ESDM-1型模块化综合电子系统设计实验箱

ESD (Electrostatic Discharge) Protection in CMOS Integrated Circuits静电放电(Electrostatic Discharge, ESD) 是造成大多数的电子元件或电子系统受到过度电性应力(Electrical Overstress EOS) 破坏的主要因素。

这种破坏会导致半导体元件以及电脑系统等，形成一种永久性的毁坏，因而影响集成电路(Integrated Circuits, IＣs) 的电路功能，而使得电子产品工作不正常。

而静电放电破坏的产生，多是由于人为因素所形成，但又很难避免。

电子元件或系统在制造、生产、组装、测试、存放、搬运等的过程中，静电会积累在人体、仪器、储放设备等之中，甚至在电子元件本身也会积累静电，而人们在不知情的情况下，使这些物体相互接触，因而形了一放电路径，使得电子元件或系统遭到静电放电的肆虐。

如何才能避免静电放电的危害呢？除了加强工作场所对静电积累的控制之外，必须在电子产品中加入具有防患静电放电破坏的装置。

首先必需考量这额外装置的效能，如何处理才能达到有效防护的功用。

而这装置应放在何处？以及在工业上的大量应用中，如何才是最省成本的设计方式？这些问题都应一一处理及考虑。

在防护装置的设计上，从加强集成电路本身对静电放电的耐受能力上着手，可以解决晶片包装后，组装、测试、存放、搬运等所遭遇到大多数静电放电的问题。

目前半导体集成电路以互补式金氧半导体(CMOS)技术为主，在本网路中即针对CMOS集成电路之静电放电防护技术作深入的介绍。

第一章简介(Introduction)在互补式金氧半(CMOS)集成电路中，随着量产工艺的演进，元件的尺寸已缩减到深次微米(deep-submicron)阶段，以增进集成电路(IC)的性能及运算速度，以及降低每颗晶片的制造成本。

但随着元件尺寸的缩减，却出现一些可靠度的问题。

在次微米技术中，为了克服所谓热载子(Hot-Carrier)问题而发展出LDD(Lightly-Doped Drain)工艺与结构;为了降低CMOS元件漏极(drain)与源极( source)的寄生电阻(sheet resistance) Rs与Rd，而发展出Silicide工艺;为了降低CMOS元件栅级的寄生电阻Rg，而发展出Polycide工艺;在更进步的工艺中把Silicide与Polycide一起制造，而发展出所谓Salicide工艺。

随着CMOS集成电路产业的高速发展，越来越多的CMOS芯片应用在各种电子产品中，但在电子产品系统的设计过程中，随着CMOS工艺尺寸越求越小，单位面积上集成的晶体管越来越多，极大地降低了芯片的成本，提高了芯片的运算速度。

但是，随着工艺的进步和尺寸的减小，静电释放(ESD)，Elecyro Static Discharge)问题变得日益严峻。

据统计，在集成电路设计中大约40%的失效电路是ESD问题造成的。

MOS晶体管是绝缘栅器件，栅极通过薄氧化层和其他电极之间绝缘。

如果栅氧化层有较大的电压，会造成氧化层击穿，使器件永久破坏。

随着器件尺寸减少，栅氧化层不断减薄，氧化层能承受的电压也不断下降，引起氧化层本征击穿的电场强度约为1 X 107V/cm。

如栅氧化层厚度是50 nm 则可承受的最大电压约50 V，当栅氧化层厚度减少到5 nm，则所能承受的最大电压约为5 V。

因此外界的噪声电压容易引起栅击穿。

特别是外界各种杂散电荷会在栅极上积累，由于MOS 晶体管的栅电容很小，只要少量的电荷就能形成很大的等效栅压，引起器件和电路失效，这就是ESD 问题。

例如，人体所带的静电荷可产生高达几kV的电压，在80%的湿度情况下，人走过化纤地毯可能产生1.5 kV静电压。

ESD对CMOS集成电路的损伤，不仅会引起MOS器件栅击穿，还可能诱发电路内部发生闩锁效畸应。

另外，静电释放产生的瞬时大电流可能造成芯片局部发热，损害器件和电路。

在一般的条件下，ESD不会导致器件即时失效，它往往潜伏在集成电路器件中，这种存在有潜在缺陷的器件在使用时容易失效。

特别是在深亚微米CMOS工艺中，由于溥栅氧化层的击穿电压较低，必须加入有效的在片ESD保护电路以箝位加到内部电路栅氧化层上的过充电压。

1 ESD放电模式与设计方案电路的输入或输出端与电源和地之间的ESD应力有4种模式在集成电路中和外界相连的输入、输出端子比内部器什更容易受到ESD损伤。

SG-110A电子实验室成套设备（实验模块配置透明模块）一、产品的特点：实验台具有较完善的安全保护措施，较齐全的功能。

实验桌中央配有通用电路板，电路板由进口ABS注塑而成，背面装有压铸而成九孔成一组的铜片，表面布有九孔成一组相互联通的插孔，创新实验元件模块在其上任意拼插成实验电路。

实验元件制成透明创新模块，直观性好，盒盖印有永不褪色元件符号，线条清晰美观。

盒体与盒盖采用较科学的压卡式结构，维修拆装方便。

元器件放置在实验桌下边左右柜内，大大提高了管理水平，规划化程度，大大减轻了教师实验准备工作。

二、实验台及操作桌结构：1．实验台外壳尺寸：123×35×20cm2．单相保险座3．单相电源输入指标4．总开关：实验台电源总开关，带漏电、过载保护5．试验按钮：试验漏电开关漏电功能6．电源输入指示1只7．电源输出指示1(绿)8．接线座2只：B单元交流低压电源输出9．电表(2A)：B单元交流电流指示10．旋钮：B单元3-24V交流低压选择输出11．开关：C单元双路直流稳压电源开关12．旋钮：C单元双路Ⅰ路稳流调节13．旋钮：C单元双路Ⅱ路稳流调节14．接线座2只：C单元Ⅰ路直流稳压输出15．险座：C单元双路稳压电源保险16．表4只：双路稳压电源电压、电流指示17．线座：D单元直流5V稳压输出18．电表：D单元电流0.5V输出指示19．开关1：控制各低压交流电、信号源20．开关2：控制E单元交直流调压电源21．电表：E单元交流电压输出指示22．接线座4只：E单元交流、直流输出口23．旋钮：E单元0～240V电压调节24．插座：G单元220V输出插座25．旋钮：音频功率放大器音量调节26．接线座2只：音频信号输入27．按钮：单次脉使能开关28．接线座3只：单次脉冲输出口29．液晶屏：显示输出频率、波形、及波形输出衰减值30．频率调节模块：数字式键盘输入所需的波形频率31．波形先择模块：数字式键盘输入所需的波形32．波形输出口：输出选择的波形33．波形输出幅度调节：细调波形输出幅度34．方波占空比调节：调节方波输出占空比35．直流偏置调节：调节波形输出直流偏置36．智能型功率表、功率因数表37．实验桌面尺寸：160×70cm38．通用电路板：规格35×90cm，元件盒在其上任意拼插进行实验39．储存板：放置元件盒40．左储存柜：放置储存板（带门锁）41．抽屉：放置常用工具42．右储存柜：放置储存板（带门锁）43．示波器：型号不限（用户自备）44．工具三、实验台主要技术指标：1、输入工作电源：单相输入2、输出电源及信号A单元：单相220V输出B单元：交流3、6、9、12、15、18、24VC单元：双路恒流稳压电源（具有过载及短路保护功能），二路输出电压都为0～30V，内置式继电器自动换档，由多圈电位器连续调节，使用方便，输出最大电流为2A，具有预设式限流保护功能。

.tw/~mdker/ESD/index/index1.files/index1A.html二、基本的ESD事件1. 对器件直接的静电放电<=> HBM、MM2. 器件自身发生静电放电<=> CDM3. 电场感应放电三、ESD事件模型人体模型（HBM）静电损伤最普遍的原因之一是通过从人体或带电材料到静电放电敏感（ESDS）器件之间的一系列有效电阻（1~1. 5KΩ）发生静电电荷的直接转移。

当人走过楼面时，静电电荷就在人体上积累。

手指与ESDS器件或组件表面的简单接触就可使人体放电，可能造成器件损坏。

用以模拟这类事件的模型就叫人体模型（H BM）机器模型（MM）与HBM事件类似的放电还可发自导电物体，例如金属做的工具或设备。

机器模型源自日本，是试图建立一个最恶劣的HBM事件的结果。

这个ESD模型包含一个200pF的电容，它向未串联阻抗的一个元件直接放电。

与最恶劣的人体模型相比，机器模型也许过于严格。

然而，现实世界确实有该模型所代表的情况存在。

例如，来自充电板组件或自动测试器电缆的快速放电。

带电器件模型（CDM）来自ESDS器件的电荷转移也是ESD事件。

例如，一个器件可能在顺着送料器滑入自动装配机时被充电。

如果它随后接触到插头或其它导电表面，从该器件到金属物体的快速放电就可能发生。

这个事件就是带电器件模型（CDM）事件，对某些器件而言可能比HBM更具破坏性。

尽管放电持续时间非常短暂（通常小于1纳秒），但电流峰值可达几十安培，甚至数百安培。

HBM的分级（ANSI/ESDSTM5.1—2001）表1 ESDS器件敏感度分级——人体模型HBM（ESD STM5.1-1998）MM的分级表2 ESDS器件敏感度分级——机器模型MM（ANSI/ESD-S5.2-1994）CDM的分级电子元器件来料防静电技术要求1 目的和适用范围1.1 目的本要求规定了静电放电敏感电子元器件研制及生产来料检验中受静电放电损害的防护技术要求。

ESD系统简介一、概述ESD是英文Emergency Shutdown Device紧急停车系统的缩写。

这是一种经过专门机构认证，具有一定安全等级，用于降低生产过程风险的安全保护系统。

ESD系统不仅能够响应生产过程因超过安全极限带来的风险，而且能够监测和处理自身的故障，从而按照预定的条件和程序，使生产过程处于安全状态，确保人员、设备和周边环境的安全。

ESD紧急停车系统按照安全独立原则要求，独立于SCADA系统，其安全级别高于SCADA系统。

在正常情况下，ESD系统是处于静态的，不需要人为干预。

作为安全保护系统，凌驾于生产过程控制之上，实时在线监测装置的安全性。

只有当生产装置出现紧急情况时，直接由ESD发出保护联锁信号，对现场设备进行安全保护，避免危险扩散造成巨大损失。

二、ESD系统的结构组成随着控制技术、通信技术和计算机技术的发展，系统集成度不断提高，ESD 系统的设备组成也经历了一个有低到高，由简单到复杂的演变过程。

但基本结构不变，依然是由检测单元、控制单元和执行单元组成。

1 检测单元采用多台仪表和系统，将控制功能和安全连锁功能隔离，使ESD系统和过程控制系统实现物理隔离。

我厂ESD系统的检测单元使用的是罗斯蒙特压力变送器。

2 控制单元包括输入模块、逻辑运算模块和输出模块三部分，根据输入模块输入的信息自动进行周期性故障诊断。

基于自诊断测试的ESD仪表系统，一般具有特殊的硬件配置，用过安全性诊断测试技术来保证其安全性。

目前，在苏里格气田几个处理厂中，第一天然气处理厂所使用的控制系统为Honeywell公司的Safety Manager（SM）产品，第二天然气处理厂使用的控制系统为HIMA公司的H51Q系统，第三天然气处理厂使用的控制系统为Honeywell 公司的Safety Manager（SM）产品，现以Safety Manager为例，介绍ESD控制系统的硬件构成。

2.1 SM控制器图1-2-1 Safety Manager控制器系统是根据定性和定量安全系统技术而构建的。

CMOS电路芯片ESD保护电路设计技术分析摘要：静电是造成CMOS电路芯片失效机理的主要因素之一，严重时还会引发电路自燃现象。

因此，探讨ESD对于CMOS电路芯片保护而言存在一定的必要性。

基于此，本文简单分析提升ESD保护能力的常用方式及保护原理，并深入探讨CMOS电路芯片ESD保护电路结构设计，以供参考。

关键词：静电放电；CMOS电路芯片；ESD保护引言：静电通常会在电路芯片使用、测试、封装与制造过程中产生，而静电放电现象会为各种电子器件造成不同程度的损伤，静电累积电荷在某种情况下可瞬间达到几百千瓦功率，对电路芯片伤害强度极大。

因此，必须通过合理设计ESD电路芯片保护结构，进而降低静电对电路芯片的破坏。

1.ESD的失效模式通常来讲，导致产生ESD的原因不同对CMOS电路芯片放电方式也会有所不同，最为常见的ESD现象模型为电场感应模型、带电器件模型、机器模型和人体模型。

其中人体模型在整体放电过程时会在上百纳秒内瞬间产生有数安倍电流的释放，其对电路芯片的整体伤害相对较轻。

机械模型放电时间通常较短，只在几十纳秒内便会产生有数安培的电流瞬间释放，可在一定程度上危害机械模型。

而带电体模型则放电时间更短，其对电路芯片整体危害最大，在几纳秒内便会将电流释放量达到十几安培。

引发ESD失效的根本原因为电失效和热失效两种。

其中热失效主要由于电路系统局部电流过于集中而产生热量，使各种器件金属区域芯片产生热斑或将线路熔化，进而造成二次击穿。

电失效则是因为栅氧化物上施加的电压强度超出其介质最高强度，进而导致相关介质被表面击穿或结构击穿。

而ESD的整体失效模式主要包括潜在失效、软失效与硬失效三种模式。

1.提升ESD保护能力的常用方法2.1从制程上改进现阶段，从整体上优化ESD保护能力主要通过两种方式执行：即增设阻挡层金属硅化物掩膜板及ESD保护系统注入工序。

以上两道增设工序可充分提升电路芯片器件本身对ESD的承受能力，但在一定程度上增加了大量改进成本[1]。

《ESD培训教材》PPT 课件•教材背景与目标•ESD基础知识•ESD系统设计与应用•ESD操作规范与注意事项目录•ESD故障排除与应急处理•ESD培训考核与评估教材背景与目标ESD概念及重要性ESD（Electrostatic Discharge）即静电放电，指具有不同静电电位的物体由于直接接触或静电感应所引起的物体间静电电荷的转移。

ESD对电子设备、元器件、电路系统等具有潜在的危害，如造成设备损坏、性能下降、数据丢失等。

随着电子技术的飞速发展，ESD控制已成为电子制造行业的重要课题。

培训目标与预期效果01020304教材结构与特点ESD基础知识静电产生原理及危害静电产生原理静电危害ESD防护原理与方法ESD防护原理ESD防护方法包括使用防静电地板、防静电工作服、防静电手环等个人防护措施，以及采用防静电系统和防静电工作区等环境防护措施。

ESD测试与评估标准ESD测试方法ESD 评估标准ESD系统设计与应用包括ESD 控制器、监测器、电源等，用于对静电进行控制和监测。

ESD 控制设备接地系统防静电系统和防静电工作区人员培训与管理将设备、人员、工作台面等可靠接地，以消除静电电荷。

采用防静电材料、防静电地板、防静电工作服等防静电措施，建立防静电工作环境。

对操作人员进行静电防护知识培训，制定静电防护操作规程和管理制度。

ESD 系统组成要素接地技术屏蔽技术滤波技术030201接地、屏蔽、滤波技术应用典型案例分析与实践操作实践操作案例分析组织操作人员进行实际操作演练，包括静电测试、防静电工作服穿戴、防静电系统使用等，提高操作人员的技能水平。

经验分享ESD操作规范与注意事项操作前准备工作要求熟悉ESD敏感器件准备工具和材料穿戴防静电服饰检查防静电设施敏感器件的类型、特性及静电放电对其的危害，以便在操作中采取相应的防护措施。

检查防静电工作台、防静电地垫、防静电容器等是否完好无损，确保防静电设施能够正常工作。

ABCD保持环境湿度使用防静电工具实时监测静电状态避免摩擦和撞击操作过程中安全防护措施检查器件状态清理工作现场维护保养防静电设施记录操作过程操作后检查与维护保养ESD故障排除与应急处理常见故障类型及原因分析静电放电（ESD）导致的设备故障由于静电放电引起的设备损坏或性能下降。

电子产品ESD认证测试及防制技术目录1. 前言2.静电放电的型式3. 静电放电测试法规4.系统产品静电测试4.1. IEC 51000-4-2测试电压规定4.2 IEC 61000-4-2 测试结果评估判定5.电子产品之ESD 防制设计5.1. ESD的防护设计由PCB 阶段开始做起5.2. 在PCB上对ESD保护常用之设计技术5.3.系统产品之ESD防护6. 结语1. 前言静电对电子产品的伤害一直是不易解决的问题，正常操作的电子产品一但受到静电的放电(ESD) 的作用时，常会出现一些不稳定的现象，如功能突然失常情形等，轻者须重开机才能排除，有时电子产品内的电子组件会不堪承受静电的电压或电流而损坏。

为确保电子产品的功能，国际知名厂商都要求代工的产品必须符合国际规范IES 61000-4-2 ESD测试才会接受。

然而欲使电子产品具静电防制能力，除了从半导体组件的防护更需从产品系统设计防制技术等两方面着手，才能发挥静电的防护功能。

2.静电放电的型式静电放电的模式通常可以分为机器装置放电模式(Machinery ESD model)、家俱放电模式(Furniture ESD model)、人体放电模式(Personnel ESD model)等三类。

简单说明如下:机器装置放电模式较容易在自动化的控制流程中发生，因在自动化机器中被绝缘之金属组件与绝缘体的摩擦、或是绝缘液体或高压气体等流过摩擦产生的静电，当能量累积到某程度而对邻近形成放电的情形。

家俱放电模式通常发生在金属家俱与绝缘物体的摩擦，如在地毯上或塑料地板拉动家俱，或是人从椅子上站起来瞬间的摩擦产生静电。

人体放电模式是因人体的动作摩擦产生静电，如我们穿胶鞋在地毯行走时，因摩擦使地毯带正电胶鞋带负电，此时人体脚底会感应而带正电，同时使上半身带负电, 若这时候如用手接触半导体电子组件,会导致该组件损坏。

上述三种形式的静电放电对半导体制程和电子产品组装都显得很重要，其中以人体放电模式所产生的放电电压，对电子产品(半导体组件)之伤害问题最广，因此国际间对电子产品防护人体放电模式的法规要求日益严谨，即使半导体电子组件在出厂前通过零件标准法规的静电测试，被安装到成品后经常仍未能通过系统产层次的法规要求。

3.8 电子电路实验箱使用电子电路实验箱进行电子电路实验，可以节省时间，减少元、器件损坏，提高实验效果。

本书中的大多数实验是在实验箱中进行的。

电子电路实验箱分为“模拟电路实验箱”和“数字电路实验箱”两种，分别用于“模拟电路实验”和“数字电路实验”。

下面介绍两种实验箱的特点和使用方法。

由于不同专业上述二课的开课次序不尽相同（有的先开“模拟电子技术”，有的先开“数字电子技术”），不一定先使用哪种实验箱，所以在介绍实验箱的结构特点时，难免有些地方略有重复。

3.8.1 THM-1型模拟电路实验箱使用说明THM－1型模拟电路实验箱是根据目前我国“模拟电子技术”教学大纲的要求，为了配合大专院校、中等专业学校、电视大学以及有关职工业余学校学生学习“模拟电路基础”等课程而制作、生产的新一代实验装置，它包含了全部模拟电路的基本教学实验内容及有关课程设计的内容。

本实验装置主要是由一整块单面敷铜印刷线路板构成，其正面（非敷铜面）印有清晰的图形线条、字符，使其功能一目了然。

板上设有可靠的各种集成块插座、镀银长紫铜针管插座及高可靠、高性能的自锁紧插件；板上还提供实验必需的直流稳压电源、低压交流电源以及相关的电子、电器元器件等。

故本实验箱具有实验功能强、资源丰富，使用灵活，接线可靠，操作快捷，维护简单等优点。

本实验箱所有的元器件均经精心挑选选，属于优质产品，可放心让学生进行实验。

整个实验功能板放置并固定在体积为0.46m×0.36m×0.14m的喷塑保护漆膜的铁皮箱内，净重7Kg。

一、组成和使用1．实验箱的供电实验箱的后方设有带保险丝管（0.5A）的22OV单相交流电源三芯插座，（配有三芯插头电源线一根）。

箱内设有三只降压变压器，供四路直流稳压电源之用和为实验提供多组低压交流电源之用。

2．一块大型（435mm×325mm）单面敷铜印刷线路板，正面丝印有清晰的各部件、元器件的图形、线条和字符，反面则是装接其相应的实际元器件。