防静电应用

nullnull静电是自然界普遍存在的瞬态强电脉冲，其频率在1MHz～500MHz之间3.2 防静电应用 静电无处不在 null摩擦：具有不同介电常数的物体之间，接触 感应：带电体与导体之间，非接触3.2 防静电应用 静电产生:形成方式 null摩擦时，电子从较上的物质转向较下的物质，使较上的物质带正电荷，较下的物质带负电荷 物质离得越远，摩擦产生的电荷量越大静电产生: 摩擦起电序列中性正电荷逐渐增加负电荷逐渐增加null人在地毯上行走产生静电 鞋底与地毯摩擦产生静电，并逐渐传输到整个人体 鞋与地毯的性质差距越大，走得越快，走的距离越远，环境湿度越小，则产生的静电就越大3.2 防静电应用 静电产生:实例null人体及其衣服：接触面广，活动范围大，与大地之间的电容小(150pF左右)，串联电阻低(150Ω左右)，放电电流可达几十A，上升速度小于ns 器件载体：包装容器（袋、盒、包），夹具，传送导轨 周边环境：工作台，椅子，地板，焊接工具，装配工具 3.2 防静电应用 静电产生:主要来源 null运动的速度 材料性质的差异 （化纤比棉织品严重） 物体之间的电容 环境湿度 （北方比南方严重，内陆比沿海严重） 物体的电阻 3.2 防静电应用 静电产生:影响因素 null3.2 防静电应用 静电放电:定义 什么是静电放电？ ESD：Electric Static Discharge 静电放电是具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移（GB/T4365-1995)静电放电导致芯片损坏null3.2 防静电应用 静电放电:基本过程 静电荷的产生 若一个电源对100pF的电容充以10-7C的电荷，可使其端电压达到100V，存贮能量50uJ静电荷的保持与泄漏 若介质漏电电阻Rg和空气放电电阻Ra之和为1013量级，则放电时间常数为103s左右 若电容不能耐1000V的电压，即会被击穿静电荷的泻放 若放电电阻为100欧姆，则放电时间常数为10ns,放电电流峰值可达10A，平均功率可达1000W 若放电通道上的器件忍受不了这么大的电流，即会被烧毁null 人体对器件放电（Human-Body Model，HBM）：发生概率最大，常作为测试标准 机器对器件的放电（Machine Model，MM）：放电电阻小，破坏力大 带电器件的放电（Charged-Device Model，CDM）：器件通过摩擦或接触带电 场致放电（Field-Induced Model）：器件通过静电感应带电 3.2 防静电应用 静电放电:主要形式人体放电的典型波形带电器件放电的典型波形null3.2 防静电应用 静电放电:人体的静电放电如果接受者是元器件，就会对元器件带来损伤或者破坏null3.2 防静电应用 静电放电:对人体的损害null 人在地毯上行走：鞋与地毯摩擦产生静电(假定为正电荷) 人体电荷重新分布：脚带正电荷，手带负电荷 人手接近(或触摸)键盘：键盘通过感应(或传导)带正电荷(或负电荷)，接近速度越快，距离越近，电荷越多 键盘对地放电或辉光放电：键盘上的元器件损坏 3.2 防静电应用 静电放电:人行走-键盘模型 null3.2 防静电应用 静电放电:器件抗静电能力测试I/O-to-VDD/VSSPin-to-PinVDD-to-VSSnull3.2 防静电应用 静电失效:失效模式 pn结击穿金属化失效键合线开路突发失效（catastrophic damage)：单次高电压，功能即时丧失 隐性失效（latent damage):多次低电压，寿命缩短，抗应力能力下降null 现象：MOS器件栅击穿，双极器件pn结击穿 因素：输入电阻越高，输入电容越小，越容易失效 多发器件：超大规模集成电路（薄栅氧化层），超高频功率晶体管（高压，梳状电极），声表面波器件（小间距薄层电极） 3.2 防静电应用 静电失效:过电压场致失效机理 null 现象：直接烧毁，诱发闩锁效应或二次击穿效应 因素：电流截面越小，对地电阻越低，环境温度越高，越容易失效 多发器件：反偏pn结，小面积pn结，高温工作条件 3.2 防静电应用 静电失效:过电流热致失效机理 null甚敏感器件 MOS器件：MOSFET，VDMOS，MOS电容 栅控器件：JFET，SCR 微波与射频器件： GaAs MESFET，HEMT，MIMIC 敏感器件 MOS数字电路：CMOS，NMOS，存储器与微处理器 小信号模拟电路：运算放大器，A/D&D/A 双极数字电路：TTL，STTL，ECL 中等敏感器件 双极器件：pn二极管，双极晶体管 阻容元件3.2 防静电应用 静电敏感性:器件分类 nullMOS 器件比双极器件更容易被静电损坏 输入为绝缘层，无放电通道，静电容易产生及积累 输入电容很小（几pF)，耐压不高（通常在±15V～±40V），积累较少的静电电荷（约100pC）即可发生击穿 栅-源比栅-漏更容易发生击穿，因为在器件的正常工作条件下，栅-源电压的绝对值大于栅-漏电压的绝对值3.2 防静电应用 静电敏感性:CMOS与双极器件nMOSFET VGS>VGDpMOSFET VSG>VDGnull3.2 防静电应用 静电敏感性:发射结与收集结发射结比收集结更容易发生静电放电击穿导致双极晶体管静电放电热破坏的功率密度与脉冲宽度关系曲线发射结理论拟合曲线实验数据收集结理论拟合曲线null3.2 防静电应用 静电敏感性:正偏与反偏pn结正偏pn结 结区压降小，中性区压降大 中性区截面积大，厚度大，故电流密度小，电场强度低，不易发生静电损伤反偏pn结 结区压降大，中性区压降小 结区截面积小，厚度小，故电流密度大，电场强度高，易发生静电损伤null3.2 防静电应用 静电敏感性:温度的影响 对于静电放电热致失效，环境温度越高，发生失效所需的静电能量越低，越容易发生此类失效null3.2 防静电应用 片内静电保护:MOS单管null3.2 防静电应用 片内静电保护:二极管保护电路保护电路实现结构等效电路null3.2 防静电应用片内静电保护:电阻-二极管保护电路保护电路实现结构等效电路null3.2 防静电应用 片内静电保护:FET保护电路利用栅-源短路的MOSFET代替二极管来箝制静电势和泻放静电能利用高阈值电压（40～50V）的p沟道MOSFET的开关特性来进行静电保护利用MOSFET的漏-源穿通特性进行静电保护null3.2 防静电应用 片内静电保护: 扩散与多晶硅电阻 多晶硅电阻：相对较差，因为其周围的氧化层阻碍散热，必须采用更大的条宽，并接近输入端，但因无寄生二极管，抗闩锁能力较强扩散电阻：相对较好，因为其硅衬底可提供有效热阱，但因有寄生二极管，抗闩锁能力较弱null既保护输入端，也保护输出端 既防止正的过电压，也防止负的过电压3.2 防静电应用 片内静电保护: 静电-闩锁双重防护null3.2 防静电应用 片内静电保护: 双极器件对策1尽可能扩大发射区面积和周长，可减少静电损伤静电损伤阈值电压测试电路null3.2 防静电应用 片内静电保护: 双极器件对策2限流电阻箝位二极管null采用箝位二极管限制输入端、电源端、地线端之间不会产生过电压，采用限流电阻限制输入端流入电流 电阻阻值通常在200 Ω ～2kΩ，限制电流<10mA（输入端与输出端）3.2 防静电应用 片外静电保护:限流与限压null3.2 防静电应用 片外静电保护:PCB对策1 采用限流和泄放电阻（对输入阻抗有影响） 采用射级跟随器（对速度有影响）null3.2 防静电应用 片外静电保护:PCB对策2 采用互补放大器（失真度小）采用光电耦合器（隔离地线干扰）null3.2 防静电应用 片外静电保护:PCB插拔保护 null3.2 防静电应用 片外静电保护:插入缓冲器未加缓冲器，静电耐压1～2kV加入缓冲器，静电耐压3～5kVnull静电防护区 I类：静电电位100V II类：静电电位500V III类：静电电位1000V3.2 防静电应用 环境防护:防静电工作区null3.2 防静电应用 环境防护:防静电工作桌 所有的桌垫、腕带、地毯等均通过1MΩ电阻接地null3.2 防静电应用 静电环境防护:防静电台面 推荐标志可用标志标准的防静电标志null防静电材料 不易产生静电 安全泄放静电null3.2 防静电应用 环境防护:湿度影响抗静电能力很弱（如大陆性气候）抗静电能力很好（如海洋性气候，但易被腐蚀）null3.2 防静电应用 环境防护:湿度控制 相对湿度静电电压/kV 湿度：相对湿度最好控制在40～60％，相当于在物体表面覆盖了一层静电耗散材料（带导电杂质的水汽） 离子风：中和表面静电电荷 防静电涂剂：促进静电耗散，减少摩擦生电防静电材料null 接地回路应有足够的载流量 操作人员、导电物体接地必须接有适当阻值的电阻（100k），以保安全 不能与避雷地、交流地共用， 视情况可以与电气保护地、电磁屏蔽地等共用3.2 防静电应用 环境防护:接地控制 null 插拔：禁止带电插拔，插上器件或印刷板后才通电，断电后才拔出器件或印刷板 安装：只接触器件外壳不接触引脚，接触器件前先放电，焊接与装配器具接地 调试：禁止不带电加信号，不要将电源加到非电源端，不要插错腿，不使用的输入端最好接地 动作：尽可能减少动作的频度和速度3.2 防静电应用 环境防护:操作控制 null 包装要求 防止静电的产生和积累 使器件的所有管脚短路 对外电场有屏蔽作用 运送要求 器件间隔离传送 管脚短路传送 尽量减少机械振动和冲击 与传送载体无摩擦3.2 防静电应用 环境防护:包装与运送要求