标准线性集成电路的电诱发损坏：最常见起因和防止再发生的相关处理

简介

电子器件对瞬态电气过应力事件的灵敏度是众所周知的问题，随着集成电路的不断发展，这一问题日益严重。几何尺寸缩小，电路密度增加和分配给片内保护的面积有限都会使此灵敏度趋于增加。为了将每一特定系统实施环节的成本降至最低，瞬态保护的任务往往转而采用其它效率更低的方式。

防止"击穿"的技术取决于制造的阶段。制造集成电路和装配电子设备期间，保护通过使用我们所熟知的措施来实现，比如静电耗散桌面、防静电手环、电离空气吹风机、防静电包装套管等。此处，仅简要讨论这些方法与静电放电(SD)保护相关的部分。同样，本应用笔记并不旨在说明设备运输、安装或维修期间所采取的预防措施。而是，重点主要集中在印刷电路板装配期间、设备正常工作(操作人员经常未接受预防措施培训)期间以及在瞬态环境可能不具有良好特性的服务条件下所需要的保护。

瞬态环境千变万化。汽车系统、机载或船载设备、空间系统、工业设备或消费电子产品等所经历的瞬态环境存在很大不同。所有类型的电子器件都会受到毁坏或损害。1甚至电容、继电器、连接器、印刷电路板等阈值水平远高于集成电路的器件都是易受影响的。微波二极管和晶体管是当中最敏感的器件。但是，本应用笔记将针对用途较广泛的标准线性集成电路进行说明，以限制文章涵盖的范畴。

本应用笔记首先将回顾集成电路在工作环境中所受威胁的本质，然后会针对以下问题简要讨论总体的设备保护：(1)由人员操作、自动板插入设备等引起的ESD事件；(2)由于上电/关断时序误差、连接器边缘松动引起的浮动地等问题而产生的闩锁；最后，(3)电源、电路板缺陷、电路板检修期间等造成的高电压瞬态。

静电放电

静电放电是由以下原因导致的单次快速高电流的静电电荷传输：

• 两个处于不同电位的物体之间的直接接触传输，或者
• 两个物体靠近时之间产生的高静电场。

静电的主要来源基本都是绝缘器并且一般都是合成材料，例如乙烯基树脂或塑料工作台、绝缘鞋、成品木椅、透明胶带、气泡袋、未接地的烙铁等。这些来源产生的电平极高，因为它们的电荷并不容易分布在表面上或者传导给其他物体。

两个物体相互摩擦产生静电被称为摩擦电效应。例如，高RH(60%)环境下，摩擦静电电荷产生的来源包括：

• 在地毯上走过 — 产生1000 V–1500 V。
• 在乙烯基树脂地板上走过 — 产生150 V-250 V。
• 手持由干净塑料包装保护的材料 — 产生400 V–600 V。
• 手持聚乙烯袋 — 产生1000 V–1200 V。
• 将聚氨酯泡沫塑料倒入盒中 — 产生1200 V– 1500 V。
• IC滑入一个开口的防静电包装套管中 — 产生25V–250 V。

注意：在低RH（<30%）环境中，可以产生上述10倍以上的电压。

ESD模型

为了评估器件对仿真应力环境的敏感性，已开发出大量测试波形。目前普遍用于仿真半导体或分立器件中的ESD事件的三个最主要的波形是：人体模型(HBM)、机器模型(MM)和带电器件模型(CDM)。这三种模型的测试电路和电流波形特性如图1至3所示。每个模型代表一种根本上不同的ESD事件。因此，这些模型的测试结果之间的相关性微乎其微。

HBM、MM和CDM波形的比较

图4显示在相同的电流-时间标度下的400 V HBM、MM和CDM放电波形。这些波形在预测特定类型器件由于这三种模型之一仿真的ESD事件而可能会产生何种故障机制方面作用显著。

HBM波形的上升时间小于10ns(一般为6ns至9ns)，此波形以大于150ns的下降时间成指数规律衰减到0V。MIL-STD-883 3 Method 3015《静电放电灵敏度等级》要求上升时间小于10 ns，延迟时间为150 ± 20 ns（Method 3015将延迟时间定义为波形从90%峰值电流降至36.8%峰值电流的时间）。HBM波形的峰值电流约等于400V/1500或0.267A。虽然该峰值电流远低于400 V HBM和MM事件的峰值电流，但整个HBM事件的持续时间相对较长，这导致放电能量相对较高。

MM波形由正向和负向正弦波峰值组成，峰值幅度以指数规律衰减。初始MM峰的上升时间约为14 ns，即略大于单一HBM峰的上升时间。MM波形的总持续时间与HBM波形相当。但是，400V MM事件的第一个峰的峰值电流约为5.8A，是三种模型中最高的。接下来的四个峰值电流虽然在下降，但幅度仍全部大于1A。因为不存在电流限制，R = 0，这几个持续时间很长的高电流峰值导致目前三种模型之中最高的总体放电能量。

CDM波形对应于现实中已知最短的ESD事件。套接式CDM波形的上升时间为400ps，CDM事件的总持续时间约为2ns。CDM波形本质上是单极性的，不过在CDM事件结束时会发生某种轻微的振铃，这会导致部分负向峰值。

使用400 V带电电压，套接式CDM放电将具有2.1 A的峰值电流。但是，总体CDM事件的持续时间极短，这导致总体放电能量相对较低。