【详尽指南：集成电路-ESD基础全解-涵盖原理、器件、电路及工艺】

简介：
本指南全面解析集成电路中的ESD（静电放电）问题，深入探讨其原理、相关器件特性、防护电路设计以及制造工艺要点。 ### 集成电路ESD基础知识综合解析 #### 一、ESD简介及危害 静电放电（ESD：Electrostatic Discharge）是集成电路设计与制造领域中的一个重要概念，也是导致电子元器件或系统受到电气损伤的主要原因之一。由于静电放电时电压极高（通常超过几千伏特），这种损害通常是毁灭性的且不可逆的，可能会直接烧毁电路。因此，在IC的设计和生产中防止ESD造成的破坏至关重要。 #### 二、ESD防护机制 为了保护集成电路免受静电影响，设计者会在电路里加入专门的ESD保护元件。这些保护元件能在外部出现静电时起到自我防御的作用，类似于安装“避雷针”。其中，二极管是常用的ESD防护组件之一。 - **PN结击穿**：PN结的击穿可分为电击穿和热击穿两种类型。前者包括雪崩击穿（适用于低浓度材料）及齐纳击穿（适用于高浓度材料）。这两种方式都是由于载流子碰撞产生的新电子—空穴对导致，是可逆的过程。而后者则是不可逆的，因为它会导致硅因过热熔化。 - **限制电流**：为了确保电路的安全性，在保护二极管上通常串联一个高阻抗电阻来控制通过保护元件的最大电流值，避免由于高温引起的损坏。 #### 三、ESD布局与位置 在设计中，用于防止静电的保护电路一般放置于芯片输入端的Pad附近而不是内部。这是因为外部的静电需要尽快被释放掉；如果放在内部可能会导致延迟。此外还可以设置多级防护以提供更高级别的保护措施。 #### 四、ESD测试标准 根据产生方式及其对电路的影响，ESD测试通常分为以下几种类型： 1. **人体放电模式（HBM: Human-Body Model）**：该模型模拟了由于人与物体摩擦产生的静电释放到芯片上的情况。这种现象在日常生活中较为常见。工业界一般采用MIL-STD-883C method 7506标准进行测试，其中规定等效人体电容为100pF，电阻为1.5Kohm。 2. **机器放电模式（MM: Machine Model）**：该模型模拟的是机械设备产生的静电释放。然而随着工艺技术的发展，这种方法逐渐被元件充电模式(CDM)所取代。 3. **元件充电模式（CDM: Charge-Device Model）**：这种测试方式是针对芯片或裸片自身由于摩擦或其他原因积累电荷，在接触接地导体时发生的放电现象进行的。该模型的特点在于时间短、电流脉冲高且波形不固定，不同器件间差异显著。 4. **电场感应模式（FIM: Field-Induced Model）**：这种测试方式相对较少被提及，主要用于描述外部电场变化对集成电路的影响。 #### 五、CDM防护设计难点 1. **自发性**：由于CDM是由内部积累的电荷引起的放电过程由芯片自身结构和电容特性决定，所以其波形没有固定形状。 2. **从内向外释放**：与HBM及MM不同的是，在这种情况下静电是从芯片内部向外部释放。因此需要在设计中考虑如何建立有效的泄流路径来防止过高的电流脉冲。 #### 六、封装后与未封装裸片的CDM差异 对于已经封装好的IC和尚未经过封装处理的裸晶，它们之间存在不同的电荷积累机制及放电特性。针对这两种情况需要采取不同策略进行防护设计。