过电应力器件、电路与系统（EOS）

目   录

译者序

作者简介

原书前言

致谢

第1章EOS基本原理1

1.1EOS1

1.1.1EOS成本2

1.1.2产品现场返回——EOS百分比2

1.1.3产品现场返回——无缺陷与EOS3

1.1.4产品失效——集成电路的失效3

1.1.5EOS事件的分类3

1.1.6过电流5

1.1.7过电压5

1.1.8过电功率5

1.2EOS解密6

1.2.1EOS事件6

1.3EOS源7

1.3.1制造环境中的EOS源7

1.3.2生产环境中的EOS源8

1.4EOS的误解8

1.5EOS源最小化9

1.6EOS减缓9

1.7EOS损伤迹象10

1.7.1EOS损伤迹象——电气特征10

1.7.2EOS损伤迹象——可见特征10

1.8EOS与ESD11

1.8.1大/小电流EOS与ESD事件比较12

1.8.2EOS与ESD的差异 12

1.8.3EOS与ESD的相同点14

1.8.4大/小电流EOS与ESD波形比较14

1.8.5EOS与ESD事件失效损伤比较14

1.9EMI16

1.10EMC16

1.11过热应力17

1.11.1EOS与过热应力17

1.11.2温度相关的EOS18

1.11.3EOS与熔融温度18

1.12工艺等比例缩小的可靠性19

1.12.1工艺等比例缩小可靠性与浴盆曲线可靠性19

1.12.2可缩放的可靠性设计框20

1.12.3可缩放的ESD设计框20

1.12.4加载电压、触发电压和绝对最大电压20

1.13安全工作区21

1.13.1电气安全工作区22

1.13.2热安全工作区22

1.13.3瞬态安全工作区22

1.14总结及综述 23

参考文献24

第2章EOS模型基本原理30

2.1热时间常数30

2.1.1热扩散时间30

2.1.2绝热区时间常数31

2.1.3热扩散区时间常数32

2.1.4稳态时间常数32

2.2脉冲时间常数32

2.2.1ESD HBM脉冲时间常数32

2.2.2ESD MM脉冲时间常数33

2.2.3ESD充电器件模型脉冲时间常数33

2.2.4ESD脉冲时间常数——传输线脉冲33

2.2.5ESD脉冲时间常数——超快传输线脉冲34

2.2.6IEC61000-4-2脉冲时间常数 34

2.2.7电缆放电事件脉冲时间常数 34

2.2.8IEC61000-4-5脉冲时间常数 35

2.3EOS数学方法 35

2.3.1EOS数学方法——格林函数35

2.3.2EOS数学方法——图像法37

2.3.3EOS数学方法——热扩散偏微分方程39

2.3.4EOS数学方法——带变系数的热扩散偏微分方程39

2.3.5EOS数学方法——Duhamel公式39

2.3.6EOS数学方法——热传导方程积分变换43

2.4球面模型——Tasca推导46

2.4.1ESD时间区域的Tasca模型49

2.4.2EOS时间区域的Tasca模型49

2.4.3Vlasov-Sinkevitch模型50

2.5一维模型——Wunsch-Bell推导50

2.5.1Wunsch-Bell曲线53

2.5.2ESD时间区域的Wunsch-Bell模型53

2.5.3EOS时间区域的Wunsch-Bell模型54

2.6Ash模型 54

2.7圆柱模型——Arkhipov-Astvatsaturyan-Godovsyn-Rudenko推导 55

2.8三维平行六面模型——Dwyer-Franklin-Campbell推导55

2.8.1ESD时域的Dwyer-Franklin-Campbell模型60

2.8.2EOS时域的Dwyer-Franklin-Campbell模型60

2.9电阻模型——Smith-Littau推导61

2.10不稳定性63

2.10.1电气不稳定性63

2.10.2电气击穿 64

2.10.3电气不稳定性与骤回64

2.10.4热不稳定性65

2.11电迁移与EOS67

2.12总结及综述 67

参考文献68

第3章EOS、ESD、EMI、EMC及闩锁70

3.1EOS源70

3.1.1EOS源——雷击71

3.1.2EOS源——配电72

3.1.3EOS源——开关、继电器和线圈72

3.1.4EOS源——开关电源72

3.1.5EOS源——机械设备73

3.1.6EOS源——执行器 73

3.1.7EOS源——螺线管 73

3.1.8EOS源——伺服电动机73

3.1.9EOS源——变频驱动电动机75

3.1.10EOS源——电缆 75

3.2EOS失效机制76

3.2.1EOS失效机制：半导体工艺—应用适配76

3.2.2EOS失效机制：绑定线失效76

3.2.3EOS失效机制：从PCB到芯片的失效77

3.2.4EOS失效机制：外接负载到芯片失效78

3.2.5EOS失效机制：反向插入失效78

3.3失效机制——闩锁或EOS78

3.3.1闩锁与EOS设计窗口79

3.4失效机制——充电板模型或EOS79

3.5总结及综述80

参考文献80

第4章EOS失效分析83

4.1EOS失效分析83

4.1.1EOS失效分析——信息搜集与实情发现85

4.1.2EOS失效分析——失效分析报告及文档86

4.1.3EOS失效分析——故障点定位 87

4.1.4EOS失效分析——根本原因分析87

4.1.5EOS或ESD失效分析——可视化失效分析的差异87

4.2EOS失效分析——选择正确的工具91

4.2.1EOS失效分析——无损检测方法92

4.2.2EOS失效分析——有损检测方法93

4.2.3EOS失效分析——差分扫描量热法93

4.2.4EOS失效分析——扫描电子显微镜/能量色散X射线光谱仪94

4.2.5EOS失效分析——傅里叶变换红外光谱仪94

4.2.6EOS失效分析——离子色谱法 94

4.2.7EOS失效分析——光学显微镜 95

4.2.8EOS失效分析——扫描电子显微镜96

4.2.9EOS失效分析——透射电子显微镜96

4.2.10EOS失效分析——微光显微镜工具97

4.2.11EOS失效分析——电压对比工具98

4.2.12EOS失效分析——红外热像仪98

4.2.13EOS失效分析——光致电阻变化工具99

4.2.14EOS失效分析——红外-光致电阻变化工具99

4.2.15EOS失效分析——热致电压变化工具100

4.2.16EOS失效分析——原子力显微镜工具101

4.2.17EOS失效分析——超导量子干涉仪显微镜102

4.2.18EOS失效分析——皮秒级成像电流分析工具103

4.3总结及综述105

参考文献106

第5章EOS测试和仿真109

5.1ESD测试——器件级109

5.1.1ESD测试——人体模型109

5.1.2ESD测试——机器模型111

5.1.3ESD测试——带电器件模型113

5.2传输线脉冲测试114

5.2.1ESD测试——传输线脉冲115

5.2.2ESD测试——超高速传输线脉冲117

5.3ESD测试——系统级118

5.3.1ESD系统级测试——IEC 61000-4-2118

5.3.2ESD测试——人体金属模型118

5.3.3ESD测试——充电板模型119

5.3.4ESD测试——电缆放电事件120

5.4EOS测试122

5.4.1EOS测试——器件级122

5.4.2EOS测试——系统级123

5.5EOS测试——雷击123

5.6EOS测试——IEC 61000-4-5124

5.7EOS测试——传输线脉冲测试方法和EOS125

5.7.1EOS测试——长脉冲TLP测试方法125

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

5.7.3EOS测试——对于系统EOS评估的TLP方法的局限125

5.7.4EOS测试——电磁脉冲126

5.8EOS测试——直流和瞬态闩锁126

5.9EOS测试——扫描方法127

5.9.1EOS测试——敏感度和脆弱度127

5.9.2EOS测试——静电放电/电磁兼容性扫描127

5.9.3电磁干扰辐射扫描法129

5.9.4射频抗扰度扫描法130

5.9.5谐振扫描法131

5.9.6电流传播扫描法131

5.10总结及综述134

参考文献134

第6章EOS鲁棒性——半导体工艺139

6.1EOS和CMOS工艺139

6.1.1CMOS工艺——结构 139

6.1.2CMOS工艺——安全工作区140

6.1.3CMOS工艺——EOS和ESD失效机制141

6.1.4CMOS工艺——保护电路144

6.1.5CMOS工艺——绝缘体上硅148

6.1.6CMOS工艺——闩锁149

6.2EOS、射频CMOS以及双极技术150

6.2.1RF CMOS和双极技术——结构151

6.2.2RF CMOS和双极技术——安全工作区151

6.2.3RF CMOS和双极工艺——EOS和ESD失效机制151

6.2.4RF CMOS和双极技术——保护电路155

6.3EOS和LDMOS电源技术156

6.3.1LDMOS工艺——结构156

6.3.2LDMOS晶体管——ESD电气测量159

6.3.3LDMOS工艺——安全工作区160

6.3.4LDMOS工艺——失效机制160

6.3.5LDMOS工艺——保护电路162

6.3.6LDMOS工艺——闩锁163

6.4总结和综述164

参考文献164

第7章EOS设计——芯片级设计和布图规划165

7.1EOS和ESD协同综合——如何进行EOS和ESD设计165

7.2产品定义流程和技术评估 166

7.2.1标准产品确定流程 166

7.2.2EOS产品设计流程和产品定义 167

7.3EOS产品定义流程——恒定可靠性等比例缩小168

7.4EOS产品定义流程——自底向上的设计 168

7.5EOS产品定义流程——自顶向下的设计 169

7.6片上EOS注意事项——焊盘和绑定线设计170

7.7EOS外围I/O布图规划 171

7.7.1EOS周边I/O布图规划——拐角中VDD-VSS电源钳位的布局171

7.7.2EOS周边I/O布图规划——离散式电源钳位的布局173

7.7.3EOS周边I/O布图规划——多域半导体芯片173

7.8EOS芯片电网设计——符合IEC规范电网和互连设计注意事项174

7.8.1IEC 61000-4-2电源网络175

7.8.2ESD电源钳位设计综合——IEC 61000-4-2相关的ESD电源钳位176

7.9PCB设计177

7.9.1系统级电路板设计——接地设计177

7.9.2系统卡插入式接触 178

7.9.3元件和EOS保护器件布局178

7.10总结和综述 179

参考文献179

第8章EOS设计——芯片级电路设计181

8.1EOS保护器件 181

8.2EOS保护器件分类特性181

8.2.1EOS保护器件分类——电压抑制器件182

8.2.2EOS保护器件——限流器件 182

8.3EOS保护器件——方向性184

8.3.1EOS保护器件——单向184

8.3.2EOS保护器件——双向184

8.4EOS保护器件分类——I-V特性类型 185

8.4.1EOS保护器件分类——正电阻I-V特性类型185

8.4.2EOS保护器件分类——S形I-V特性类型 186

8.5EOS保护器件设计窗口187

8.5.1EOS保护器件与ESD器件设计窗口187

8.5.2EOS与ESD协同综合 188

8.5.3EOS启动ESD电路 188

8.6EOS保护器件——电压抑制器件的类型 188

8.6.1EOS保护器件——TVS器件189

8.6.2EOS保护器件——二极管189

8.6.3EOS保护器件——肖特基二极管189

8.6.4EOS保护器件——齐纳二极管190

8.6.5EOS保护器件——晶闸管浪涌保护器件190

8.6.6EOS保护器件——金属氧化物变阻器 191

8.6.7EOS保护器件——气体放电管器件192

8.7EOS保护器件——限流器件类型 194

8.7.1EOS保护器件——限流器件——PTC器件194

8.7.2EOS保护器件——导电聚合物器件 195

8.7.3EOS保护器件——限流器件——熔丝197

8.7.4EOS保护器件——限流器件——电子熔丝198

8.7.5EOS保护器件——限流器件——断路器198

8.8EOS保护——使用瞬态电压抑制器件和肖特基二极管跨接电路板的电源和地200

8.9EOS和ESD协同综合网络200

8.10电缆和PCB中的EOS协同综合201

8.11总结和综述 202

参考文献202

第9章EOS的预防和控制204

9.1控制EOS 204

9.1.1制造中的EOS控制 204

9.1.2生产中的EOS控制 204

9.1.3后端工艺中的EOS控制205

9.2EOS最小化206

9.2.1EOS预防——制造区域操作 207

9.2.2EOS预防——生产区域操作 208

9.3EOS最小化——设计过程中的预防措施209

9.4EOS预防——EOS方针和规则 209

9.5EOS预防——接地测试209

9.6EOS预防——互连210

9.7EOS预防——插入210

9.8EOS和EMI预防——PCB设计210

9.8.1EOS和EMI预防——PCB电源层和接地设计210

9.8.2EOS和EMI预防——PCB设计指南——器件挑选和布局211

9.8.3EOS和EMI预防——PCB设计准则——线路布线与平面211

9.9EOS预防——主板213

9.10EOS预防——板上和片上设计方案213

9.10.1EOS预防——运算放大器213

9.10.2EOS预防——低压差稳压器214

9.10.3EOS预防——软启动的过电流和过电压保护电路214

9.10.4EOS预防——电源EOC和EOV保护215

9.11高性能串行总线和EOS217

9.11.1高性能串行总线——FireWire和EOS218

9.11.2高性能串行总线——PCI和EOS218

9.11.3高性能串行总线——USB和EOS219

9.12总结和综述219

参考文献219

第10章EOS设计——电子设计自动化223

10.1EOS和EDA 223

10.2EOS和ESD设计规则检查223

10.2.1ESD设计规则检查 223

10.2.2ESD版图与原理图验证224

10.2.3ESD电气规则检查225

10.3EOS电气设计自动化226

10.3.1EOS设计规则检查226

10.3.2EOS版图与原理图对照验证227

10.3.3EOS电气规则检查228

10.3.4EOS可编程电气规则检查229

10.4PCB设计检查和验证229

10.5EOS和闩锁设计规则检查231

10.5.1闩锁设计规则检查 231

10.5.2闩锁电气规则检查 235

10.6总结和综述238

参考文献239

第11章EOS项目管理242

11.1EOS审核和生产的控制242

11.2生产过程中的EOS控制243

11.3EOS和组装厂纠正措施244

11.4EOS审核——从制造到组装控制244

11.5EOS程序——周、月、季度到年度审核245

11.6EOS和ESD设计发布 245

11.6.1EOS设计发布过程246

11.6.2ESD详尽手册246

11.6.3EOS详尽手册248

11.6.4EOS检查表250

11.6.5EOS设计审查252

11.7EOS设计、测试和认证253

11.8总结和综述253

参考文献253

第12章未来技术中的过电应力256

12.1未来工艺中的EOS影响256

12.2先进CMOS工艺中的EOS257

12.2.1FinFET技术中的EOS257

12.2.2EOS和电路设计258

12.32.5-D和3-D系统中的EOS意义258

12.3.12.5-D中的EOS意义259

12.3.2EOS和硅介质层 259

12.3.3EOS和硅通孔260

12.3.43-D系统的EOS意义262

12.4EOS和磁记录263

12.4.1EOS和磁电阻263

12.4.2EOS和巨磁电阻265

12.4.3EOS和隧道磁电阻265

12.5EOS和微机265

12.5.1微机电器件265

12.5.2MEM器件中的ESD担忧266

12.5.3微型电动机267

12.5.4微型电动机中的ESD担忧267

12.6EOS和RF-MEMS269

12.7纳米结构的EOS意义270

12.7.1EOS和相变存储器270

12.7.2EOS和石墨烯272

12.7.3EOS和碳纳米管272

12.8总结和综述273

参考文献274

附录280

附录A术语表280

附录B标准284