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越爾興帶你初步了解關(guān)于ESD靜電防護(hù)
靜電放電（ESD：Electrostatic Discharge），應(yīng)該是造成所有電子元器件或集成電路系統(tǒng)造成過度電應(yīng)力（EOS：Electrical Over Stress）破壞的主要元兇。因?yàn)殪o電通常瞬間電壓非常高（>幾KV），所以這種損傷是毀滅性和永久性的，會造成電路直接燒毀。所以預(yù)防靜電損傷是所有IC設(shè)計(jì)和制造的頭號難題。
靜電，通常都是人為產(chǎn)生的，如生產(chǎn)、組裝、測試、存放、搬運(yùn)等過程中都有可能使得靜電累積在人體、儀器或設(shè)備中，甚至元器件本身也會累積靜電，當(dāng)人們在不知情的情況下使這些帶電的物體接觸就會形成放點(diǎn)路徑，瞬間使得電子元件或系統(tǒng)遭到靜電放點(diǎn)的損壞，如同云層中儲存的電荷瞬間擊穿云層產(chǎn)生劇烈的閃電，會把大地劈開一樣，而且通常都是在雨天來臨之際，因?yàn)榭諝鉂穸却笠仔纬蓪?dǎo)電。
二極管有一個(gè)特性：正向?qū)ǚ聪蚪刂?，而且反偏電壓繼續(xù)增加會發(fā)生擊穿而導(dǎo)通，我們稱之為鉗位二極管。靜電保護(hù)就是利用反向截止的特性讓這個(gè)旁路在正常工作時(shí)處于斷開狀態(tài)，而外界有靜電的時(shí)候這個(gè)旁路二極管發(fā)生擊穿而形成旁路通路保護(hù)了內(nèi)部電路或者柵極。PN結(jié)的擊穿分兩種，分別是電擊穿和熱擊穿，電擊穿指的是雪崩擊穿（低濃度）和齊納擊穿（高濃度），而這個(gè)電擊穿主要是載流子碰撞電離產(chǎn)生新的電子，所以它是可恢復(fù)的，但熱擊穿是不可恢復(fù)的，因?yàn)闊崃烤奂瘜?dǎo)致硅被燒毀了。所以我們需要控制在導(dǎo)通的瞬間控制電流，一般會在保護(hù)二極管再串聯(lián)一個(gè)高電阻。
根據(jù)靜電的產(chǎn)生方式以及對電路的損傷模式不同通常分為四種測試方式：人體放電模式（HBM）、機(jī)器放電模式（MM）、元件充電模式（CDM）、電場感應(yīng)模式（FIM），但是業(yè)界通常使用前兩種模式來測試。
1.人體放電模式（HBM）
當(dāng)人體摩擦產(chǎn)生了電荷突然碰到芯片釋放的電荷導(dǎo)致芯片燒毀擊穿，秋天和別人碰觸經(jīng)常觸電就是這個(gè)原因。
2.機(jī)器放電模式（MM）
當(dāng)機(jī)器移動產(chǎn)生的靜電觸碰芯片時(shí)由pin腳釋放，次標(biāo)準(zhǔn)為EIAJ-IC-121 method 20(或者標(biāo)準(zhǔn)EIA/JESD22-A115-A)，等效機(jī)器電阻為0 (因?yàn)榻饘?，電容依舊為100pF。由于機(jī)器是金屬且電阻為0，所以放電時(shí)間很短，幾乎是ms或者us之間。但是更重要的問題是，由于等效電阻為0，所以電流很大，所以即使是200V的MM放電也比2kV的HBM放電的危害大。而且機(jī)器本身由于有很多導(dǎo)線互相會產(chǎn)生耦合作用，所以電流會隨時(shí)間變化而干擾變化。
ESD的測試方法類似FAB里面的GOI測試，指定pin之后先給他一個(gè)ESD電壓，持續(xù)一段時(shí)間后，然后再回來測試電性看看是否損壞，沒問題再去加一個(gè)step的ESD電壓再持續(xù)一段時(shí)間，再測電性，如此反復(fù)直至擊穿，此時(shí)的擊穿電壓為ESD擊穿的臨界電壓(ESD failure threshold Voltage)。通常我們都是給電路打三次電壓(3 zaps)，為了降低測試周期，通常起始電壓用標(biāo)準(zhǔn)電壓的70% ESD threshold，每個(gè)step可以根據(jù)需要自己調(diào)整50V或者100V。
另外，因?yàn)槊總€(gè)chip的pin腳很多，一個(gè)個(gè)pin測試還是組合pin測試，所以會分為幾種組合：I/O-pin測試(Input and Output pins)、pin-to-pin測試、Vdd-Vss測試(輸入端到輸出端)、Analog-pin。
1.I/O Pins
分別對input-pin和output-pin做ESD測試，而且電荷有正負(fù)之分，所以有四種組合：input+正電荷、input+負(fù)電荷、output+正電荷、output+負(fù)電荷。測試input時(shí)候，則output和其他pin全部浮接(floating)，反之亦然。
2.pin-to-pin
靜電放電發(fā)生在pin-to-pin之間形成回路，但是如果要每每兩個(gè)腳測試組合太多，因?yàn)槿魏蔚腎/O給電壓之后如果要對整個(gè)電路產(chǎn)生影響一定是先經(jīng)過VDD/Vss才能對整個(gè)電路供電，所以改良版則用某一I/O-pin加正或負(fù)的ESD電壓，其他所有I/O一起接地，但是輸入和輸出同時(shí)浮接(Floating)。
3.Vdd-Vss之間靜電放電
只需要把Vdd和Vss接起來，所有的I/O全部浮接(floating)，這樣給靜電讓他穿過Vdd與Vss之間。
4.Analog-pin放電測試
因?yàn)槟M電路很多差分比對(Differential Pair)或者運(yùn)算放大器(OP AMP)都是有兩個(gè)輸入端的，防止一個(gè)損壞導(dǎo)致差分比對或運(yùn)算失效，所以需要單獨(dú)做ESD測試，當(dāng)然就是只針對這兩個(gè)pin，其他pin全部浮接(floating)。
靜電，通常都是人為產(chǎn)生的，如生產(chǎn)、組裝、測試、存放、搬運(yùn)等過程中都有可能使得靜電累積在人體、儀器或設(shè)備中，甚至元器件本身也會累積靜電，當(dāng)人們在不知情的情況下使這些帶電的物體接觸就會形成放點(diǎn)路徑，瞬間使得電子元件或系統(tǒng)遭到靜電放點(diǎn)的損壞，如同云層中儲存的電荷瞬間擊穿云層產(chǎn)生劇烈的閃電，會把大地劈開一樣，而且通常都是在雨天來臨之際，因?yàn)榭諝鉂穸却笠仔纬蓪?dǎo)電。
二極管有一個(gè)特性：正向?qū)ǚ聪蚪刂?，而且反偏電壓繼續(xù)增加會發(fā)生擊穿而導(dǎo)通，我們稱之為鉗位二極管。靜電保護(hù)就是利用反向截止的特性讓這個(gè)旁路在正常工作時(shí)處于斷開狀態(tài)，而外界有靜電的時(shí)候這個(gè)旁路二極管發(fā)生擊穿而形成旁路通路保護(hù)了內(nèi)部電路或者柵極。PN結(jié)的擊穿分兩種，分別是電擊穿和熱擊穿，電擊穿指的是雪崩擊穿（低濃度）和齊納擊穿（高濃度），而這個(gè)電擊穿主要是載流子碰撞電離產(chǎn)生新的電子，所以它是可恢復(fù)的，但熱擊穿是不可恢復(fù)的，因?yàn)闊崃烤奂瘜?dǎo)致硅被燒毀了。所以我們需要控制在導(dǎo)通的瞬間控制電流，一般會在保護(hù)二極管再串聯(lián)一個(gè)高電阻。
根據(jù)靜電的產(chǎn)生方式以及對電路的損傷模式不同通常分為四種測試方式：人體放電模式（HBM）、機(jī)器放電模式（MM）、元件充電模式（CDM）、電場感應(yīng)模式（FIM），但是業(yè)界通常使用前兩種模式來測試。
1.人體放電模式（HBM）
當(dāng)人體摩擦產(chǎn)生了電荷突然碰到芯片釋放的電荷導(dǎo)致芯片燒毀擊穿，秋天和別人碰觸經(jīng)常觸電就是這個(gè)原因。
2.機(jī)器放電模式（MM）
當(dāng)機(jī)器移動產(chǎn)生的靜電觸碰芯片時(shí)由pin腳釋放，次標(biāo)準(zhǔn)為EIAJ-IC-121 method 20(或者標(biāo)準(zhǔn)EIA/JESD22-A115-A)，等效機(jī)器電阻為0 (因?yàn)榻饘?，電容依舊為100pF。由于機(jī)器是金屬且電阻為0，所以放電時(shí)間很短，幾乎是ms或者us之間。但是更重要的問題是，由于等效電阻為0，所以電流很大，所以即使是200V的MM放電也比2kV的HBM放電的危害大。而且機(jī)器本身由于有很多導(dǎo)線互相會產(chǎn)生耦合作用，所以電流會隨時(shí)間變化而干擾變化。
ESD的測試方法類似FAB里面的GOI測試，指定pin之后先給他一個(gè)ESD電壓，持續(xù)一段時(shí)間后，然后再回來測試電性看看是否損壞，沒問題再去加一個(gè)step的ESD電壓再持續(xù)一段時(shí)間，再測電性，如此反復(fù)直至擊穿，此時(shí)的擊穿電壓為ESD擊穿的臨界電壓(ESD failure threshold Voltage)。通常我們都是給電路打三次電壓(3 zaps)，為了降低測試周期，通常起始電壓用標(biāo)準(zhǔn)電壓的70% ESD threshold，每個(gè)step可以根據(jù)需要自己調(diào)整50V或者100V。
另外，因?yàn)槊總€(gè)chip的pin腳很多，一個(gè)個(gè)pin測試還是組合pin測試，所以會分為幾種組合：I/O-pin測試(Input and Output pins)、pin-to-pin測試、Vdd-Vss測試(輸入端到輸出端)、Analog-pin。
1.I/O Pins
分別對input-pin和output-pin做ESD測試，而且電荷有正負(fù)之分，所以有四種組合：input+正電荷、input+負(fù)電荷、output+正電荷、output+負(fù)電荷。測試input時(shí)候，則output和其他pin全部浮接(floating)，反之亦然。
2.pin-to-pin
靜電放電發(fā)生在pin-to-pin之間形成回路，但是如果要每每兩個(gè)腳測試組合太多，因?yàn)槿魏蔚腎/O給電壓之后如果要對整個(gè)電路產(chǎn)生影響一定是先經(jīng)過VDD/Vss才能對整個(gè)電路供電，所以改良版則用某一I/O-pin加正或負(fù)的ESD電壓，其他所有I/O一起接地，但是輸入和輸出同時(shí)浮接(Floating)。
3.Vdd-Vss之間靜電放電
只需要把Vdd和Vss接起來，所有的I/O全部浮接(floating)，這樣給靜電讓他穿過Vdd與Vss之間。
4.Analog-pin放電測試
因?yàn)槟M電路很多差分比對(Differential Pair)或者運(yùn)算放大器(OP AMP)都是有兩個(gè)輸入端的，防止一個(gè)損壞導(dǎo)致差分比對或運(yùn)算失效，所以需要單獨(dú)做ESD測試，當(dāng)然就是只針對這兩個(gè)pin，其他pin全部浮接(floating)。
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