過(guò)電應(yīng)力器件、電路與系統(tǒng)（EOS）

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譯者序

作者簡(jiǎn)介

原書(shū)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(chǎng)返回——EOS百分比2

1.1.3產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)返回——無(wú)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(lèi)3

1.1.6過(guò)電流5

1.1.7過(guò)電壓5

1.1.8過(guò)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(jiàn)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(diǎn)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(guò)熱應(yīng)力17

1.11.1EOS與過(guò)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(jì)框20

1.12.3可縮放的ESD設(shè)計(jì)框20

1.12.4加載電壓、觸發(fā)電壓和絕對(duì)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(xiàn)24

第2章EOS模型基本原理30

2.1熱時(shí)間常數(shù)30

2.1.1熱擴(kuò)散時(shí)間30

2.1.2絕熱區(qū)時(shí)間常數(shù)31

2.1.3熱擴(kuò)散區(qū)時(shí)間常數(shù)32

2.1.4穩(wěn)態(tài)時(shí)間常數(shù)32

2.2脈沖時(shí)間常數(shù)32

2.2.1ESD HBM脈沖時(shí)間常數(shù)32

2.2.2ESD MM脈沖時(shí)間常數(shù)33

2.2.3ESD充電器件模型脈沖時(shí)間常數(shù)33

2.2.4ESD脈沖時(shí)間常數(shù)——傳輸線脈沖33

2.2.5ESD脈沖時(shí)間常數(shù)——超快傳輸線脈沖34

2.2.6IEC61000-4-2脈沖時(shí)間常數(shù) 34

2.2.7電纜放電事件脈沖時(shí)間常數(shù) 34

2.2.8IEC61000-4-5脈沖時(shí)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(kuò)散偏微分方程39

2.3.4EOS數(shù)學(xué)方法——帶變系數(shù)的熱擴(kuò)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(shí)間區(qū)域的Tasca模型49

2.4.2EOS時(shí)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(shí)間區(qū)域的Wunsch-Bell模型53

2.5.3EOS時(shí)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(shí)域的Dwyer-Franklin-Campbell模型60

2.8.2EOS時(shí)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(xiàn)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(kāi)關(guān)、繼電器和線圈72

3.1.4EOS源——開(kāi)關(guān)電源72

3.1.5EOS源——機(jī)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(dòng)機(jī)73

3.1.9EOS源——變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)75

3.1.10EOS源——電纜 75

3.2EOS失效機(jī)制76

3.2.1EOS失效機(jī)制：半導(dǎo)體工藝—應(yīng)用適配76

3.2.2EOS失效機(jī)制：綁定線失效76

3.2.3EOS失效機(jī)制：從PCB到芯片的失效77

3.2.4EOS失效機(jī)制：外接負(fù)載到芯片失效78

3.2.5EOS失效機(jī)制：反向插入失效78

3.3失效機(jī)制——閂鎖或EOS78

3.3.1閂鎖與EOS設(shè)計(jì)窗口79

3.4失效機(jī)制——充電板模型或EOS79

3.5總結(jié)及綜述80

參考文獻(xiàn)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(shí)情發(fā)現(xiàn)85

4.1.2EOS失效分析——失效分析報(bào)告及文檔86

4.1.3EOS失效分析——故障點(diǎn)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(wú)損檢測(cè)方法92

4.2.2EOS失效分析——有損檢測(cè)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(duì)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(jí)成像電流分析工具103

4.3總結(jié)及綜述105

參考文獻(xiàn)106

第5章EOS測(cè)試和仿真109

5.1ESD測(cè)試——器件級(jí)109

5.1.1ESD測(cè)試——人體模型109

5.1.2ESD測(cè)試——機(jī)器模型111

5.1.3ESD測(cè)試——帶電器件模型113

5.2傳輸線脈沖測(cè)試114

5.2.1ESD測(cè)試——傳輸線脈沖115

5.2.2ESD測(cè)試——超高速傳輸線脈沖117

5.3ESD測(cè)試——系統(tǒng)級(jí)118

5.3.1ESD系統(tǒng)級(jí)測(cè)試——IEC 61000-4-2118

5.3.2ESD測(cè)試——人體金屬模型118

5.3.3ESD測(cè)試——充電板模型119

5.3.4ESD測(cè)試——電纜放電事件120

5.4EOS測(cè)試122

5.4.1EOS測(cè)試——器件級(jí)122

5.4.2EOS測(cè)試——系統(tǒng)級(jí)123

5.5EOS測(cè)試——雷擊123

5.6EOS測(cè)試——IEC 61000-4-5124

5.7EOS測(cè)試——傳輸線脈沖測(cè)試方法和EOS125

5.7.1EOS測(cè)試——長(zhǎng)脈沖TLP測(cè)試方法125

5.7.2EOS測(cè)試——TLP方法、EOS和Wunsch–Bell模型125

5.7.3EOS測(cè)試——對(duì)于系統(tǒng)EOS評(píng)估的TLP方法的局限125

5.7.4EOS測(cè)試——電磁脈沖126

5.8EOS測(cè)試——直流和瞬態(tài)閂鎖126

5.9EOS測(cè)試——掃描方法127

5.9.1EOS測(cè)試——敏感度和脆弱度127

5.9.2EOS測(cè)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(xiàn)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(jī)制141

6.1.4CMOS工藝——保護(hù)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(jī)制151

6.2.4RF CMOS和雙極技術(shù)——保護(hù)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(cè)量159

6.3.3LDMOS工藝——安全工作區(qū)160

6.3.4LDMOS工藝——失效機(jī)制160

6.3.5LDMOS工藝——保護(hù)電路162

6.3.6LDMOS工藝——閂鎖163

6.4總結(jié)和綜述164

參考文獻(xiàn)164

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

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

7.2產(chǎn)品定義流程和技術(shù)評(píng)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(jì)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(jì) 168

7.5EOS產(chǎn)品定義流程——自頂向下的設(shè)計(jì) 169

7.6片上EOS注意事項(xiàng)——焊盤(pán)和綁定線設(shè)計(jì)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(jì)——符合IEC規(guī)范電網(wǎng)和互連設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)174

7.8.1IEC 61000-4-2電源網(wǎng)絡(luò)175

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

7.9PCB設(shè)計(jì)177

7.9.1系統(tǒng)級(jí)電路板設(shè)計(jì)——接地設(shè)計(jì)177

7.9.2系統(tǒng)卡插入式接觸 178

7.9.3元件和EOS保護(hù)器件布局178

7.10總結(jié)和綜述 179

參考文獻(xiàn)179

第8章EOS設(shè)計(jì)——芯片級(jí)電路設(shè)計(jì)181

8.1EOS保護(hù)器件 181

8.2EOS保護(hù)器件分類(lèi)特性181

8.2.1EOS保護(hù)器件分類(lèi)——電壓抑制器件182

8.2.2EOS保護(hù)器件——限流器件 182

8.3EOS保護(hù)器件——方向性184

8.3.1EOS保護(hù)器件——單向184

8.3.2EOS保護(hù)器件——雙向184

8.4EOS保護(hù)器件分類(lèi)——I-V特性類(lèi)型 185

8.4.1EOS保護(hù)器件分類(lèi)——正電阻I-V特性類(lèi)型185

8.4.2EOS保護(hù)器件分類(lèi)——S形I-V特性類(lèi)型 186

8.5EOS保護(hù)器件設(shè)計(jì)窗口187

8.5.1EOS保護(hù)器件與ESD器件設(shè)計(jì)窗口187

8.5.2EOS與ESD協(xié)同綜合 188

8.5.3EOS啟動(dòng)ESD電路 188

8.6EOS保護(hù)器件——電壓抑制器件的類(lèi)型 188

8.6.1EOS保護(hù)器件——TVS器件189

8.6.2EOS保護(hù)器件——二極管189

8.6.3EOS保護(hù)器件——肖特基二極管189

8.6.4EOS保護(hù)器件——齊納二極管190

8.6.5EOS保護(hù)器件——晶閘管浪涌保護(hù)器件190

8.6.6EOS保護(hù)器件——金屬氧化物變阻器 191

8.6.7EOS保護(hù)器件——氣體放電管器件192

8.7EOS保護(hù)器件——限流器件類(lèi)型 194

8.7.1EOS保護(hù)器件——限流器件——PTC器件194

8.7.2EOS保護(hù)器件——導(dǎo)電聚合物器件 195

8.7.3EOS保護(hù)器件——限流器件——熔絲197

8.7.4EOS保護(hù)器件——限流器件——電子熔絲198

8.7.5EOS保護(hù)器件——限流器件——斷路器198

8.8EOS保護(hù)——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(xiàn)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(jì)過(guò)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(cè)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(jì)210

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

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

9.8.3EOS和EMI預(yù)防——PCB設(shè)計(jì)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(jì)方案213

9.10.1EOS預(yù)防——運(yùn)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(dòng)的過(guò)電流和過(guò)電壓保護(hù)電路214

9.10.4EOS預(yù)防——電源EOC和EOV保護(hù)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(xiàn)219

第10章EOS設(shè)計(jì)——電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化223

10.1EOS和EDA 223

10.2EOS和ESD設(shè)計(jì)規(guī)則檢查223

10.2.1ESD設(shè)計(jì)規(guī)則檢查 223

10.2.2ESD版圖與原理圖驗(yàn)證224

10.2.3ESD電氣規(guī)則檢查225

10.3EOS電氣設(shè)計(jì)自動(dòng)化226

10.3.1EOS設(shè)計(jì)規(guī)則檢查226

10.3.2EOS版圖與原理圖對(duì)照驗(yàn)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(jì)檢查和驗(yàn)證229

10.5EOS和閂鎖設(shè)計(jì)規(guī)則檢查231

10.5.1閂鎖設(shè)計(jì)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(xiàn)239

第11章EOS項(xiàng)目管理242

11.1EOS審核和生產(chǎn)的控制242

11.2生產(chǎn)過(guò)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(jì)發(fā)布 245

11.6.1EOS設(shè)計(jì)發(fā)布過(guò)程246

11.6.2ESD詳盡手冊(cè)246

11.6.3EOS詳盡手冊(cè)248

11.6.4EOS檢查表250

11.6.5EOS設(shè)計(jì)審查252

11.7EOS設(shè)計(jì)、測(cè)試和認(rèn)證253

11.8總結(jié)和綜述253

參考文獻(xiàn)253

第12章未來(lái)技術(shù)中的過(guò)電應(yīng)力256

12.1未來(lái)工藝中的EOS影響256

12.2先進(jìn)CMOS工藝中的EOS257

12.2.1FinFET技術(shù)中的EOS257

12.2.2EOS和電路設(shè)計(jì)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(jī)265

12.5.1微機(jī)電器件265

12.5.2MEM器件中的ESD擔(dān)憂266

12.5.3微型電動(dòng)機(jī)267

12.5.4微型電動(dòng)機(jī)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(chǔ)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(xiàn)274

附錄280

附錄A術(shù)語(yǔ)表280

附錄B標(biāo)準(zhǔn)284