带负电,失去电子的带正电。

两种材料的物体发生物理接触后分离,就会产生摩擦生电。因此,材料特性影响着电子能否发生转移。通过人们大量的实验构建出了一张表单来预测电荷的转移方向。(表单)

导体、半导体、绝缘体:通俗讲,绝缘体就是限制电子在其体内或表面自由流动的材料,电阻为11次方。导体的电阻小于4次方。

材料导电的特性有利也有不利,当其内部电子不能自由移动时,会积累电荷,产生电击穿或过电应力。而允许电子流动的材料则会产生大电流、静电放电、热击穿等器件和封装的熔化问题。

为避免静电的积累和大电流的产生,既非高绝缘性也非高导电性的材料具有天然的优势,可以我们称之为静电耗散材料。

但是电子器件是由金属、绝缘体和半导体构成的多层系统,控制半导体器件的传导和耗散是非常困难的。

第二章 生产和静电的基本原理

案例:1.车间周转使用高静电拉伸膜。2.降低产品划伤将彩包托盘使用在组装段。3.引脚器件与手指接触导致失效。

从生产到运输过程中的制造环境会产生ESD问题,包括:建筑物、地板、工具、机器设备、操作员、技术员和电器部件。

这些因素会对产品造成影响,也是经营企业获取成功的因素。

生产环境:接地及连线系统;工作台面;防静电腕带;监视器;鞋类;地板;人员服装接地;离子发生器;座椅;移动设备;包装袋和托盘。

接地及连线系统:接地系统连接良好时,操作区域内的所有物体和敏感零部件会处于等电位,就不会发生ESD事件。

工作台面:工作台面的导电不均或老化会导致电气实效。

防静电腕带:人体与地板或其他表面间的摩擦会积累静电,接触电子器件时会释放静电,防静电腕带可以把人体静电引向接地端。

监视器:可以随时监测ESD区域的变化情况。

鞋类:可以限制操作员摩擦产生的静电。

地板:可以降低人及移动设备之间的摩擦生电。

服装:可以降低人员身上的电荷积累。

离子发生器:用于绝缘体表面,同时产生正负离子对,通过吸收相反极性的离子进行中和。

座椅:人员坐在座椅上时需要椅子能够接地释放静电荷。

移动设备:移动设备放置在移动设备上时需要能够接地释放静电荷。

包装袋和托盘:器件在包装袋、托盘内摩擦也会产生静电,当离开包装放在工作台面上,其引脚会发生ESD失效。

第三章 ESD、EOS、EMI、EMC和闩锁效应

静电放电会导致器件的立即或缓慢失效,永久的参数改变。

人体模型HBM(Human Body Model):行业中最基本的模型,用于表示人体带电与器件的相互作用。模拟电路中电阻1.5K欧姆,电容100pF。

机器模型MM(Machine Model):用于表示带电导体带电与器件的相互作用。模拟电路中电容200pF。

充电器件模型CDM(Charged device model):用于表示器件之间放电的相互作用,模拟电路中电阻1欧姆。

传输线脉冲是参照ESD的放电模型,用超高速的矩形电流脉冲模拟ESD失效分析方法。

第四章 ESD和系统级失效

ESD电流在产品上的释放有以下情况:

1,接地层注入——通过屏蔽层和接地连接器外壳直接引入地面。

2.通过ESD防护网引入地面——ESD电流通过片上货片外ESD防护器件按预设的ESD电流通路想地面分流。

3.引入信号通路——直接进入信号通路或未保护电路。

ESD电流流过防护电路电流回路可能导致系统紊乱或引发硬失效。

第五章 元器件级问题——问题与解决方法

电感器:能把电能转化为磁能而储存的元件。如果电感器在没有电流通过的状态下,电路接通时它将试图阻碍电流通过它,反之亦然。

ESD芯片保护——问题与解决方法:在电源线与地线之间放置ESD保护电路。ESD保护网络提供电流路径,使ESD电流分流到电源供给轨或接地电源。(放置位置在电源线Vdd与接地线Vss之间)。

ESD芯片级设计方案——设计综合的基本要素

1.器件对于外部事件的响应:根据期间/电路的独特性,ESD网络的不同段将按照不同的放电模型响应设计。

2.交替电流回路:大电流分流。

3.开关:大电流或高电压触发保护网络开关的建立。

4.电流通路去耦:对半导体区域进行开路或浮空,避免大电流。

5.反馈回路去耦:开启阻塞回路,小区单元的电流通路。

6.缓冲器:高阻抗元件。

7.整流:运用电阻器使电流再分配。

SOC:系统级芯片/片上系统(system on chip)

ESD信号引脚保护网络:将电流从信号通路转移到电源线上。

ESD电源钳位保护网络:在电源线Vdd与接地线Vss之间建立交替电流回路。

第六章 系统中的ESD问题及解决方案

航空航天飞机解决方案:1.当乘客都离开飞机后在加油。2.油罐车接地电缆通过金属夹连接与飞机连接。

油轮解决方案:对有关道进行接地防止油罐储存设备发生爆炸。

汽车解决方案:1.人员ESD意识。2.ESD相关规范。3.配备灭火器。

计算机和服务器:对服务器操作时使用“触摸垫”,手握电缆同时接触“触摸垫”后在将电缆插入系统中。

主板和板卡解决方案:1.系统板卡插入的触点(Vdd)长度超过其他信号端触点的长度。避免电流脉冲进入信号线,导致计算机故障。

系统级的电路板设计——接地设计:把数字部分电路和模拟电路部分电路的地平面“桥接”,避免电磁干扰。

系统级“板上”ESD防护是放置在电路板上的ESD元件,替代其他额外的防护方式。

系统级瞬态解决方案:1.片外电压抑制器件使电路免受外部插口进入的EOS、ESD和电缆放电时间的损害。2.聚合物电压抑制器件能抑制大电流瞬态现象。

当芯片影响了系统首先完成元气啊记得ESD测试(如:HBM\MM\CDM)然后再对系统进行不同的ESD测试。

EMC/ESD扫描系统可以产生一个局域化的电场或磁场扫描设备,生成一个映射确定ESD敏感区域(电磁噪声和系统敏感的入口)。

第七章 静电放电的未来

光刻掩膜与十字线:光刻掩膜对半导体圆片表面的光敏材料曝光加固硬化,以便制造所需要的结构和形状。在光刻掩膜的铬版间存在“火花隙”会导致静电放电,使铬刻线损坏。

磁记录技术:在磁头上的小型薄膜磁阻(MR)感应旋转磁盘上的磁场,磁盘信息存放越多,需要越小的磁头,越易受ESD与电磁干扰(EMI)。

微机电器件(MEM):在MEM结构中,单元的各个部分间的空隙用于提供静电驱动,电火花会在空隙处发生并导致器件熔融使它们“粘着”在一起,发生“黏带”。

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