過電應(yīng)力器件、電路與系統(tǒng)（EOS）

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譯者序

作者簡介

原書前言

致謝

第1章EOS基本原理1

1.1EOS1

1.1.1EOS成本2

1.1.2產(chǎn)品現(xiàn)場返回——EOS百分比2

1.1.3產(chǎn)品現(xiàn)場返回——無缺陷與EOS3

1.1.4產(chǎn)品失效——集成電路的失效3

1.1.5EOS事件的分類3

1.1.6過電流5

1.1.7過電壓5

1.1.8過電功率5

1.2EOS解密6

1.2.1EOS事件6

1.3EOS源7

1.3.1制造環(huán)境中的EOS源7

1.3.2生產(chǎn)環(huán)境中的EOS源8

1.4EOS的誤解8

1.5EOS源最小化9

1.6EOS減緩9

1.7EOS損傷跡象10

1.7.1EOS損傷跡象——電氣特征10

1.7.2EOS損傷跡象——可見特征10

1.8EOS與ESD11

1.8.1大/小電流EOS與ESD事件比較12

1.8.2EOS與ESD的差異 12

1.8.3EOS與ESD的相同點14

1.8.4大/小電流EOS與ESD波形比較14

1.8.5EOS與ESD事件失效損傷比較14

1.9EMI16

1.10EMC16

1.11過熱應(yīng)力17

1.11.1EOS與過熱應(yīng)力17

1.11.2溫度相關(guān)的EOS18

1.11.3EOS與熔融溫度18

1.12工藝等比例縮小的可靠性19

1.12.1工藝等比例縮小可靠性與浴盆曲線可靠性19

1.12.2可縮放的可靠性設(shè)計框20

1.12.3可縮放的ESD設(shè)計框20

1.12.4加載電壓、觸發(fā)電壓和絕對最大電壓20

1.13安全工作區(qū)21

1.13.1電氣安全工作區(qū)22

1.13.2熱安全工作區(qū)22

1.13.3瞬態(tài)安全工作區(qū)22

1.14總結(jié)及綜述 23

參考文獻24

第2章EOS模型基本原理30

2.1熱時間常數(shù)30

2.1.1熱擴散時間30

2.1.2絕熱區(qū)時間常數(shù)31

2.1.3熱擴散區(qū)時間常數(shù)32

2.1.4穩(wěn)態(tài)時間常數(shù)32

2.2脈沖時間常數(shù)32

2.2.1ESD HBM脈沖時間常數(shù)32

2.2.2ESD MM脈沖時間常數(shù)33

2.2.3ESD充電器件模型脈沖時間常數(shù)33

2.2.4ESD脈沖時間常數(shù)——傳輸線脈沖33

2.2.5ESD脈沖時間常數(shù)——超快傳輸線脈沖34

2.2.6IEC61000-4-2脈沖時間常數(shù) 34

2.2.7電纜放電事件脈沖時間常數(shù) 34

2.2.8IEC61000-4-5脈沖時間常數(shù) 35

2.3EOS數(shù)學(xué)方法 35

2.3.1EOS數(shù)學(xué)方法——格林函數(shù)35

2.3.2EOS數(shù)學(xué)方法——圖像法37

2.3.3EOS數(shù)學(xué)方法——熱擴散偏微分方程39

2.3.4EOS數(shù)學(xué)方法——帶變系數(shù)的熱擴散偏微分方程39

2.3.5EOS數(shù)學(xué)方法——Duhamel公式39

2.3.6EOS數(shù)學(xué)方法——熱傳導(dǎo)方程積分變換43

2.4球面模型——Tasca推導(dǎo)46

2.4.1ESD時間區(qū)域的Tasca模型49

2.4.2EOS時間區(qū)域的Tasca模型49

2.4.3Vlasov-Sinkevitch模型50

2.5一維模型——Wunsch-Bell推導(dǎo)50

2.5.1Wunsch-Bell曲線53

2.5.2ESD時間區(qū)域的Wunsch-Bell模型53

2.5.3EOS時間區(qū)域的Wunsch-Bell模型54

2.6Ash模型 54

2.7圓柱模型——Arkhipov-Astvatsaturyan-Godovsyn-Rudenko推導(dǎo) 55

2.8三維平行六面模型——Dwyer-Franklin-Campbell推導(dǎo)55

2.8.1ESD時域的Dwyer-Franklin-Campbell模型60

2.8.2EOS時域的Dwyer-Franklin-Campbell模型60

2.9電阻模型——Smith-Littau推導(dǎo)61

2.10不穩(wěn)定性63

2.10.1電氣不穩(wěn)定性63

2.10.2電氣擊穿 64

2.10.3電氣不穩(wěn)定性與驟回64

2.10.4熱不穩(wěn)定性65

2.11電遷移與EOS67

2.12總結(jié)及綜述 67

參考文獻68

第3章EOS、ESD、EMI、EMC及閂鎖70

3.1EOS源70

3.1.1EOS源——雷擊71

3.1.2EOS源——配電72

3.1.3EOS源——開關(guān)、繼電器和線圈72

3.1.4EOS源——開關(guān)電源72

3.1.5EOS源——機械設(shè)備73

3.1.6EOS源——執(zhí)行器 73

3.1.7EOS源——螺線管 73

3.1.8EOS源——伺服電動機73

3.1.9EOS源——變頻驅(qū)動電動機75

3.1.10EOS源——電纜 75

3.2EOS失效機制76

3.2.1EOS失效機制：半導(dǎo)體工藝—應(yīng)用適配76

3.2.2EOS失效機制：綁定線失效76

3.2.3EOS失效機制：從PCB到芯片的失效77

3.2.4EOS失效機制：外接負載到芯片失效78

3.2.5EOS失效機制：反向插入失效78

3.3失效機制——閂鎖或EOS78

3.3.1閂鎖與EOS設(shè)計窗口79

3.4失效機制——充電板模型或EOS79

3.5總結(jié)及綜述80

參考文獻80

第4章EOS失效分析83

4.1EOS失效分析83

4.1.1EOS失效分析——信息搜集與實情發(fā)現(xiàn)85

4.1.2EOS失效分析——失效分析報告及文檔86

4.1.3EOS失效分析——故障點定位 87

4.1.4EOS失效分析——根本原因分析87

4.1.5EOS或ESD失效分析——可視化失效分析的差異87

4.2EOS失效分析——選擇正確的工具91

4.2.1EOS失效分析——無損檢測方法92

4.2.2EOS失效分析——有損檢測方法93

4.2.3EOS失效分析——差分掃描量熱法93

4.2.4EOS失效分析——掃描電子顯微鏡/能量色散X射線光譜儀94

4.2.5EOS失效分析——傅里葉變換紅外光譜儀94

4.2.6EOS失效分析——離子色譜法 94

4.2.7EOS失效分析——光學(xué)顯微鏡 95

4.2.8EOS失效分析——掃描電子顯微鏡96

4.2.9EOS失效分析——透射電子顯微鏡96

4.2.10EOS失效分析——微光顯微鏡工具97

4.2.11EOS失效分析——電壓對比工具98

4.2.12EOS失效分析——紅外熱像儀98

4.2.13EOS失效分析——光致電阻變化工具99

4.2.14EOS失效分析——紅外-光致電阻變化工具99

4.2.15EOS失效分析——熱致電壓變化工具100

4.2.16EOS失效分析——原子力顯微鏡工具101

4.2.17EOS失效分析——超導(dǎo)量子干涉儀顯微鏡102

4.2.18EOS失效分析——皮秒級成像電流分析工具103

4.3總結(jié)及綜述105

參考文獻106

第5章EOS測試和仿真109

5.1ESD測試——器件級109

5.1.1ESD測試——人體模型109

5.1.2ESD測試——機器模型111

5.1.3ESD測試——帶電器件模型113

5.2傳輸線脈沖測試114

5.2.1ESD測試——傳輸線脈沖115

5.2.2ESD測試——超高速傳輸線脈沖117

5.3ESD測試——系統(tǒng)級118

5.3.1ESD系統(tǒng)級測試——IEC 61000-4-2118

5.3.2ESD測試——人體金屬模型118

5.3.3ESD測試——充電板模型119

5.3.4ESD測試——電纜放電事件120

5.4EOS測試122

5.4.1EOS測試——器件級122

5.4.2EOS測試——系統(tǒng)級123

5.5EOS測試——雷擊123

5.6EOS測試——IEC 61000-4-5124

5.7EOS測試——傳輸線脈沖測試方法和EOS125

5.7.1EOS測試——長脈沖TLP測試方法125

5.7.2EOS測試——TLP方法、EOS和Wunsch–Bell模型125

5.7.3EOS測試——對于系統(tǒng)EOS評估的TLP方法的局限125

5.7.4EOS測試——電磁脈沖126

5.8EOS測試——直流和瞬態(tài)閂鎖126

5.9EOS測試——掃描方法127

5.9.1EOS測試——敏感度和脆弱度127

5.9.2EOS測試——靜電放電/電磁兼容性掃描127

5.9.3電磁干擾輻射掃描法129

5.9.4射頻抗擾度掃描法130

5.9.5諧振掃描法131

5.9.6電流傳播掃描法131

5.10總結(jié)及綜述134

參考文獻134

第6章EOS魯棒性——半導(dǎo)體工藝139

6.1EOS和CMOS工藝139

6.1.1CMOS工藝——結(jié)構(gòu) 139

6.1.2CMOS工藝——安全工作區(qū)140

6.1.3CMOS工藝——EOS和ESD失效機制141

6.1.4CMOS工藝——保護電路144

6.1.5CMOS工藝——絕緣體上硅148

6.1.6CMOS工藝——閂鎖149

6.2EOS、射頻CMOS以及雙極技術(shù)150

6.2.1RF CMOS和雙極技術(shù)——結(jié)構(gòu)151

6.2.2RF CMOS和雙極技術(shù)——安全工作區(qū)151

6.2.3RF CMOS和雙極工藝——EOS和ESD失效機制151

6.2.4RF CMOS和雙極技術(shù)——保護電路155

6.3EOS和LDMOS電源技術(shù)156

6.3.1LDMOS工藝——結(jié)構(gòu)156

6.3.2LDMOS晶體管——ESD電氣測量159

6.3.3LDMOS工藝——安全工作區(qū)160

6.3.4LDMOS工藝——失效機制160

6.3.5LDMOS工藝——保護電路162

6.3.6LDMOS工藝——閂鎖163

6.4總結(jié)和綜述164

參考文獻164

第7章EOS設(shè)計——芯片級設(shè)計和布圖規(guī)劃165

7.1EOS和ESD協(xié)同綜合——如何進行EOS和ESD設(shè)計165

7.2產(chǎn)品定義流程和技術(shù)評估 166

7.2.1標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品確定流程 166

7.2.2EOS產(chǎn)品設(shè)計流程和產(chǎn)品定義 167

7.3EOS產(chǎn)品定義流程——恒定可靠性等比例縮小168

7.4EOS產(chǎn)品定義流程——自底向上的設(shè)計 168

7.5EOS產(chǎn)品定義流程——自頂向下的設(shè)計 169

7.6片上EOS注意事項——焊盤和綁定線設(shè)計170

7.7EOS外圍I/O布圖規(guī)劃 171

7.7.1EOS周邊I/O布圖規(guī)劃——拐角中VDD-VSS電源鉗位的布局171

7.7.2EOS周邊I/O布圖規(guī)劃——離散式電源鉗位的布局173

7.7.3EOS周邊I/O布圖規(guī)劃——多域半導(dǎo)體芯片173

7.8EOS芯片電網(wǎng)設(shè)計——符合IEC規(guī)范電網(wǎng)和互連設(shè)計注意事項174

7.8.1IEC 61000-4-2電源網(wǎng)絡(luò)175

7.8.2ESD電源鉗位設(shè)計綜合——IEC 61000-4-2相關(guān)的ESD電源鉗位176

7.9PCB設(shè)計177

7.9.1系統(tǒng)級電路板設(shè)計——接地設(shè)計177

7.9.2系統(tǒng)卡插入式接觸 178

7.9.3元件和EOS保護器件布局178

7.10總結(jié)和綜述 179

參考文獻179

第8章EOS設(shè)計——芯片級電路設(shè)計181

8.1EOS保護器件 181

8.2EOS保護器件分類特性181

8.2.1EOS保護器件分類——電壓抑制器件182

8.2.2EOS保護器件——限流器件 182

8.3EOS保護器件——方向性184

8.3.1EOS保護器件——單向184

8.3.2EOS保護器件——雙向184

8.4EOS保護器件分類——I-V特性類型 185

8.4.1EOS保護器件分類——正電阻I-V特性類型185

8.4.2EOS保護器件分類——S形I-V特性類型 186

8.5EOS保護器件設(shè)計窗口187

8.5.1EOS保護器件與ESD器件設(shè)計窗口187

8.5.2EOS與ESD協(xié)同綜合 188

8.5.3EOS啟動ESD電路 188

8.6EOS保護器件——電壓抑制器件的類型 188

8.6.1EOS保護器件——TVS器件189

8.6.2EOS保護器件——二極管189

8.6.3EOS保護器件——肖特基二極管189

8.6.4EOS保護器件——齊納二極管190

8.6.5EOS保護器件——晶閘管浪涌保護器件190

8.6.6EOS保護器件——金屬氧化物變阻器 191

8.6.7EOS保護器件——氣體放電管器件192

8.7EOS保護器件——限流器件類型 194

8.7.1EOS保護器件——限流器件——PTC器件194

8.7.2EOS保護器件——導(dǎo)電聚合物器件 195

8.7.3EOS保護器件——限流器件——熔絲197

8.7.4EOS保護器件——限流器件——電子熔絲198

8.7.5EOS保護器件——限流器件——斷路器198

8.8EOS保護——使用瞬態(tài)電壓抑制器件和肖特基二極管跨接電路板的電源和地200

8.9EOS和ESD協(xié)同綜合網(wǎng)絡(luò)200

8.10電纜和PCB中的EOS協(xié)同綜合201

8.11總結(jié)和綜述 202

參考文獻202

第9章EOS的預(yù)防和控制204

9.1控制EOS 204

9.1.1制造中的EOS控制 204

9.1.2生產(chǎn)中的EOS控制 204

9.1.3后端工藝中的EOS控制205

9.2EOS最小化206

9.2.1EOS預(yù)防——制造區(qū)域操作 207

9.2.2EOS預(yù)防——生產(chǎn)區(qū)域操作 208

9.3EOS最小化——設(shè)計過程中的預(yù)防措施209

9.4EOS預(yù)防——EOS方針和規(guī)則 209

9.5EOS預(yù)防——接地測試209

9.6EOS預(yù)防——互連210

9.7EOS預(yù)防——插入210

9.8EOS和EMI預(yù)防——PCB設(shè)計210

9.8.1EOS和EMI預(yù)防——PCB電源層和接地設(shè)計210

9.8.2EOS和EMI預(yù)防——PCB設(shè)計指南——器件挑選和布局211

9.8.3EOS和EMI預(yù)防——PCB設(shè)計準(zhǔn)則——線路布線與平面211

9.9EOS預(yù)防——主板213

9.10EOS預(yù)防——板上和片上設(shè)計方案213

9.10.1EOS預(yù)防——運算放大器213

9.10.2EOS預(yù)防——低壓差穩(wěn)壓器214

9.10.3EOS預(yù)防——軟啟動的過電流和過電壓保護電路214

9.10.4EOS預(yù)防——電源EOC和EOV保護215

9.11高性能串行總線和EOS217

9.11.1高性能串行總線——FireWire和EOS218

9.11.2高性能串行總線——PCI和EOS218

9.11.3高性能串行總線——USB和EOS219

9.12總結(jié)和綜述219

參考文獻219

第10章EOS設(shè)計——電子設(shè)計自動化223

10.1EOS和EDA 223

10.2EOS和ESD設(shè)計規(guī)則檢查223

10.2.1ESD設(shè)計規(guī)則檢查 223

10.2.2ESD版圖與原理圖驗證224

10.2.3ESD電氣規(guī)則檢查225

10.3EOS電氣設(shè)計自動化226

10.3.1EOS設(shè)計規(guī)則檢查226

10.3.2EOS版圖與原理圖對照驗證227

10.3.3EOS電氣規(guī)則檢查228

10.3.4EOS可編程電氣規(guī)則檢查229

10.4PCB設(shè)計檢查和驗證229

10.5EOS和閂鎖設(shè)計規(guī)則檢查231

10.5.1閂鎖設(shè)計規(guī)則檢查 231

10.5.2閂鎖電氣規(guī)則檢查 235

10.6總結(jié)和綜述238

參考文獻239

第11章EOS項目管理242

11.1EOS審核和生產(chǎn)的控制242

11.2生產(chǎn)過程中的EOS控制243

11.3EOS和組裝廠糾正措施244

11.4EOS審核——從制造到組裝控制244

11.5EOS程序——周、月、季度到年度審核245

11.6EOS和ESD設(shè)計發(fā)布 245

11.6.1EOS設(shè)計發(fā)布過程246

11.6.2ESD詳盡手冊246

11.6.3EOS詳盡手冊248

11.6.4EOS檢查表250

11.6.5EOS設(shè)計審查252

11.7EOS設(shè)計、測試和認證253

11.8總結(jié)和綜述253

參考文獻253

第12章未來技術(shù)中的過電應(yīng)力256

12.1未來工藝中的EOS影響256

12.2先進CMOS工藝中的EOS257

12.2.1FinFET技術(shù)中的EOS257

12.2.2EOS和電路設(shè)計258

12.32.5-D和3-D系統(tǒng)中的EOS意義258

12.3.12.5-D中的EOS意義259

12.3.2EOS和硅介質(zhì)層 259

12.3.3EOS和硅通孔260

12.3.43-D系統(tǒng)的EOS意義262

12.4EOS和磁記錄263

12.4.1EOS和磁電阻263

12.4.2EOS和巨磁電阻265

12.4.3EOS和隧道磁電阻265

12.5EOS和微機265

12.5.1微機電器件265

12.5.2MEM器件中的ESD擔(dān)憂266

12.5.3微型電動機267

12.5.4微型電動機中的ESD擔(dān)憂267

12.6EOS和RF-MEMS269

12.7納米結(jié)構(gòu)的EOS意義270

12.7.1EOS和相變存儲器270

12.7.2EOS和石墨烯272

12.7.3EOS和碳納米管272

12.8總結(jié)和綜述273

參考文獻274

附錄280

附錄A術(shù)語表280

附錄B標(biāo)準(zhǔn)284