ESD分析2

ESD分析Part(2)
--静电放电模式

前一部分介绍了静电的产生机理，在这一部分则是要研究进一步的问题：静电在哪里？从哪里来到哪里去？等等。

这一系列的文章主要是针对集成电路而言的，所以要拉回到主题上来。大家知道，要使物体带电，主要的方式有，摩擦、接触和静电感应。静止的电荷不均匀分布在物体上，可能是在chip本身，在人体上，在机器上，在chip能够存在的环境及周匝的事物上。所以这些静止的电荷，随时都可能通过某种方式释放出来。然而研究并非盲目的，从事ESD研究的研究人员针对集成电路(封装好的芯片)的测试，归集出了主要的四类测试模式：

(1) 人体放电模式 (Human-Body Model, HBM) 
(2) 机器放电模式 (Machine Model, MM) 
(3) 组件充电模式 (Charged-Device Model, CDM) 
(4) 电场感应模式 (Field-Induced Model, FIM) 

集成电路ESD规格

              HBM        MM       CDM
OK            2kV       200V      1kV
Safe          4kV       400V    1.5kV
Super        10kV        1kV      2kV

就个人对这四类模式的归纳：1-2-3-4都是以接触的方式释放电荷 (应该有不接触到就能释放的可能)。
1-2的静电存在于人体和机器上，3-4的静电存在于chip本身。四类模式具体介绍如下：

(1) 人体放电模式HBM
HBM是传统的测试模式，定义在工业标准 (MIL-STD-883x)中。人体上带电，特别在干燥的冬天，常会接触如门把手时便会有被电到的感觉。这是人体活动的结果，静电荷积聚在人体上，当我们去接触芯片时，人体上的静电就经由IC的pin脚进入芯片内部，然后经由IC放电到地。(不只在接触PIN时才会发生，因为封装IC的表面就存在静电荷，接触包装表面也会发生。)放电过程在瞬间发生，大概几纳秒内将IC组件烧毁。


    MIL-STD-883E中等效人体模型放电模式测试电路。883B与此类似，在883B测试电路中首先2000V
的电压串联约100M ohms电阻给100pf的电容充电，然后经由1.5K电阻串联放电给测试器件，以模拟人
体放电现象。就实际情况看，人体电容依据不同个体及接触面积的大小大约在150-500pf之间，人体内
阻也是受许多外在因素的影响，如皮肤的湿度等。如果是人通过手拿的金属物体如起子，镊子等，电阻会假设在几十个ohm。基于这些因素的考虑，标准IEC802-2采用了电容150pf和更实际的放电电阻
330ohms。然而，考虑到测试的实际性，并不能直接应用到集成电路中。采用2000V也是有问题的，通过经由手指测试出的电压也在4000V以上。较少的能量在保护电路中消耗，相对而言是较小的。大部分能量都经由电阻转换成了热能释放出来。测试中要考虑许多重要的参数，按照这种方法，放电是在电流上上升的时段。IEC802-2中定位实际放电时段在电流上升约0.7ns时。这个值的来源很值得考虑，对于很快的放电，在弟一时刻只有少部分保护电路器件打开，在接下来的阶段(极短的时间)电流才完全传播开来。因此，在放电弟一阶段，保护电路过载的危险是存在的。相似的现象可通过可控器件来观察到。如此，触发后上升电流必须被限制。首先，只有靠近触发电极少部分器件被导通，高的电流济终导致组件的烧毁。这种现象虽然与大电流有关，但高电压与电路破坏之间并没有必然的联系。通常这一点并没有出现在连接到集成电路的地方，而是在一些设备或连接插头处。在这个点与受威胁的电路之间，存在很长导通路径，这里存在着有明显的放电电流，传播甚至覆盖了整个保护电路。

(2) 机器放电模式MM
机器放电模式，也就是将人体换成了机器设备，主体部分的改变，使得测试模式的改变。在这情况下，指静电电荷积累在机器设备上，当接触到IC进对芯片放电，并因此毁坏了电路。机器放电模式，工业标准EIAJ-IC-121 method20。MM测试电路与HBM相似，数值改变如，电容值为200pf,充电电压500V,充电电阻100Mohms，放电部分加>500nH电感(电感量与电流无关，感抗XL=2πfL，f为频率)。因为绝大部分机器是金属的，等效电阻极小，导致瞬时放电电流巨大(几安培)。


(3) 组件充电模式CDM
这种模式下，电荷积聚在IC本身，可能是因为与PIN摩擦，或者是接触到其他物体的静电电荷，使本身
带电。再通过直接接地或间接接地进行放电，而形成的一种放电现象。此类现象的模拟十分困难，是因为导致放电的组件差异所造成的。这种现象表明IC可能在生产过程中受损，比如IC在传输过程中带电，在安装到电路板上时接地而损坏。有时也可能在测试过程中受到损坏。CDM等效电路因情况的不同而多种多样。因为封装很小，所以电容和电感值都很小，大约5pf和10nH。CDM的放电时间很短，电流能在1ns时间内冲到15安培的高峰，因此这种现象更容易对IC造成损伤。CDM与HBM没有相互关连性，成功的CDM测试不能预示器件用HBM会发生什么情况!
以下是HBM,MM和CDM电流时间对比曲线:


(4) 电场感应模式FIM
此类模式与CDM相似，只是IC带电方式不同。这种模式是IC在电场环境中，因感应而使本身带电，放
电模式与CDM类拟。这种模式工业标准(JESD22-C101)，详情请阅读相关标准。