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ESD原理詳解（一）

更新時間：2023-09-19 點擊次數：1447

ESD（Electro-Static discharge ）是廣泛存在于你我身邊的自然現象，小時候上自然課就學過摩擦生電。而靜電對于工業界來說有時候是很頭疼的東西，世（）界.上.最大的飛艇興登堡號就是因為靜電原因墜毀的。隨著IC的規模越來越大，線寬越來越小，芯片也越來越嬌貴，EOS（Electrical Over Stress ）失效問題也日益嚴重，而ESD是EOS失效的主要原因，ESD防護也成為ICdesigner需要考慮的問題，而其中模擬IC因為其自身特性，需要更加注重ESD防護。

ESD防護在模擬IC設計中是很重要的一環，但是國內IC企業很少有專人去負責，所以本文將對ESD的原理和分類進行由淺入深的總結，希望無論是IC設計人員還是硬件工程師都不需要去翻閱大量的資料，而對ESD有一個認知。

一.ESD的分類：

ESD按照發生階段主要分為兩類：

1.發生在芯片上PCB板前的過程中（生產、封裝、運輸、銷售、上板）這類ESD事件完.（）全需要由芯片自己承受。業界對于這類ESD事件進行了分類主要分為三種模型：HBM（Human body Model），MM（Machine Model），CDM（Charged Device Model），SDM（socket device Model），顧名思義HBM模型是仿真人體接觸模型（就是憨憨用手直接摸芯片），MM模型仿真機械接觸，CDM模型是仿真芯片因為摩擦或者熱等原因內部集聚了電荷，然后通過探針或者封裝等途徑從芯片內部放電到外部，起初CDM模型有兩種分類，其中一種是non-socket device Model，是在測試的時候探針直接扎入PAD，而另一種socket device Model是測試的時候把芯片放入一個基座然后探針扎入基座，后來這兩種方式的結果差距有些大，就把SDM單獨拎出來了。目前還是以MIL-883作為主流標準。

2.芯片已經在PCB上電工作后發生的ESD事件。這類ESD事件主要包含：接觸放電，空氣放電，熱插拔，浪涌這幾種。這類ESD事件普遍能量大，時間久。但是與前一類最大的區別，這類PCB上電后的ESD事件，芯片可以靠外援，通過TVS或者ESD陣列芯片進行泄放，芯片本身在外界的幫助下可以不需要承受靜電流。而這類ESD事件的詳規主要在IEC61000-4-2和IEC61000-4-5中，目前國內硬件工程師主要解決這方面的ESD事件。

二.ESD的原理

不同的ESD產生的原理不同：

1.HBM模型。

HBM是目前片級ESD防護比較成熟的模型。通過建立人體放電模型，仿真人體無保護直接接觸芯片的情況。

圖1.HBM放電模型

圖2.HBM放電波形

圖3.HBM等級

一般以電壓來表達HBM等級，不同的IC根據使用場景對于HBM等級有不同的要求。而隨著越來越規范的生產制度，HBM模型造成的失效比例在一步步的降低。

圖4.HBM測試模型

2.MM模型。

MM與HBM模型相似，仿真的是機械設備接觸芯片的情況。

圖5.MM放電模型

圖6.MM放電波形

圖7.MM放電等級

MM放電模型也隨著高度規范的生產流程，慢慢淡出人們的視線。現在業界將HBM與MM進行整合，制定了HMM模型。

3.CDM模型！！！！

這是本期的重點，因為隨著IC規模越來越大，ESD失效中CDM的比重正在快速上升，尤其是數-模不同電壓域的芯片，更易發生CDM事件。

CDM的場景是芯片因為摩擦或者其它原因在襯底內部集聚了很多電荷，當在封裝或者測試時芯片引腳接觸到探針后發生的放電事件。CDM放電事件主要會對MOS器件的柵極造成損壞，造成（dielectric failure）。CDM是三種模型中最難處理的情況，放電時間短，電流幅值大。放電路徑與HBM和MM有差異。

圖8.CDM放電模型

圖9.CDM放電模型

圖10.CDM放電等級

CDM模型500V折算電流是10.4A。而且CDM的脈沖時間極短，大約~0.3ns達到電流最大值。

圖11.CDM放電測試模型

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