ESD保护原理

ESD保护原理

ESD全称为Electro-Static Discharge，中文即为静电释放。

ESD是20世纪中期以来形成的以研究静电的产生和衰减、静电放电模型、静电放电效应和电磁效应(如电磁干扰)等的科学。近年来随着科学技术的飞速发展,微电子技术的广泛应用及电磁环境越来越复杂,对静电放电的电磁场效应如电磁干扰(EMI)及电磁兼容性(EMC)问题越来越重视。

ESD的定义

　　静电放电：具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移（GB/T4365-1995）”

ESD会导致电子设备严重地损坏或操作失常。半导体专家以及设备的用户都在想办法抑制ESD? 静电就是静止的电荷。静电的产生是由于电子在外力的作用下，从一个物体转移到另一个物体或者是受外界磁场的影响而产生的极化现象? 一种电能，是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果。物体表面过剩或不足的静止电荷。留存于物体表面。通过电子或离子的转移而形成。

静电产生的原理

　　摩擦、碰撞、剥离、流动带电、喷出带电、搅拌带电如滚轮移动、人员走动、油罐车泄油时、喷嘴喷出之溶剂、搅拌机静电是由于处于不同带电序列位置的物体之间接触分离，使物体上正负电荷失去平衡而发生的现象。

　　两种介电系数不同的物质磨擦时，正负极性的电荷分别积累在两个物体上而形成：当两个物体接触时，其中一个趋于从另一个吸引电子，因而二者会形成不同的充电电位。

　　摩擦起电是一个机械过程，依靠相对表面移动传送电量。传送的电量取决于接触的次数、表面粗糙度、湿度、接触压力、摩擦物质的摩擦特性以及相对运动速度。

　　两个带上电荷的物体也就成了静电源。就人体而言，衣服与皮肤之间的磨擦发生的静电是人体带电的主要原因之一。

　　静电源跟其它物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。这个高速电量的传送过程中，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场，严重时将其中物体击毁。这就是静电放电。

　　静电感应带电：CRT显示器电容改变压电效应电磁辐射感应静电只存在于物体表面，而非物体内部，绝缘体中的电荷只保持在产生静电的那些区域，而不会出现在整个表面。因而绝缘体接地后不会失去这些电荷。与绝缘体相反，充电导体接地后便会失去自身电荷。

如果将导体瞬间接地（例如，该物体被站立在地上的人触摸），那么远离带电体表面的电荷就会释放，则导体将带正电荷。

.ESD引起集成电路损伤的三种途径

(1)人体活动引起的摩擦起电是重要的静电来源，带静电的操作者与器件接触并通过器件放电。

(2)器件与用绝缘材料制作的包装袋、传递盒和传送带等摩擦，使器件本身带静电，它与人体或地接触时发生的静电放电。

(3)当器件处在很强的静电场中时，因静电感应在器件内部的芯片上将感应出很高的电位差，从而引起芯片内部薄氧化层的击穿。或者某一管脚与地相碰也会发生静电放电。

根据上述三种ESD的损伤途径，建立了三种ESD损伤模型：人体带电模型、器件带电模型和场感应模型。其中人体模型是主要的。

ESD损伤的失效模式

(1)双极型数字电路a.输入端漏电流增加b.参数退化c.失去功能,其中对带有肖特基管的STTL和LSTTL电路更为敏感。

(2)双极型线性电路a.输入失调电压增大b.输入失调电流增大c.MOS电容(补偿电容)漏电或短路d.失去功能。

(3)MOS集成电路a.输入端漏电流增大b.输出端漏电流增大c.静态功耗电流增大d.失去功能。(4)双极型单稳电路和振荡器电路a.单稳电路的单稳时间发生变化b.振荡器的振荡频率发生变化c.R.C连接端对地出现反向漏电。

ESD对集成电路的损坏形式

a.MOS电路输入端保护电路的二极管出现反向漏电流增大

b.输入端MOS管发生栅穿

c.MOS电路输入保护电路中的保护电阻或接触孔发生烧毁

d.引起ROM电路或PAL电路中的熔断丝熔断

e.集成电路内部的MOS电容器发生栅穿

f.运算放大器输入端(对管)小电流放大系数减小

g.集成电路内部的精密电阻的阻值发生漂移

h.与外接端子相连的铝条被熔断

i.引起多层布线间的介质击穿(例如：输入端铝条与n+、间的介质击穿)

ESD损伤机理

(1)电压型损伤

a.栅氧化层击穿(MOS电路输入端、MOS电容)

b.气体电弧放电引起的损坏(芯片上键合根部、金属化条的最窄间距处、声表面波器件的梳状电极条间)

c.输入端多晶硅电阻与铝金属化条间的介质击穿

d.输入/输出端n+扩区与铝金属化条间的介质击穿。

(2)电流型损伤a.PN结短路(MOS电路输入端保护二极管、线性电路输入端保护网络)

b.铝条和多晶硅条在大电流作用下的损伤(主要在多晶硅条拐弯处和多晶硅条与铝的接触孔)

c.多晶硅电阻和硅上薄膜电阻的阻值漂移(主要是高精度运放和A/D、D/A电路)

ESD损伤实例最容易受到静电放电损伤的集成电路有：CCD、EPROM、微波集成电路、高精度运算放大器、带有MOS电容的放大器、H C、HCT、LSI、VLSI、精密稳压电路、A/D和D/A电路、普通MOS和CMOS、STTL、LSTTL等。