基于静电放电击穿IC芯片分析与研究

芯片静电测试标准引言随着电子技术的快速发展，芯片已成为现代社会的关键组成部分。

然而，芯片在生产和使用过程中容易受到静电的损害。

为了确保芯片的质量和可靠性，制定芯片静电测试标准至关重要。

本文将对芯片静电测试标准进行全面、详细、完整和深入的探讨。

测试目的芯片静电测试的主要目的是评估芯片在静电环境下的性能和可靠性。

通过测试，可以检测芯片是否容易受到静电损害，以及是否满足相关的测试标准。

测试结果将用于指导芯片的设计、生产和使用，以降低芯片的静电敏感性，提高芯片的品质。

测试方法芯片静电测试一般包括以下几个方面的测试方法：1. 静电放电测试静电放电测试是评估芯片在静电放电事件下的性能的基本方法。

测试时，通过模拟静电放电事件，将芯片暴露在不同的放电电压和放电能量下，观察芯片的反应。

常用的测试方法包括人体模型（HBM）测试和机器模型（MM）测试。

1.1 人体模型（HBM）测试人体模型（HBM）测试是模拟人体静电放电对芯片的影响。

测试时，将芯片连接到接地板上，然后将预定的放电电压施加在芯片的引脚上，观察芯片的输出和/或损坏情况。

1.2 机器模型（MM）测试机器模型（MM）测试是模拟机器静电放电对芯片的影响。

测试时，将芯片连接到模拟电路上，通过一个预定的电容来模拟机器的静电放电，观察芯片的输出和/或损坏情况。

2. 静电放电保护测试静电放电保护测试是评估芯片的静电放电保护性能的方法。

通过测试，可以确定芯片是否具有有效的静电放电保护电路，以防止静电放电损伤芯片。

2.1 静电放电保护电路设计静电放电保护电路的设计是芯片静电测试中的关键环节。

设计时需要考虑芯片的特性和预期的静电放电情况，选择合适的保护元件和保护拓扑，以提高芯片的静电放电保护性能。

2.2 静电放电保护测试方法静电放电保护测试主要包括放电幅值测试和放电速率测试。

通过这些测试方法，可以验证芯片的静电放电保护电路的性能，以及是否满足相关的测试标准。

3. 静电敏感性测试静电敏感性测试是评估芯片在静电环境下的敏感性的方法。

静电对芯片静电是指在不产生电荷流动的情况下，物体表面的电荷分布不均引起的电势差和电场的现象。

由于芯片中的各种电路元件都是极为微小且精密的，容易受到静电的干扰。

首先，静电可能会对芯片造成直接的损害。

由于静电产生的电场强度很高，如果在与芯片直接接触时产生放电，可以产生高能的电流，瞬间将芯片上的电路元件击毁，从而使其失效。

其次，静电还会对芯片中的电路产生间接的影响。

在芯片制造的过程中，往往需要使用到一些有车辆气流的方法，其中包括光刻和蒸镀等工艺。

这些过程中常常会产生摩擦，进而产生静电。

当芯片在制造过程中受到静电的干扰时，可能会导致芯片表面的金属电路元件之间发生短路或断路现象，从而造成芯片的损坏。

此外，静电还可能对芯片的数据传输和存储造成影响。

由于芯片中的电子元件极其微小，电流传输的通道也很窄，因此静电产生的电磁场可能会干扰芯片中的电子信号传输，使得数据传输发生错误或中断。

针对静电对芯片的影响，可以采取以下措施来防止和减少损害：1.在芯片制造、存储和运输过程中，使用具有防静电功能的材料和设备。

例如，可以使用防静电地板、手套和包装材料等，将静电导向地下或其他地方，避免对芯片产生影响。

2.在使用芯片时，要求操作人员佩戴防静电手套和衣物，以降低操作过程中产生的静电。

3.在芯片的存储和运输过程中，要避免受到摩擦和碰撞等可能产生静电的因素，以减少静电产生和传播的机会。

4.在芯片设计的过程中，可以采用一些技术手段来提高抗静电能力。

例如，在设计电路时，可以使用金属层和绝缘层相互交错的方式，以减少静电产生和传播的可能性。

总之，静电对芯片的影响是不可忽视的。

在芯片制造、存储和使用的过程中，应该采取一系列的防静电措施，以降低静电对芯片的损害，并确保芯片的正常运行。

这不仅涉及到芯片生产厂商和研发人员的技术能力，也需要用户在使用过程中的注意和保护。

只有做好了防静电工作，才能保证芯片的可靠性和稳定性。

esd芯片的保护原理
ESD（静电放电）芯片的保护原理是通过采取一系列设计措施来防止或减轻静电放电对芯片的损害。

以下是几种常见的
ESD芯片保护原理：
1. MOSFET放电：通过使用MOSFET（金属氧化物半导体场
效应晶体管）来将静电电荷从输入端释放到地线，从而减小对芯片的影响。

MOSFET可以快速响应并提供低阻抗路径，有
效地吸收和分流电流。

2. ESD二极管：在输入/输出端口和电源线中添加ESD保护二
极管。

这种二极管具有低电压传导特性，可以防止静电电荷进入芯片。

3. 电源线滤波：在电源线上添加滤波器，以减小ESD放电对
电源的干扰。

滤波器通过消除高频噪声，提供稳定的电源供应，防止ESD损坏芯片。

4. ESD承载电阻：在芯片的输入/输出引脚之间添加承载电阻，以防止静电电荷通过高速电流冲击对芯片造成损害。

承载电阻可以提供阻抗，限制电流通过，并分散能量。

5. ESD保护结构：在芯片布局设计中采用ESD保护结构，例
如差分模式布局、宽金属路线、增强的接地设计等。

这些结构可以提高芯片的抗ESD能力，分散和吸收静电电荷。

以上是几种常见的ESD芯片保护原理。

通过采取合适的保护
措施，可以有效地减小静电放电对芯片的影响，提高芯片的可靠性和稳定性。

ESD引起集成电路损坏原理模式及实例一.ESD引起集成电路损伤的三种途径(1)人体活动引起的摩擦起电是重要的静电来源，带静电的操作者与器件接触并通过器件放电。

(2)器件与用绝缘材料制作的包装袋、传递盒和传送带等摩擦，使器件本身带静电，它与人体或地接触时发生的静电放电。

(3)当器件处在很强的静电场中时，因静电感应在器件内部的芯片上将感应出很高的电位差，从而引起芯片内部薄氧化层的击穿。

或者某一管脚与地相碰也会发生静电放电。

根据上述三种ESD的损伤途径，建立了三种ESD损伤模型：人体带电模型、器件带电模型和场感应模型。

其中人体模型是主要的。

二.ESD损伤的失效模式(1)双极型数字电路a.输入端漏电流增加b.参数退化c.失去功能，其中对带有肖特基管的STTL和LSTTL电路更为敏感。

(2)双极型线性电路a.输入失调电压增大b.输入失调电流增大c.MOS电容(补偿电容)漏电或短路d.失去功能(3)MOS集成电路a.输入端漏电流增大b.输出端漏电流增大c.静态功耗电流增大d.失去功能(4)双极型单稳电路和振荡器电路a.单稳电路的单稳时间发生变化b.振荡器的振荡频率发生变化c.R.C连接端对地出现反向漏电。

三.ESD对集成电路的损坏形式a.MOS电路输入端保护电路的二极管出现反向漏电流增大b.输入端MOS管发生栅穿c.MOS电路输入保护电路中的保护电阻或接触孔发生烧毁d.引起ROM电路或PAL电路中的熔断丝熔断e.集成电路内部的MOS电容器发生栅穿f.运算放大器输入端(对管)小电流放大系数减小g.集成电路内部的精密电阻的阻值发生漂移h.与外接端子相连的铝条被熔断i.引起多层布线间的介质击穿(例如：输入端铝条与n+、间的介质击穿)四.ESD损伤机理(1)电压型损伤a.栅氧化层击穿(MOS电路输入端、MOS电容)b.气体电弧放电引起的损坏(芯片上键合根部、金属化条的最窄间距处、声表面波器件的梳状电极条间)c.输入端多晶硅电阻与铝金属化条间的介质击穿d.输入/输出端n+扩区与铝金属化条间的介质击穿。

集成电路器件的静电防护分析发布时间：2022-04-02T01:07:33.284Z 来源：《科学与技术》2021年第32期作者：王瑜[导读] 在技术发展过程中，由集成电路制成的产品具有微型化和集成化的特点，使得相应元件对于静电放电的敏感程度逐渐减少，并导致元件在组成过程中由于静电放电原因发生失效现象的概率大大增加。

王瑜安徽三安光电安徽省芜湖市摘要：在技术发展过程中，由集成电路制成的产品具有微型化和集成化的特点，使得相应元件对于静电放电的敏感程度逐渐减少，并导致元件在组成过程中由于静电放电原因发生失效现象的概率大大增加。

所以在集成电路研发生产过程中，需要全面优化静电防护功能，加强静电防护的意识，通过应用减少静电危害的实际方式，从而有效避免静电危害带来的经济损失。

关键词：集成电路器件；静电防护；措施1静电的产生1.1摩擦产生静电静电是一种特殊的现象，当物体表面的正电荷和负电荷难以在局部范围内保持平衡时，就会发生静电现象。

本质上，电子或离子的转移是静电现象的直接原因。

对于两个相互孤立的物体，由于它们之间存在一定的摩擦力，随着摩擦力的产生，一个物体的部分电子可以转移到另一个物体的表面。

电子转移使物体失去一部分电子并携带“正电荷”，而另一个物体由于获得电子而携带“负电荷”。

这种电子转移引起静电现象。

因此，接触摩擦是产生静电现象的主要原因之一，也是一种较大的静电。

在现实生活中，塑料、地毯、化纤织物、纸张等由于其特殊的材料性能，它们之间的摩擦或与人的摩擦，产生了定量的静电荷。

除了不同物质之间的接触摩擦外，同一物质之间的接触摩擦也会引起一定的静电现象，例如金属与非金属之间的摩擦。

静电现象下的静电能基本上不仅与物质本身的特性有关，而且与物质表面的清洁度、环境条件、接触压力等因素直接相关。

1.2感应式静电发电在现实生活中，静电现象也表现为一种感应静电，即当导体或介质处于一定的静电场条件下，就会出现明显的感应静电现象。

集成电路失效分析技术研究集成电路（Integrated Circuit, IC）是指将多个电子器件、连接及电路功能集成在一个单一的芯片上的技术。

随着集成电路技术的不断发展，我们逐渐进入了大规模集成电路（LSI）、超大规模集成电路（VLSI）和超大规模门阵列（ULSI）的时代。

然而，由于各种因素的影响，集成电路的失效仍然是一个重要的问题。

因此，研究集成电路失效分析技术对于确保电子设备的可靠性和稳定性非常重要。

首先，集成电路失效分析技术需要考虑电路设计的问题。

设计错误可能导致电路功能失效或性能下降。

因此，分析失效的电路，并找出设计错误是非常重要的。

这可以通过对电路进行系统级分析、信号跟踪和仿真等方法来实现。

其次，集成电路制造缺陷也是一个导致失效的重要原因。

微细加工工艺容易引入缺陷，例如杂质、金属线断裂等。

因此，失效分析技术需要考虑到制造缺陷的检测和定位。

这可以通过扫描电镜、原位测试等方法来实现。

环境应力是另一个导致集成电路失效的重要因素。

在不同的工作环境中，集成电路会受到温度、湿度、电压等应力的影响，从而导致电路性能的下降或失效。

因此，失效分析技术需要结合环境条件来分析失效原因，例如通过温度和湿度测试来检测电路的性能变化。

物理破坏也是一个导致集成电路失效的常见因素。

物理破坏可能由于不正常的操作、震动、冲击等引起，例如芯片内部的金属线断裂、器件损坏等。

失效分析技术需要使用显微镜、剖析设备等来观察和分析物理破坏。

静电放电也是一个非常常见的导致集成电路失效的因素。

静电放电可以破坏电路内部的晶体管、电容器等关键器件，导致电路的性能下降或失效。

因此，失效分析技术需要通过静电放电测试来分析电路的稳定性和可靠性。

在集成电路失效分析技术的研究中，还需要结合统计分析方法来进行数据处理和结果评估。

通过大规模数据的统计分析，可以发现失效的概率分布、共性故障等规律，为电路的改进和优化提供参考。

总之，集成电路失效分析技术研究是确保电子设备可靠性和稳定性的重要内容。

静电击穿芯片静电击穿芯片是指在制造、运输、存储、安装、使用等过程中，由于静电的产生和积累而导致芯片发生击穿现象，从而造成芯片损坏或运行异常。

由于芯片的微小尺寸和灵敏性，静电击穿往往不会被察觉到，但对芯片的可靠性和性能产生严重影响。

静电是指物体带电而不流动的状态，由于物体带电，会在其表面产生电场，当两个带电的物体靠近时，电场会产生电荷的移动，从而导致静电击穿的发生。

芯片作为微电子器件的一种，由于其体积小、电路复杂，非常容易被静电击穿。

静电击穿芯片主要有以下几个原因：1. 静电产生和积累：人体走动、摩擦、干燥空气等均会产生静电，尤其是在低湿度的环境下更容易产生和积累静电。

当芯片或周围的环境带有静电时，会导致芯片上的电路瞬间放电，从而造成静电击穿。

2. 不合适的包装和存储：芯片在制造、运输和存储过程中，需要采取合适的包装和防护措施，以防止静电的产生和积累。

若在包装和存储过程中没有采取适当的防静电措施，就会造成静电击穿芯片。

3. 不合适的安装和使用：芯片在安装和使用过程中容易受到静电的影响。

例如，如果没有接地或不正确使用防静电设备，就容易导致静电积累并击穿芯片。

静电击穿芯片的后果严重，包括但不限于以下几个方面：1. 芯片损坏：静电击穿会造成芯片内部电路损坏，导致芯片无法正常工作或丧失原有的功能。

芯片损坏一旦发生，无法修复，只能进行更换，增加了生产成本。

2. 产品故障率提高：静电击穿芯片会导致产品中芯片的损坏，从而导致产品的质量下降。

如果大量产品中的芯片发生静电击穿，将会造成产品的故障率大幅度提高，给企业带来严重的经济损失。

3. 安全隐患：某些应用领域，如航空航天、医疗器械等对芯片的可靠性和性能要求非常高。

静电击穿芯片会导致关键系统的失效，进而造成严重的安全隐患，给人身财产带来威胁。

为避免静电击穿芯片的发生，需要采取合适的防护措施：1. 防静电包装和存储：在芯片的制造、运输和存储过程中，应采用防静电包装，以减少静电的产生和积累。

芯片遭静电击穿的原因
静电是指物体之间由于摩擦或分离而形成的电荷不平衡状态。

在电子设备的制造和使用过程中，静电可能会给芯片带来不可预料的危害，其中最严重的就是静电击穿。

静电击穿是指在芯片表面或内部，由于静电放电而形成的突发电流，导致芯片的损坏。

静电击穿可能发生在芯片制造工艺中的任何一个环节，也可能发生在芯片的使用过程中。

静电击穿的原因主要有以下几种：
1.制造工艺不当：芯片在制造过程中，如果工艺不当，会使芯片表面或内部的电荷分布不均匀，从而导致静电积聚，一旦遇到放电条件，就会发生静电击穿。

2.外部环境干扰：芯片在运输、存储、使用过程中，如果遭受外部环境的干扰，如静电场、电磁场、电压浪涌等，也可能引发静电击穿。

3.人为操作不当：人为操作不当也是导致芯片静电击穿的常见原因。

如在操作芯片时未使用防静电手环、防静电地垫等防静电设备，或者在清洁芯片时使用不当的清洁剂等。

为避免芯片遭受静电击穿，需要采取以下措施：
1.在制造过程中，采用严格的防静电措施，确保芯片表面和内部的电荷分布均匀。

2.在运输、存储、使用过程中，注意避免芯片接触静电场、电磁场、电压浪涌等干扰源。

3.人为操作时，使用防静电手环、防静电地垫等防静电设备，确保人身和工具的电荷处于同一电势。

4.清洁芯片时，使用专用的清洁剂和工具，避免使用不当的清洁剂和工具导致静电积聚。

通过以上措施，可以有效地避免芯片遭受静电击穿，保障芯片的正常运行和使用寿命。

（二）半导体集成电路的失效机理及其预防措施半导体集成电路的失效机理及其预防措施半导体集成电路的失效机理及其预防措施（（小结小结））Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)因为集成电路是由许多元器件组成的，所以其中元器件的失效必然会导致集成电路的失效，然而引起半导体集成电路（IC ）失效的机理尚不仅如此，实际上还要复杂得多，有关系到设计方面的，也有关系到工艺方面的。

与集成电路设计密切相关的、能够做到部分或者完全避免的一些失效机理，主要有如下11种。

（1）静电放电静电放电（（ESD ）：IC 端头上积累的静电电荷可以产生很高的电压，从而会引起p-n 结击穿（造成短路或者大的漏电流）、或者使栅氧化层马上击穿或经过一段时间以后穿通。

为了防止静电放电所引起的失效，首先，在多数管脚上需要设置抗ESD 的保护器件；但连接到衬底的管脚、或者连接到大面积扩散区上的管脚（例如与npn 晶体管集电极相连的管脚），则不需要加保护器件。

其次，对于采用薄发射极氧化物工艺的BJT ，与管脚相连的内引线不能在薄的发射极氧化层上走线（穿越），否则可能引起薄发射极氧化层的击穿；不过对于采用较厚发射极氧化物的标准双极工艺而言，就不必考虑这种限制。

此外，在使用IC 时也要特别注意防止静电的产生和积累，如采用静电屏蔽，腕带、电烙铁和工作台要接地，室内要保持一定的湿度等。

（2）电迁移电迁移：：IC 在大电流、高温下、长时间工作之后，就有可能产生电迁移失效，即出现金属电极连线发生断裂（开路）或者短路的现象。

防止电迁移的根本措施就是限制通过连线的最大电流（这与金属成分、厚度和温度有关）。

对于不穿越氧化层的导线，单位宽度上的电流一般要小于2mA/μm ；而对于穿越氧化层的导线，一般要小于1mA/μm 。

金属层的厚度和宽度越大，则抗电迁移的能力就越强。

另外，改进电迁移的主要措施有如：在电极金属Al 中掺入原子质量较大的Cu （0.5%～4%），这可使大电流承受能力提高5～10倍；采用耐热性好的势垒金属等。

静电学在电子半导体领域的应用案例引言：静电学是研究静电现象和静电力学的学科，它在电子半导体领域有着广泛的应用。

本文将介绍静电学在电子半导体领域的几个应用案例，展示静电学在该领域中的重要性和实际应用。

一、静电除尘技术在集成电路制造中的应用静电除尘技术是利用静电力将空气中的微小颗粒吸附到带有相反电荷的电极上，从而实现除尘的过程。

在集成电路制造中，尤其是在洁净室环境下，微小颗粒的存在会对芯片的制造和质量产生严重影响。

通过静电除尘技术，可以有效地清除空气中的微小颗粒，保证芯片的生产质量。

二、静电吸附技术在半导体封装中的应用静电吸附技术是利用静电力将半导体芯片吸附在封装材料上的一种技术。

在半导体封装过程中，静电吸附技术可以提高封装材料与芯片之间的接触面积，从而提高封装效果和可靠性。

此外，静电吸附技术还可以减少封装过程中的机械应力，降低芯片损坏的风险。

三、静电消除技术在电子器件制造中的应用静电消除技术是通过引入相反电荷或中和电荷的方法，将电子器件表面的静电电荷消除的一种技术。

在电子器件制造过程中，静电电荷的积累会导致电子器件的故障和损坏。

通过静电消除技术，可以有效地消除电子器件表面的静电电荷，保证电子器件的正常运行。

四、静电防护技术在半导体仓储和运输中的应用静电防护技术是通过采取一系列的措施，防止静电电荷的积累和放电的技术。

在半导体仓储和运输过程中，静电电荷的积累和放电可能导致芯片的损坏和故障。

通过静电防护技术，可以有效地防止静电电荷的积累和放电，保护芯片的质量和可靠性。

结论：静电学在电子半导体领域有着广泛的应用。

通过静电除尘技术、静电吸附技术、静电消除技术和静电防护技术等手段，可以有效地解决电子半导体制造和运输过程中的静电问题，提高芯片的质量和可靠性。

静电学的研究和应用将继续推动电子半导体领域的发展和进步。

IC卡封装中的ESD影响及对策1、引言ESD对整个半导体产业具有非常大的影响，每年半导体工业因为ESD造成的经济损失以数十亿美元计。

随着金卡工程和IC卡国产化在中国的逐步深入推广，ESD对IC卡模块封装这种集成电路封装形式的影响成为一个研究课题。

ESD的产生机理是什么？它对IC卡模块封装的影响体现在哪些方面？对这些影响应该采取什么措施去改善或消除？本文对上述问题进行了初步的探讨，并结合上海斯伦贝谢智能卡技术有限公司的实际例子提出了几点控制ESD影响的简单措施。

2、ESD及产生原因组成物质的原子包含电子和质子。

物质获得或者损失电子时，物质表现为带有正电或负电。

静电是正电荷或负电荷在物质表面积累的结果。

电荷积累通常由物质的接触、分离或者摩擦引起，通常称为摩擦生电。

影响电荷积累的因素很多，包括物体的接触程度、摩擦系数和分离速率等。

在影响因素消除之前，电荷会持续积累，随后释放，或者一直积累到周围物质的绝缘属性或绝缘保护失效为止。

一旦绝缘属性被改变，会迅速实现静电平衡。

ESD（Electrostatic Storage Deflection，静电积聚转移）是电荷的快速平衡，电荷的迅速平衡被称为静电放电。

研究表明，人走在地毯上由于摩擦产生的电荷，可引发高达20KV的静电压。

由于电荷是在阻力很小的情况下迅速释放的，因此释放时的等效电流可以超过20安培。

如果是通过集成电路或者其它对ESD敏感的元器件放电，那么大电流很可能会严重损坏原本只能传导微安级或毫安级电流的线路。

3、ESD对IC卡模块封装的影响ESD的影响存在于晶圆片生产、集成电路封装、器件测试、装配和使用的集成电路整个生命周期。

不管什么原因，只要在器件表面或周围区域积累电荷，就会产生ESD。

ESD每年造成的半导体工业经济损失高达数十亿美元。

集成电路器件对ESD非常敏感。

集成电路器件应该工作在一定的电压、电流和功耗限定范围内。

大量聚集的静电荷在条件适宜时就会产生高压放电（如空气湿度高于65％，或操作人员的接触等），静电放电通过器件引线的高压瞬时传送，可能会使氧化层（即绝缘体）断开，造成器件功能失常。

芯片esd芯片ESD（电静电放电）是指芯片在使用或存储过程中受到静电放电的影响而导致损坏或性能下降的现象。

以下是关于芯片ESD的1000字说明：一、芯片ESD概述静电放电（ESD）是指人体或物体在相对湿度较低的环境中，由于与外界产生的静电电荷瞬间放电所引起的现象。

对于芯片而言，ESD是一个非常严重的问题，因为静电放电可能导致芯片的瞬态电压超过设定的承受能力，进而引起芯片损坏或降低其性能。

二、芯片ESD保护机制为了防止芯片受到静电放电的影响，芯片设计中通常会采取一系列的ESD保护机制。

其中一种常见的机制是在芯片输入/输出（I/O）引脚上使用ESD保护器件，它们可以将静电放电导向地线，从而防止其对芯片造成损害。

此外，还可以通过在芯片上采用地线或耦合电阻等方式来提供ESD保护。

三、芯片ESD测试与标准为了确保芯片具备足够的ESD抵抗能力，通常需要进行一系列的ESD测试。

这些测试可以模拟不同场景下的静电放电，并评估芯片对静电放电的响应。

常见的ESD测试标准包括：IEC 61000-4-2、MIL-STD-883E 和 JEDEC JS-001。

四、芯片ESD设计要点在芯片设计过程中，需要考虑一些重要的ESD设计要点，以确保芯片具备足够的ESD抵抗能力。

这些要点包括：合理布局设计，尽量减小ESD电路的长度和面积；选择合适的ESD 保护器件，并确保其电性能符合要求；采用合适的地线和耦合电阻来提供ESD保护；合理设置电源和地线的引脚位置，以减小ESD放电路径。

五、芯片ESD故障分析与处理在芯片使用过程中，如果出现了ESD故障，需要进行相关的故障分析与处理。

通常可以通过观察芯片外观或使用电子显微镜来确定ESD故障点的位置，然后进行修复或替换相应的元件。

六、芯片ESD的未来发展随着芯片尺寸的不断缩小和工作频率的不断增加，ESD问题将变得更加复杂和严重。

为了应对这些挑战，未来的芯片设计将需要采用更加先进的ESD保护方案和技术，并提高ESD测试的准确性和完整性。

从芯片到系统ESD静放电分析从芯片到系统ESD静放电分析Worked Done By :Robert(Soung-ho)Myoung,引言•对于现代电子产品而言，ESD属于关键设计，并且有明确的安全规范（IEC61000-4-2或GB/T 17626），尤其是对于MP3、数码相机、摄像机和手机等便携式设备。

当电子设备发生ESD 时，产品内部的PCB上会产生感应电流。

导致设备发生故障。

大部分电路和系统设计师使用硬件测试和调试等手段解决ESD问题。

然而，这种方式需要多次设计迭代，增加开发成本。

一种合适的方式是通过软件仿真的手段将ESD解决过程转移到设计早期。

软件仿真可帮助电路和系统设计师快速评估ESD防护性能，从多种设计方案中筛选出最佳设计。

ESD防护仿真有两种方式：一种为纯电磁场分析，评估ESD放电区域和瞬态感应电场分布。

另一种为电磁场和电路协同分析，快速准确的评估和优化ESD防护设计，以及对其他信号的影响。

•ANSYS公司利用其专业电磁场和电路仿真工具相互协同，通过动态链接和激励推送构成的双向耦合，为用户提供完善的从芯片到系统的ESD仿真平台。

在此平台上，用户可以参照评估包括芯片/封装、连接器、PCB电路板和外壳等复杂系统中的ESD静放电现象，检查设计中的ESD隐患，评估ESD防护电路和放电之后的电磁能量分布。

Objectives•CPS ESD Simulation Methodology addressing IEC61000-4-2testing conditions–Provide a realistic view of voltage/current versus time on the chip pins through accurate modeling and simulation of the CPS ESD prior to hardware availability–Perform diagnosis of potential failure mechanisms when CPS ESD failures occurred –Verify robustness of an ESD fix by comparing differential voltage/current values against maximum safe thresholds on the IC chip(s) pins with hard or soft failure •examples of CPS ESD application are illustrated demonstrating good correlation with measurementElectrical Static Charge(ESD)•Electrostatic is phenomenon that charged body take on electric charge and discharge electricity.•Plus and minus charged body come near together, gas between them ionize, after that electricity goes through ionized gas to another charged body. Ionized condition depend on degree of humidity, temperature, dust and EM condition. This condition does not only define EM condition.•Role of EM simulator✓Behavior of electric charge beforedischarge✓Current route and strength afterdischarge++++----Minus charge Plus chargeBehavior of charge and discharge++--Electric static charge phenomenonCome close and Discharge-+Confirm a place of strong electric charge, electric field•Set difference of voltage between hand and mobile phone in a model, checkbehavior of electric charge and electric field–This results show us a place of possibility of discharge.–On the Q3D result, it show us that metal area ABS_Q is red, it speaks formetal avoid discharging to board which IC is mounted on.metalboardHuman hand and Cellar phoneCharge density(absolute value) (Q3D)Memory consumption(apx.160MB)Static electricfield (Maxwell3D)None shieldConduction noise analysis on Q3D Extractor Memory consumption(apx.3GB)Confirm conduction current after discharge•Analyze PCB which is 2 different GND shape condition PCB under below conduction route(bluearrow)–Surface layer: signal ，Back layer: all GND plane –Connector is set on GND edge–On the HFSS-Transient result, Conduction current is from connecter GND edge to PCB GNDedge(red arrow)•Left model does not have GND shield, as result, strong current density area is near center PCB.(redcircle)•Right model has GND shield, this avoid current inflowing.(red circle)Input Current fromBreak away currentConnector GND edge from PCB GND edgeConduction routePCB with USB connectorPCB with surface shieldAdd shield with via to 2mm offset from PCB edge50mm40mmVoltage pulse shape from electric gun3D modelApply noise fromelectric gun to PCB on Cellar phone.VDynamic link Circuit and EM Field•Pulse wave shape from Electric gun is constituted on IEC61000-4-2 EMCregulation.•If we estimate noise from gun on board with circuit simulator, it is easy to take steps for better design.0000VVVoltage pulse is defined on circuit simulatorConfirm noise behavior on PCBunder operationHFSS EM analysis + Nexxim Transient analysisOutline•Modeling for CPS ESD Simulation–Chip ESD Compact Model –ESD Gun Zap Modeling✓Full 3D FEM ESD Gun–TVS Protection Devices Modeling✓TVS Diodes, CMF/EMI/ESD Filter–PCB and Connector Modeling✓Mobile PCB, Micro USB Connector•Application Examples–Case Study : Mobile System-level ESD Propagation Modeling✓Predict Chip pin V(t)/I(t) ,ESD PropagationPrediction ✓Correlation with Measurementor components of a converged Device that Components Etc…System-level ESD Testing•The Mobile system ESD test platform that incorporates all maj need to be modeled for simulationChip/Package PCB,Connectors Housing Battery W h e r e to A p p l y E S D 哪里应用E S D 设计才有效Shielding 设备屏蔽OK Board filtering PCB 板滤波BetterIC and Board design 芯片和板设计Best메모리소형HDDUSB2.0HD MI외부연결CableLCD Modul eCamera ModuleBoard-to Board ConnectorFPCSub BoardChip Main BoardPackageE S D I s s u e s o n P C B s 板级E S D 问题□I s s u e s-Mobile product 移动设备▶Lacking of ground 缺少接地-Tighter noise margin 噪声敏感的环境▶IC sensitivity↑芯片敏感度高-High density and small size PCB 高密度小尺寸PCB▶Physically close to port/chassis 物理上接近接口或机壳-the number of I/F port接口多▶Easily exposed to ESD event 容易暴露在ESD 环境下DMB ModuleChip ESD Compact Model for ESD Simulation•Chip ESD Compact Model–Chip ESD Compact Model (CECM) provides a reduced and distributed RLC network among ports and per port demanding current forthe chip power-on status with a chosen chip operation vector–On-chip decaps are modeled including intrinsic device decap, power/ground cap, intentional decap, and effective loading cap –On-chip diode/clamp I-Vs can be included in the model when generating from Pathfinder-S which is an on-chip ESD analysis toolESD Gun Modeling•ESD GUN Modeling with EM-based simulation –Simulation Results vs. MeasurementsHFSS Transient SimulationModelStandard of IEC 61000-4-2E S D G e n e r a t o r M o d e l i n g00E S D c u r r e n tPurse forming filterWidth of initial peakTail part•ESD GUN Modeling with circuit-basedEquivalent circuit modelExperimental verificationE x p e r i m e n t a l V e r i f i ca t i o n□C o m p a r i s o n o f d i s c h a r g e c u r re n t sESDgeneratorAttenuatorCurrent probeMetal ground planeOscilloscope00Test Set-up Comparison ResultsE x p e r i m e n t a l V e r i f i ca t i o n□V o l t a g e w a v e f o r m c o m p a r i s o n w i t h o u t t h e v a r i s t o rMeasurement ResultCircuit ModelSimulation ResultSimulated voltage: 115 V Measured voltage: 104VE x p e r i m e n t a l V e r i f i ca t i o n□V o l t a g e w a v e f o r m c o m p a r i s o n w i t h t h e v a r i s t o rCircuit ModelMeasurement ResultSimulation ResultSimulated voltage: 47VMeasured voltage: 44VESD Protection Device Modeling•TVS Diodes–Data sheets –Spice Model–VHDL AMS ModelPiecewise linear I(V) characteristic with StateDiagram•ESD Filter–Circuit + EM Co-Simulation•CMF/EMI –Data sheets•Varistor –Data sheetsESD Protection Device Modeling with VHDL AMS Model for Snapback Support•TVS Diodes–VHDL AMS Model–Snapback effect on this model includedHFSS + Designer Dynami Link DesignESD Protection Device Modeling for Filter•ESD Filter Modeling–ESD Filter model: Full (Triple) LC block with substrate & diode effectscESD Protection Device Modeling For CMF/EMI•CMF/EMI Filter ModelingFilter –Data sheets–Single-ended equivalent model for common mode (Simple approximation)Vs: pulse source voltageRs: pulse source impedance (50ohm)Rt: termination resistance of scope (50ohm) Vc: clamping voltage on varistorIv: current flowing on varistor for given clamping voltage Rv: resistance of varistor for given clampvoltageOscilloscopeTransmission Line Pulse TesterE S D P rote c tion D e v i c e M o d e l i n g fo r V a r i st or□T e s t s e t -u pE S D P rote c tion D e v i c e M o d e l i n g fo r V a r i st or□V o l t a g e a n d c u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c s f or t h e v a r i s t o r-The non-linear resistance characteristic of the varistor can be expressed in exponential function as:I v = KV cVs (V)Vc (V)Rv (Ω)Iv (A)883597.220.361904018.18 2.202704311.68 3.68360458.335.40Measure V on the oscilloscope Calculate R = (50 V ) / (V –2V )Calculate I = V /R α= log(V /V ) /log(I /I )I v = 1.47 10-12V c 7.6Voltage vs. current for thevaristorVaristor:50000VE S D P rot ect i on D e v i c e M o d e l i n g for V a ri st or□S P I C E m o d e l a n d s i m u l a t i o n-The non-linear device can be modeled using voltage controlled current source 非线性器件模型可以用压控电流源来建模Simulated voltage and current characteristics for the varistor (derived from the equation;I v = 1.47 10-11V c 7)P CB M o d e l i n gF W S E x p o r t o D e s i g n e rESD Discharge 1kV Setting50 Ohm Terminat ionPort: ESD injectionPort:OscilloscopeSimulation model using SIwave□C i r c u i t m o d e l i n t e g r a t i n g a P C B w i t h t h e E S D g e n e r a t o rTest boardF u l l C i r c u i t M o d e lVVAAAV□C o m b i n e d c i r c u i t m o d e lV00ESD generatorPrinted circuit boardVaristorS i m u l a t i o n R e s u l t□V o l t a g e c l a m p i n g p e r f o r m a n c e a n a l y s i sXY Plot 20V00V A 000000000XYPlot 20V V AAA 00V S i m u l a t i o n R e s u l tVVAAAV□C u r r e n t f l o w s i m u l a t i o nV3Name=pVVName=n12R 790+V -N a m e =r e q u i r e dG44120p FC 442L 4430.45n HL 4550.45n H20p FC 456G457A p p l i c a t i o n□S i g n a l I n t e g r i t y S i m u l a t i o n f o r U S B S i g n a l P a t hSPICE circuit model for 18V, 20pF varistorA p p l i c a t i o n□S i m u l a t e d E y e D i a g r a mwithout varistor with 4pF varistorwith 20pF varistorwith 40pF varistore from ESDGunPCB and Connector Modeling•PCB and Connector-level ESD design –Design Path A: with ESD Gun Model –Design Path B: import ESD Source FilModelPath AFull 3D Multi-LayerPCBPath BESD Discharge currents are imported as a datasetMicro USB Connector Device on Mobile PCB•Micro USB Connector Device on Mobile PCB –ESD injection on Micro USB Connector–The USB Connector grounds are directly attached to the PCB GND –ESD current is injected on the Micro USB connector shield –The ESD Feld propagation is captured up to 10nano-secondFull 3D FEM Solver Time domain H Field propagation According to ESD current propagation on Conductors 0 to 10nsESD SourceTVS DiodeESD FiltersSystem-level ESD Propagation Modeling•System-level ESD propagation modeling for Mobile DeviceConnectorPCB/PKGVBAT,VCC1.2v, VCC1.8v, VCC2.9v, VCC3.3v, VAP’s & Memory Power, VUSB And GroundSystem-level ESD Propagation Modeling -I•System-level ESD propagation modeling for Mobile DeviceTypical implementation of a USB2interfaceSystem-level ESD Propagation Modeling -II•Mobile System-level ESD propagation modeling–5kV ESD Injection on Micro USB ConnectorSlide35System-level ESD Propagation Modeling -•Mobile System-level ESD propagation modelingIII –Easy to perform “What if”studies✓Contact vs. Air Discharge✓Discharging location or point StudiesSystem-level ESD Propagation Modeling -•Mobile System-level ESD propagation modelingIV–ESD effect on Signal✓Soft Error•Any error that can be cured by resetting the system (Logical errors: bit error, falsereset)System-level ESD Propagation Modeling -V•TVS Diode Effect on High-speed USB Signal –NF scan Simulation ResultsTVS Diode VenderATVS Diode VenderBTVS Diode VenderCNF Scan Measured Example →560W Display280WAPU 1G W140W70W60 W A UDIO50WESD Injection onUSBGNDSystem-level ESD Propagation Modeling -VI•SCL with Reference GND effect ( 0W , 1W , 5W 100W )SCL Node 0 to 6System-level ESD Response w/ GNDEffectReference GND effect( 0W , 1W , 5W , 100W )0W1W5W100W42.5uV2.7V11V60VSystem-level ESD Propagation Modeling•Mobile system-level ESD propagation modeling–Outline a comprehensive Chip-Package-System ESD simulation methodology that particularly addresses the interface modelingbetween the ESD gun and system, and the interface modeling between the system and IC chip(s) are very important.Chip pin V(t)V_SOCSystem-level ESD Response w/ Different Cdie•Chip pin V(t) response w/ different Cdie–Chip pin V(t) response with different chip Cdie to provide guidance on the effectiveness of ESD protection on PCB (or system)SimulatedLayoutV_SOCExperimental Verification•Test board and Measurement setup –Simulation vs.MeasurementMeasured/SimulatedLayoutMeasured (Sky Blue) and Simulated (Orange) voltage waveformConclusions•Comprehensive CPS modeling and simulation forIEC61000-4-2 testing conditions–“Frequency dependent component such as Common Mode Filter & TVS Diode with I-V characteristics” can be modeled and used as a part of system-level ESD simulation–Chip pin V(t) and I(t) curve are identified through CPS simulation with distributed RLC, port current modeling, and optionally diodes/clamp I-Vs in CECM Model–3D FEM solver provides the robustness in analyzing transition of spike current with visualization –Dynamic link circuit and EM field to evaluate ESD protection easily•Many examples of CPS ESD application are illustrated demonstratinggood correlation with measurement–ESD zap gun measurement result correlates well with simulated zapcurrent waveform–Voltage waveform correlated well between measurement and simulation on a test board measurement setup感谢聆听。

ESD引起集成电路损坏原理模式及实例一.ESD引起集成电路损伤的三种途径(1)人体活动引起的摩擦起电是重要的静电来源，带静电的操作者与器件接触并通过器件放电。

(2)器件与用绝缘材料制作的包装袋、传递盒和传送带等摩擦，使器件本身带静电，它与人体或地接触时发生的静电放电。

(3)当器件处在很强的静电场中时，因静电感应在器件内部的芯片上将感应出很高的电位差，从而引起芯片内部薄氧化层的击穿。

或者某一管脚与地相碰也会发生静电放电。

根据上述三种ESD的损伤途径，建立了三种 ESD损伤模型：人体带电模型、器件带电模型和场感应模型。

其中人体模型是主要的。

二.ESD损伤的失效模式(1)双极型数字电路a.输入端漏电流增加b.参数退化c.失去功能，其中对带有肖特基管的STTL和LSTTL电路更为敏感。

(2)双极型线性电路a.输入失调电压增大b.输入失调电流增大c.MOS电容(补偿电容)漏电或短路d.失去功能(3)MOS集成电路a.输入端漏电流增大b.输出端漏电流增大c.静态功耗电流增大d.失去功能(4)双极型单稳电路和振荡器电路a.单稳电路的单稳时间发生变化b.振荡器的振荡频率发生变化c.R.C连接端对地出现反向漏电。

三.ESD对集成电路的损坏形式a.MOS电路输入端保护电路的二极管出现反向漏电流增大b.输入端MOS管发生栅穿c.MOS电路输入保护电路中的保护电阻或接触孔发生烧毁d.引起ROM电路或PAL电路中的熔断丝熔断e.集成电路内部的MOS电容器发生栅穿f.运算放大器输入端(对管)小电流放大系数减小g.集成电路内部的精密电阻的阻值发生漂移h.与外接端子相连的铝条被熔断i.引起多层布线间的介质击穿(例如：输入端铝条与n+、间的介质击穿)四.ESD损伤机理(1)电压型损伤a.栅氧化层击穿(MOS电路输入端、MOS电容)b.气体电弧放电引起的损坏(芯片上键合根部、金属化条的最窄间距处、声表面波器件的梳状电极条间)c.输入端多晶硅电阻与铝金属化条间的介质击穿d.输入/输出端n+扩区与铝金属化条间的介质击穿。

ESD Technology 经典资料（7）第七部分第七章全芯片防护设计静电放电造成CMOS IC的损坏已是众所周知的可靠度问题。

当CMOS 制程技术缩小到次微米阶段，先进的制程技术，例如更薄的闸极氧化层，更短的通道长度，更浅的汲极/源极接面深度，LDD(低掺杂浓度汲极)结构，以及金属硅化物(silicided)扩散层等，这些先进的制程反而严重地降低次微米CMOS IC的静电放电防护能力。

所以，次微米CMOS IC急需一个有效且可靠的静电放电防护设计。

传统上，为加强ESD防护能力，大都在输入垫片(input pad)外围做上ESD防护电路，也在输出垫片(output pad)连接的输出缓冲级(output buffer)上加强输出缓冲级的ESD防护能力。

有关各式各样的输入与输出ESD防护设计，已有数百篇专利出现。

除了在输入与输出垫片附近加强ESD防护能力之外，CMOS IC尚遭遇到异常的内部电路损伤问题。

即使在输入与输出PAD上已有适当的ESD防护电路，仍然出现CMOSIC的内部电路因ESD测试而发现异常的损伤问题，反而在输入与输出PAD的ESD防护电路，没有被ESD所损坏。

因此，ESD的防护设计必须要注意全芯片(whole-chip)防护架构的设计，才能够真正避免内部电路发生异常损伤的问题。

在本章中，我们将针对全芯片防护设计做一个详细的说明。

全芯片防护设计i. 内部异常损伤的问题ii. VDD与VSS间的ESD防护iii. 先进制程对ESD拑制电路的影响iv. 节省面积的创新设计v. 在Mixed-Mode IC的应用vi. 结论7.1 内部异常损伤的问题7.1.1 输入脚/输出脚的ESD测试 因为ESD发生在一只输入脚(或输出脚)可能相对于VDD或VSS端具有正的或负的电压极性，因此在工业测试标准上，有PS,NS,PD以及ND 四种放电模式，有关各种模式的定义；在第三章中已有详述。

这些模式之静电放电可能会对输入或输出组件造成损坏，更甚至会损及IC内部之电路组件。