伟芯科技ESD知识分享——静电放电的模式以及工业测试标准

伟芯科技（绍兴）有限公司，绍兴集成电路小镇已入住的专业的集成电路静电保护（ESD）技术和IP产品提供商，在ESD保护业务领域积累了丰富的理论基础和实战案例，成功解决了大规模SOC产品、多电源域多管脚产品、RF高频产品、高压产品和finfet等产品的ESD可靠性问题。为广大集成电路企业客户提供ESD IP库开发、全芯片ESD保护方案、ESD失效分析和改进方案、ESD专利授权等产品和服务。

在伟芯官网中，我们将教导您有关集成电路的ESD知识，并介绍集成电路的 ESD 规格标准以及集成电路产品的ESD测试方法；再来，我们将教导您有关集成电路的各种ESD防护设计，其相关技术含括制程 (Process)、元件(Device)、电路 (Circuits) 、系统 (Systems) 、以及测量(Measurement) 。这些相关技术的介绍及设计实例的说明，必能协助您解决贵公司集成电路产品所遭遇到的 ESD问题

第一章                                            静电放电的模式以及工业测试标准

2.1 人体放电模式 (Human-Body Model, HBM) :

　　人体放电模式(HBM)的ESD是指因人体在地上走动磨擦或其它因素在人体上已累积了静电，当此人去碰触到IC时，人体上的静电便会经由IC的脚(pin)而进入IC内，再经由IC放电到地去，如图2.1-1(a)所示。此放电的过程会在短到几百毫微秒(ns)的时 间内产生数安培的瞬间放电电流，此电流会把IC内的组件 给烧毁。 不同HBM静电电压相对产生的瞬间放电电流与时间的关系 显示于图2.1-1(b)。对一般商用IC的2-KV ESD放电电压而言，其瞬间放电电流的尖峰值大约是1.33 安培。 

图2.1-1(a) HBM的ESD发生情形 

图2.1-1(b) 在不同HBM静电电压下，其静电放电之电流与时间的关系 

　　有关于HBM的ESD已有工业测试的标准，为现今各国用来 判断IC之ESD可靠度的重要依据。图2.1-2显示此工业标准 (MIL-STD-883C method 3015.7)的等效电路图，其中人体的 等效电容定为100pF，人体的等效放电电阻定为1.5KΩ。另 外在国际电子工业标准(EIA/JEDEC STANDARD)中，亦对 此人体放电模式订定测试规范(EIA/JESD22-A114-A)，详细 情形请参阅该工业标准。 

Test Standard : MIL-STD-883C Method 3015.7 

图2.1-2 人体放电模式(HBM)的工业标准测试等效电路及其耐压能力等级分类

2.2 机器放电模式 (Machine Model, MM)

　　机器放电模式的ESD是指机器(例如机械手臂)本身累积了静电，当此机器去碰触到IC时，该静电便经由IC的pin放电。此机器放电模式的工业测试标准为 EIAJ-IC-121 method 20，其等效电路图如图2.2-1所示。 

Test Standard : EIAJ-IC-121 Method 20 

图2.2-1 机器放电模式(MM)的工业标准测试等效电路及其耐压能力等级分类 

　　因为大多数机器都是用金属制造的，其机器放电模式的等效电阻为0Ω，但其等效电容定为200pF。由于机器放电模式的等效电阻为0，故其放电的过程更短，在几毫微秒到几十毫微秒之内会有数安培的瞬间放电电流产生。有关2-KV HBM与200-V MM的放电电流比较，显示于图2.2-2中。 

虽然HBM的电压2 KV比MM的电压200V来得大，但是200-V MM的放电电流却比2-KV HBM的放电电流来得大很多，因此机器放电模式对IC的破坏力更大。在图2.2-2中，该200-V MM的放电电流波形有上下振动(Ring)的情形，是因为测试机台导线的杂散等效电感与电容互相耦合而引起的。 

图2.2-2 人体放电模式(2-KV) 与机器放电模式(200V) 放电电流的比较图 

另外在国际电子工业标准 (EIA/JEDEC STANDARD) 中， 亦对此机器放电模式订定测试规范 (EIA/JESD22-A115-A)  ，详细情形请参阅该工业标准。 

2.3 组件充电模式 (Charged-Device Model, CDM)

此放电模式是指IC先因磨擦或其它因素而在IC内部累积了静电，但在静电累积的过程中IC并未被损伤。此带有静电的IC在处理过程中，当其pin去碰触到接地面时，IC内部的静电便会经由pin自IC内部流出来，而造成了放电的现象。 

　　此种模式的放电时间更短，仅约几毫微秒之内，而且放电现象更难以真实的被仿真。因为IC内部累积的静电会因IC组件本身对地的等效电容而变，IC摆放的角度与位置以及IC所用的包装型式都会造成不同的等效电容。由于具有多项变化因素难定，因此，有关此模式放电的工业测试标准仍在协议中，但已有此类测试机台在销售中。该组件充电模式(CDM) ESD可能发生的原因及放电的情形显示于图2.3-1(a)与图2.3-1(b)中。该组件充电模式静电放电的等效电路图显示于图2.3-2(a)中。IC在名种角度摆放下的等效电容值显示于图2.3-2(b)中，此电容值会导致不同的静电电量累积于IC内部。 

图2.3-1(a) Charged-Device Mode静电放电可能发生的情形。IC自IC管中滑出后，带电的IC脚接触接到地面而形成放电现象。 

图2.3-1(b) Charged-Device Mode静电放电可能发生的情形。IC自IC管中滑出后，IC脚朝上，但经由接地的金属工具 而放电。 

图2.3-2(a) Charged-Device Model静电放电的等效电路图 

图2.3-2(b) IC在各种角度下的等效杂散电容值 

　　有关2-KV HBM, 200-V MM, 与1-KV CDM的放电电流比较，显示于图2.3-3中。其中，该1-KV CDM的放电电流在不到1ns的时间内，便已冲到约15安培的尖峰值，但其放电的总时段约在10ns的时间内便结束。此种放电现象更易造成集成电路的损伤。 

图2.3-3人体放电模式(2-KV)，机器放电模式(200V)， 与组件充电模式(1-KV)放电电流的比较图。 

2.4 电场感应模式(Field-Induced Model, FIM)

　　此FIM模式的静电放电发生是因电场感应而起的。当IC因输送带或其它因素而经过一电场时，其相对极性的电荷可能会自一些IC脚而排放掉，等IC通过电场之后，IC本身便累积了静电荷，此静电荷会以类似CDM的模式放电出来。有关FIM的放电模式早在双载子(bipolar)晶体管时代就已被发现，现今已有工业测试标准。在国际电子工业标准(EIA/JEDEC STANDARD) 中，亦已对此电场感应模式订定测试规范 (JESD22-C101)，详细情形请参阅该工业标准。