发布时间:2022-10-08
(1)HBM(Human Body Model),人体放电模型;
指带电荷的人体与集成电路产品的管脚接触并发生静电荷转移时,产生的ESD现象。
人体等效电阻约1500欧姆,等效电容值为lOOpF,Ls与Cs寄生电感和电容。该ESD放电产生电流波形的上升时间在2~10ns范围内,持续时间在150~200ns范围内.由于HBM模型中的电感、电容等参数针对于不同环境和人体会有所差异,因此各组织机构制定各自HBM模型中的寄生电容、电感值略有差异,但其HBM放电波形基本一致。
(2)MM(Machine Model),机器放电模型;
模拟机器手臂等金属工具与芯片管脚接触并发生静电荷转移,产生的ESD事件。
金属机械的寄生电阻较小(约20欧姆)、等效电容较大(200pF)且存在寄生电感Ls,因此MM放电过程维持时间短,电流波形呈阻尼振荡且峰值电流较高,一般为相同等级HBM ESD峰值电流的20~30倍。MM波形上升时间在6~8ns范围内,脉宽约为100ns。
备注:MM模型,由于电阻过小,实验严苛,目前已经基本不再进行,用CDM代替;
(3)CDM(Charged Device Model),组件充电模型;
主要模拟封装后的芯片在装配、运输中由于摩擦或者感应自身携带了电荷,当芯片管脚接触到地或其他物体引起电荷转移,大量电荷从IC内部流出产生的ESD现象。
芯片本身的寄生电阻、电容和电感与芯片的版图尺寸、封装形式、放电位置等都有密切关系。芯片寄生电阻较小(约15欧姆),因此CDM放电过程迅速,其电流波形的上升时间约为0.2ns~0.4ns,脉宽小于5ns,电流峰值也较大,约为相同等级HBM ESD的15~20倍。由于其电流脉冲上升时间极短,对ESD防护器件的开启速度要求十分严格。
(4)HMM(Human-Metal-Model),人体金属放电模式;
业界最新研究的一种ESD模式,主要模拟带有静电荷的人体通过金属、机械等与芯片管脚相接触,发生电荷转移的ESD过程。
HMM主要用来评价芯片在系统级ESD测试中的鲁棒性。该模型尚在广泛讨论当中,并无标准的模型和参数,只有两个指导性文档ESD TR5.6-01-09和DSP5.6。
备注:上图中模拟了一种人体金属模式等效电路图,等效电容为150pF,等效电阻约为330^2,L1、C1、L2为放电回路寄生参数,Cb为平板电容,其放电波形的上升时间大概为0.8ns±0.2ns,持续时间约为50ns。
ESD失效原因
失效类型分为两大类:致命失效&性能退化;
致命失效:介质击穿、金属溶断、PN结穿刺、接触孔金属电迁移等,它会直接造成开路、短路或漏电增大,导致芯片永久性失效;
性能退化:会造成芯片内部电路参数漂移、寿命降低,影响芯片的工作性能但一般不会立刻导致芯片失效。
ESD保护电路的功能
其在芯片功能正常工作时处于透明状态,不影响产品性能参数,占据芯片版图面积小,并且在ESD应力下能够及时快速的开启,将ESD电流通过ESD防护电路顺利泄放,将芯片内电压箱位在安全范围,有效保护芯片内部胞弱的晶体管,同时ESD防护器件本身要足够强壮而不被ESD应力损坏。这就要求了设计优异ESD防护器件应满足的四个标准:透明性、敏捷性、有效性和鲁棒性。
ESD关键参数
说明:
反向工作电压:对应线路上的工作电压or最高变频电压;
最小击穿电压:测量方式为反向电流1mA时的电压;
反向漏电流:在最大反向工作电压对应的电流;高阻端口
钳位电压:当电路经过8个20us的pulse后,在规定电流下的残余电压;为了确保在8个20us的pulse后,电路依然可以正常工作;
结电容:速率高的场景,对结电容敏感;
注意:
ESD的截止电压需要大于被保护IC的最大工作电压,否则会影响电路正常工作;如:工作电压为5V的线路,应选择截止电压大于等于5V的ESD器件进行保护;
在高速端口(如:USB 3.0,USB3.1,HDMI,IEEE1394等),ESD保护器件的结电容应选择尽量小,以避免影响通信质量;
根据电路设计布局及被保护线路选择合适的封装形式。一般情况下:ESD器件封装大小从一定程度上可以反应防护等级大小,一般封装越大,可容纳的ESD芯片面积也越大,防护等级也越高;
接口尽量靠近大面积的底线,泄放回路也是越短越好;
电路保护器件
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