静电释放 (ESD)

大家好 欢迎来到 TI Precision Labs 德州仪器高精度实验室 本次课程我们将讨论 Electrostatic Discharge 静电释放的话题 本节课程将介绍 ESD 是如何损坏半导体元器件的 并且详细介绍半导体器件中的 ESD 保护电路的设计 最后我们将介绍 ESD 性能指标是如何测定的 以帮助更好的理解器件的 ESD 性能 很多常见的物体会积累静电 特别是绝缘体 很容易积累大量的静电 一些物体倾向于带正电 另外一些物体则倾向于带负电 当两个电荷不同的物体 靠到一起的时候 两个物体之间 会产生一个瞬时电流 称为 ESD 静电释放 ESD 电压经常能达到几千伏 产生可见的电火花 对于半导体器件来说 ESD 是最常见的损坏原因 上面的这个表格罗列了一些 生活中常见动作所产生的静电电压 注意到静电电压和相对湿度有关 相对湿度较低的时候 产生的静电电压更高 下面的表格展示了 人体对静电放电的感受程度 注意到当您看到电火花的时候 静电电压已经非常高了 在 8000V 以上 不同类型的器件 对 ESD 的耐受值也不一样 一些器件比如 MOS 管 在很低的电压时就会损坏 后面我们将会看到 而大部分的芯片中 采用的 ESD 保护电路 能够提升器件的 ESD 性能 在增加了 ESD 保护电路以后 MOS 器件的 ESD 耐压值 可以从 10V 提升到几千伏 我们来详细地观察一下 ESD 是怎样损坏半导体器件的 假如当一个幅值很高的静电 或者电压加到运放的反相端 和负电源端 这就会在输入 MOS 管的栅极 和源极之间产生一个很高的电压 这个电压会击穿栅氧化层损坏器件 值得注意的是 MOS 管栅极氧化层的厚度 通常只有几个纳米 在这种电压下非常容易被损坏 针对 ESD 事件 有两种主要的分类方法 在电路组装前 即芯片未焊接到 PCB 上之前 ESD 会造成器件损坏 这可能发生在生产 工厂测试和组装的过程中 一般来说 工厂测试和生产工艺在设计的时候 就考虑到最小化 ESD 事件的发生 电路组装后的 ESD 指的是 在一个组装好的 pcb 或者终端产品上发生的 ESD 事件 这种情况下产品的包装设计 以及器件本身的抗 ESD 性能 决定了产品的 ESD 特性 器件内部的 ESD 保护电路 是为了防止器件在电路组装前的 ESD 事件中损坏 我们可以采取一些基本的预防措施 来最小化 ESD 对器件和产品的损坏 一般来说 这些预防措施采用电阻性材料 来释放静电 比如图中所示的抗静电手环 能够让人体上的静电 可控地释放到大地上 这些抗静电材料的阻值 一般在兆欧的级别 值得注意的是 图中所示的抗静电包装 抗静电盒以及抗静电工作平台 同样都包含了电阻性材料 它能够缓慢地释放静电 在半导体器件最初的生产过程中 芯片的 ESD 防护性能参数就已经确定了 首先大量的芯片样片经过自动化测试 一般来说 芯片数据手册上的大部分参数 都是在这个自动化测试中测量出来的 然后一个专门的 ESD 测试系统 对器件进行 ESD 脉冲仿真测试 这个 ESD 脉冲的参数 是由测试硬件控制的 比如我们可以选择脉冲的幅度 和 ESD 模型 我们将在后文中 讨论多种不同的 ESD 模型 简单来说 ESD 模型通过设置电容电感 和 ESD 电流等参数 来模拟现实中的 ESD 现象 在测试过程中 ESD 脉冲加到芯片的多个引脚 和引脚的不同组合上 同样的 我们采用不同级别的 ESD 脉冲 对芯片进行测试 比如 1000 伏 2000 伏 3000 伏等 最后根据这个复杂的 ESD 测试流程 对芯片进行反复的测试 芯片的 ESD 等级 是由这一批样片均能通过测试的 最高值决定的 这个数值 就是芯片数据手册上的 ESD 绝对最高值 我们采用三种不同的模型 来产生 ESD 脉冲 人体模型是 ESD 测试中最常用的模型 这个模型是用来模拟 当人体碰触到芯片时产生的 ESD 典型的人体模型电压值范围 从 1000 伏到 5000 伏 机器模型也被称作零欧姆模型 因为它是用来仿真 一个阻抗非常低的 ESD 到地的释放情形 机器模型是用来仿真金属壁 或自动化组装设备的 ESD 事件 在大部分情况下 机器模型都被带电器件模型所替代 带电器件模型 用来精确仿真测试环境 和组装环境中的 ESD 事件 比如当器件从传送管道上滑下时 会产生静电累积 带电模型的典型电压值 从几百伏到几千伏 带电器件模型的电流 比人体模型的电流要高很多 因为带电器件模型的限流电阻很小 在这部分我们介绍一下芯片内部 常用的 ESD 保护设计 在这里我们采用运放作为示例 其他器件中采用的 ESD 保护也是类似的 注意一下 这里的 ESD 保护是用来保护器件 还未组装到电路中的 ESD 事件 也就是说这些结构 是用来防护器件 在测试组装和加工过程中的 ESD 现象 在未上电的系统中 这些 ESD 保护同样有效 但是在上电系统中 它们也可能造成栓锁效应 这一点我们将在 有关芯片过压的视频课程中做详细介绍 芯片内部中一般有三种 ESD 保护结构 分别是串联电阻 导流二极管和吸收器件 导流二极管引导 ESD 脉冲电流 到吸收器件上 避免损坏其他电路 吸收器件能够吸收 ESD 脉冲能量 限制电压值来保护电路 串联电阻限制了输入和输出的电流 是值得注意的是 大的串联电阻能够提供更好的保护 但是也会使芯片的噪声 或者最大输出电流等等指标变差 因为有这些限制 串联电阻会影响到某些器件上的 ESD 性能 我们来测试一下 ESD 保护 是怎样工作的 在这个示例中 一个 ESD 脉冲加到运放芯片的 同相输入端引脚和负电压引脚之间 比如在一个没有静电保护的 工作台上组装 PCB 就可能产生这种情况 注意一下 在这个例子中 D3 二极管变成正向偏置 引导 ESD 脉冲到吸收器件上 吸收器件是用来限制电压值 吸收 ESD 脉冲的能量的 如果 ESD 脉冲加到不同的芯片引脚上 不同的二极管会导通 并引导 ESD 脉冲 到吸收器件上 同样的输入电阻 R2 限制了 ESD 脉冲的输入电流 大阻值 R2 会让芯片的 ESD 性能更好 但是会因为偏置电流的影响而引入误差 还会影响噪声性能和芯片的频率响应 这些参数让我们对 ESD 二级管的性能 有一个基本的了解 实际情况下 二极管性能由设计和工艺来决定 很重要的一点是 二极管导通压降为 0.7 伏时 导通电流很大 对应于 ESD 脉冲的情形 这种二极管能够保护芯片 免受几纳秒的安培级别的 脉冲电流的损害 但如果是持续的电流 则只有约 10mA 这些二极管还会引入反方向的漏电流 在室温下漏电流只有几纳安或者更小 但在高温时漏电流可以达到几百纳安 实际上 CMOS 器件的输入偏置电流 大部分都是由 ESD 二极管的漏电流造成的 最后大家还需要记住 ESD 二极管还会引入几皮法的寄生电容 在这里我们来看一下 两种运放芯片中 ESD 二极管的 IV 曲线 可以看到 低电流时二极管的正向压降约为 0.7V 大电流时导通压降增加到了 1V 理解 ESD 二极管特性 可以帮助更好的理解 后续课程中的电气过压问题 在前面的章节中 我们粗略的讨论了下吸收器件 这里的吸收器件 是一个由衬底引入的寄生三极管 在正常情况下这个三极管是反偏的 所以不会有衬底电流 当加到三极管上的电压升高 接近集电极发射极的击穿区时 加大处于击穿区的三极管上的电压 电流会急剧增大 集电极的电流会增加 直到进入一个称为 snap back 回跳点的区域 在超过这个区域之后 电流会持续快速地增加 如果在三极管的电流通路上 没有一个电阻来限制电流 电流过大会造成芯片过热 直到三极管烧坏 这时候通常情况下 发射极电流会停止升高 并和集电极之间形成一个永久的短路 吸收器件是用来钳制供电电压 避免芯片在未安装到电路 之前损坏而设计的 当 ESD 结束后 因为没有电压加到器件上 一般几个纳秒以后吸收器件就会关闭 另一方面 如果芯片被安装到电路中以后 发生 ESD 事件吸收器件会持续开通 并保持一个低阻的状态 直到电源电压关掉 因此在芯片过压时 不能让吸收装置开启 这个话题我们将在后面的课程中 进一步的探讨 芯片数据手册中的最大额定值 是指在最坏的情况下 不让芯片损坏的数值 表格中给出了最大供电电压 输入电压输入电流温度等等指标 注意到 最大输入电流是正负 10mA 对于大多数器件来说 这都是一个极限值 这个值是根据 ESD 二级管 所能承受的最大持续电流值得来的 同样表格中也给出了 芯片的 ESD 指标 在这个例子中 ESD 人体模型的额定值是 4000 伏 带电器件模型是 1000 伏 不同的器件根据测试结果 ESD 性能指标会略有不同 以上就是本次视频的内容 谢谢您的观看 请准备好下面的一个小测试 看看您是否已经掌握了本次课程的内容