ESD-EOS 应用技巧

静电放电（Electrostatic Discharge，简称ESD）是由于电荷在芯片或系统中积累而产生的放电过程。该术语也可指芯片能承受的放电容量要求。行业已经对最常用的静电放电过程进行了分类和建模，形成了一系列标准，并为操作环境和工艺提出了要求。

对于芯片级别的ESD要求，当前主要分为人体模型（Human Body Model，HBM）、机器模型（Machine Model，MM）和带电器具模型（Charged Device Model，CDM）。HBM对应人体放电，MM对应机器放电，而CDM则对应硅芯片或系统板级自身的放电。系统级别的ESD也有更严格的评估标准，即IEC61000-4-2。

电气过应力（Electrical Overstress，简称EOS）是一个大家族。全称为电气过应力，指的是硅芯片或系统的运行环境（如电源电压）超出预期的过程。这些过程可能会对硅芯片或系统造成严重损害。导致EOS的原因很多，首先是ESD；其他原因包括因错误的电源操作引起的异常电源供应、由急剧负载变化引起的浪涌，甚至闪电（令人害怕！）。EOS也有其一系列标准。

闩锁效应（Latch-up）是一种常听到的现象，也与芯片损坏有关。它特指芯片内部P型/N型/P型/N型半导体结构组合产生正反馈导通现象，从而生成大电流。

如何具体损害硅芯片？让我们深入探讨导致半导体损坏的两个主要原因：

1. 高电压：过度电压会导致原本隔离的绝缘性能下降。一个典型例子是MOS晶体管的栅极因高电压而击穿，使栅极和沟道不再绝缘。
2. 过热：大多数半导体内的不可逆损坏都归因于过高温度。热量从何而来？功率的时间积分为能量，足够的能量会产生足够的热量。

因此，影响半导体内部损坏的三个变量是电压、电流和时间。只要任何变量得到控制使得总乘积不超过限制，损坏就可以避免。这听起来很简单，对吧？加热损坏的一个典型例子就是闩锁效应。如果当有充足能量供应时发生闩锁效应，例如连续供电，那么电压、电流和时间的乘积超过限制就会导致过热损坏。

关于ESD造成的损坏，如果没有ESD保护装置，非常高的ESD电压将施加到设备上，可能会导致以下结果：

1. 设备无导电性，如栅极，因此高电压将继续作用直到栅极击穿。
2. 当施加到设备上的电压足够高以至于设备具有导电能力时，设备开始提供漏电路径。ESD电荷被释放，主要电压降发生在ESD源处，因此施加到设备上的高电压不再继续增加以达到平衡状态。如果设备的电流、电压和ESD持续时间超过限制，设备将过热并受损。

高电压ESD过程的持续时间通常很短（在几十纳秒到几十微秒之间），高电压所含的能量也很有限（当静电电荷释放完毕后结束）。因此，ESD造成的热损伤通常是局部化的且针对单一目标。当然，系统开机期间的ESD放电也可能从瞬态闩锁转变为持续闩锁。

至于其他类型的EOS，由于不同的原因，其持续时间范围很广。短期EOS的行为类似于ESD，可能造成难以检测的损坏并影响可靠性。然而，长期EOS的能量要大得多，通常会导致严重的多类型芯片损坏，如芯片的大面积熔化、引线键合损坏以及包装碳化。

因此，芯片的ESD保护电路可以有效保护部分与ESD放电相似的EOS过程，但可能不足以应对长期EOS过程。特别是在依赖闩锁来帮助释放能量的保护器件，在长期闩锁期间容易因高温而受损。因此，对抗高能量和长期EOS需要更多专业的保护器件，如能够承受更高功率的TVS钳位器件。

由此我们可以理解，ESD是一种EOS。提高芯片抗ESD的能力可以帮助一些类型的EOS，但这并不意味着万无一失。仍然有必要从应用和系统角度保护EOS，以减少EOS发生的概率并彻底提高系统可靠性。