ESD分析Part(2)
--靜電放電模式

前一部分介紹了靜電的產生機理，在這一部分則是要研究進一步的問題：靜電在哪里？從哪里來到哪里去？等等。

這一系列的文章主要是針對集成電路而言的，所以要拉回到主題上來。大家知道，要使物體帶電，主要的方式有，摩擦、接觸和靜電感應。靜止的電荷不均勻分布在物體上，可能是在chip本身，在人體上，在機器上，在chip能夠存在的環(huán)境及周匝的事物上。所以這些靜止的電荷，隨時都可能通過某種方式釋放出來。然而研究并非盲目的，從事ESD研究的研究人員針對集成電路(封裝好的芯片)的測試，歸集出了主要的四類測試模式：

(1) 人體放電模式 (Human-Body Model, HBM) 
(2) 機器放電模式 (Machine Model, MM) 
(3) 組件充電模式 (Charged-Device Model, CDM) 
(4) 電場感應模式 (Field-Induced Model, FIM) 

集成電路ESD規(guī)格

              HBM        MM       CDM
OK            2kV       200V      1kV
Safe          4kV       400V    1.5kV
Super        10kV        1kV      2kV

就個人對這四類模式的歸納：1-2-3-4都是以接觸的方式釋放電荷 (應該有不接觸到就能釋放的可能)。
1-2的靜電存在于人體和機器上，3-4的靜電存在于chip本身。四類模式具體介紹如下：

(1) 人體放電模式HBM
HBM是傳統(tǒng)的測試模式，定義在工業(yè)標準 (MIL-STD-883x)中。人體上帶電，特別在干燥的冬天，常會接觸如門把手時便會有被電到的感覺。這是人體活動的結果，靜電荷積聚在人體上，當我們去接觸芯片時，人體上的靜電就經由IC的pin腳進入芯片內部，然后經由IC放電到地。(不只在接觸PIN時才會發(fā)生，因為封裝IC的表面就存在靜電荷，接觸包裝表面也會發(fā)生。)放電過程在瞬間發(fā)生，大概幾納秒內將IC組件燒毀。


    MIL-STD-883E中等效人體模型放電模式測試電路。883B與此類似，在883B測試電路中首先2000V
的電壓串聯(lián)約100M ohms電阻給100pf的電容充電，然后經由1.5K電阻串聯(lián)放電給測試器件，以模擬人
體放電現(xiàn)象。就實際情況看，人體電容依據不同個體及接觸面積的大小大約在150-500pf之間，人體內
阻也是受許多外在因素的影響，如皮膚的濕度等。如果是人通過手拿的金屬物體如起子，鑷子等，電阻會假設在幾十個ohm。基于這些因素的考慮，標準IEC802-2采用了電容150pf和更實際的放電電阻
330ohms。然而，考慮到測試的實際性，并不能直接應用到集成電路中。采用2000V也是有問題的，通過經由手指測試出的電壓也在4000V以上。較少的能量在保護電路中消耗，相對而言是較小的。大部分能量都經由電阻轉換成了熱能釋放出來。測試中要考慮許多重要的參數，按照這種方法，放電是在電流上上升的時段。IEC802-2中定位實際放電時段在電流上升約0.7ns時。這個值的來源很值得考慮，對于很快的放電，在弟一時刻只有少部分保護電路器件打開，在接下來的階段(極短的時間)電流才完全傳播開來。因此，在放電弟一階段，保護電路過載的危險是存在的。相似的現(xiàn)象可通過可控器件來觀察到。如此，觸發(fā)后上升電流必須被限制。首先，只有靠近觸發(fā)電極少部分器件被導通，高的電流濟終導致組件的燒毀。這種現(xiàn)象雖然與大電流有關，但高電壓與電路破壞之間并沒有必然的聯(lián)系。通常這一點并沒有出現(xiàn)在連接到集成電路的地方，而是在一些設備或連接插頭處。在這個點與受威脅的電路之間，存在很長導通路徑，這里存在著有明顯的放電電流，傳播甚至覆蓋了整個保護電路。

(2) 機器放電模式MM
機器放電模式，也就是將人體換成了機器設備，主體部分的改變，使得測試模式的改變。在這情況下，指靜電電荷積累在機器設備上，當接觸到IC進對芯片放電，并因此毀壞了電路。機器放電模式，工業(yè)標準EIAJ-IC-121 method20。MM測試電路與HBM相似，數值改變如，電容值為200pf,充電電壓500V,充電電阻100Mohms，放電部分加>500nH電感(電感量與電流無關，感抗XL=2πfL，f為頻率)。因為絕大部分機器是金屬的，等效電阻極小，導致瞬時放電電流巨大(幾安培)。


(3) 組件充電模式CDM
這種模式下，電荷積聚在IC本身，可能是因為與PIN摩擦，或者是接觸到其他物體的靜電電荷，使本身
帶電。再通過直接接地或間接接地進行放電，而形成的一種放電現(xiàn)象。此類現(xiàn)象的模擬十分困難，是因為導致放電的組件差異所造成的。這種現(xiàn)象表明IC可能在生產過程中受損，比如IC在傳輸過程中帶電，在安裝到電路板上時接地而損壞。有時也可能在測試過程中受到損壞。CDM等效電路因情況的不同而多種多樣。因為封裝很小，所以電容和電感值都很小，大約5pf和10nH。CDM的放電時間很短，電流能在1ns時間內沖到15安培的高峰，因此這種現(xiàn)象更容易對IC造成損傷。CDM與HBM沒有相互關連性，成功的CDM測試不能預示器件用HBM會發(fā)生什么情況!
以下是HBM,MM和CDM電流時間對比曲線:


(4) 電場感應模式FIM
此類模式與CDM相似，只是IC帶電方式不同。這種模式是IC在電場環(huán)境中，因感應而使本身帶電，放
電模式與CDM類擬。這種模式工業(yè)標準(JESD22-C101)，詳情請閱讀相關標準。