第1章 EOS基本原理 1
1.1 EOS 1
1.1.1 EOS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EOS 3
1.1.4 产品失效——集成电路的失效 3
1.1.5 EOS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
1.2 EOS解密 6
1.2.1 EOS事件 6
1.3 EOS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
1.4 EOS的误解 8
1.5 EOS源最小化 9
1.6 EOS减缓 9
1.7 EOS损伤迹象 10
1.7.1 EOS损伤迹象——电气特征 10
1.7.2 EOS损伤迹象——可见特征 10
1.8 EOS与ESD 11
1.8.1 大／小电流EOS与ESD事件比较 12
1.8.2 EOS与ESD的差异 12
1.8.3 EOS与ESD的相同点 14
1.8.4 大／小电流EOS与ESD波形比较 14
1.8.5 EOS与ESD事件失效损伤比较 14
1.9 EMI 16
1.10 EMC 16
1.11 过热应力 17
1.11.1 EOS与过热应力 17
1.11.2 温度相关的EOS 18
1.11.3 EOS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
2.2.1 ESD HBM脉冲时间常数 32
2.2.2 ESD MM脉冲时间常数 33
2.2.3 ESD充电器件模型脉冲时间常数 33
2.2.4 ESD脉冲时间常数——传输线脉冲 33
2.2.5 ESD脉冲时间常数——超快传输线脉冲 34
2.2.6 IEC 61000-4-2脉冲时间常数 34
2.2.7 电缆放电事件脉冲时间常数 34
2.2.8 IEC 61000-4-5脉冲时间常数 35
2.3 EOS数学方法 35
2.3.1 EOS数学方法——格林函数 35
2.3.2 EOS数学方法——图像法 37
2.3.3 EOS数学方法——热扩散偏微分方程 39
2.3.4 EOS数学方法——带变系数的热扩散偏微分方程 39
2.3.5 EOS数学方法——Duhamel公式 39
2.3.6 EOS数学方法——热传导方程积分变换 43
2.4 球面模型—Tasca推导 46
2.4.1 ESD时间区域的Tasca模型 49
2.4.2 EOS时间区域的Tasca模型 49
2.4.3 Vlasov-Sinkevitch模型 50
2.5 一维模型——Wunsch-Bell推导 50
2.5.1 Wunsch-Bell曲线 53
2.5.2 ESD时间区域的Wunsch-Bell模型 53
2.5.3 EOS时间区域的Wunsch-Bell模型 54
2.6 Ash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
2.8.1 ESD时域的Dwyer-Franklin-Campbell模型 60
2.8.2 EOS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EOS 67
2.12 总结及综述 67
参考文献 68
第3章 EOS、ESD、EMI、EMC及闩锁 70
3.1 EOS源 70
3.1.1 EOS源——雷击 71
3.1.2 EOS源——配电 72
3.1.3 EOS源——开关、继电器和线圈 72
3.1.4 EOS源——开关电源 72
3.1.5 EOS源——机械设备 73
3.1.6 EOS源——执行器 73
3.1.7 EOS源——螺线管 73
3.1.8 EOS源——伺服电动机 73
3.1.9 EOS源——变频驱动电动机 75
3.1.10 EOS源——电缆 75
3.2 EOS失效机制 76
3.2.1 EOS失效机制：半导体工艺—应用适配 76
3.2.2 EOS失效机制：绑定线失效 76
3.2.3 EOS失效机制：从PCB到芯片的失效 77
3.2.4 EOS失效机制：外接负载到芯片失效 78
3.2.5 EOS失效机制：反向插入失效 78
3.3 失效机制——闩锁或EOS 78
3.3.1 闩锁与EOS设计窗口 79
3.4 失效机制——充电板模型或EOS 79
3.5 总结及综述 80
参考文献 80
第4章 EOS失效分析 83
4.1 EOS失效分析 83
4.1.1 EOS失效分析——信息搜集与实情发现 85
4.1.2 EOS失效分析——失效分析报告及文档 86
4.1.3 EOS失效分析——故障点定位 87
4.1.4 EOS失效分析——根本原因分析 87
4.1.5 EOS或ESD失效分析——可视化失效分析的差异 87
4.2 EOS失效分析——选择正确的工具 91
4.2.1 EOS失效分析——无损检测方法 92
4.2.2 EOS失效分析——有损检测方法 93
4.2.3 EOS失效分析——差分扫描量热法 93
4.2.4 EOS失效分析——扫描电子显微镜／能量色散X射线光谱仪 94
4.2.5 EOS失效分析——傅里叶变换红外光谱仪 94
4.2.6 EOS失效分析——离子色谱法 94
4.2.7 EOS失效分析——光学显微镜 95
4.2.8 EOS失效分析——扫描电子显微镜 96
4.2.9 EOS失效分析——透射电子显微镜 96
4.2.10 EOS失效分析——微光显微镜工具 97
4.2.11 EOS失效分析——电压对比工具 98
4.2.12 EOS失效分析——红外热像仪 98
4.2.13 EOS失效分析——光致电阻变化工具 99
4.2.14 EOS失效分析——红外-光致电阻变化工具 99
4.2.15 EOS失效分析——热致电压变化工具 100
4.2.16 EOS失效分析——原子力显微镜工具 101
4.2.17 EOS失效分析——超导量子干涉仪显微镜 102
4.2.18 EOS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
5.1 ESD测试——器件级 109
5.1.1 ESD测试——人体模型 109
5.1.2 ESD测试——机器模型 111
5.1.3 ESD测试——带电器件模型 113
5.2 传输线脉冲测试 114
5.2.1 ESD测试——传输线脉冲 115
5.2.2 ESD测试——超高速传输线脉冲 117
5.3 ESD测试——系统级 118
5.3.1 ESD系统级测试——IEC 61000-4-2 118
5.3.2 ESD测试——人体金属模型 118
5.3.3 ESD测试——充电板模型 119
5.3.4 ESD测试——电缆放电事件 120
5.4 EOS测试 122
5.4.1 EOS测试——器件级 122
5.4.2 EOS测试——系统级 123
5.5 EOS测试——雷击 123
5.6 EOS测试——IEC 61000-4-5 124
5.7 EOS测试——传输线脉冲测试方法和EOS 125
5.7.1 EOS测试——长脉冲TLP测试方法 125
5.7.2 EOS测试——TLP方法、EOS和Wunsch-Bell模型 125
5.7.3 EOS测试——对于系统EOS评估的TLP方法的局限 125
5.7.4 EOS测试——电磁脉冲 126
5.8 EOS测试——直流和瞬态闩锁 126
5.9 EOS测试——扫描方法 127
5.9.1 EOS测试——敏感度和脆弱度 127
5.9.2 EOS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
6.1 EOS和CMOS工艺 139
6.1.1 CMOS工艺——结构 139
6.1.2 CMOS工艺——安全工作区 140
6.1.3 CMOS工艺——EOS和ESD失效机制 141
6.1.4 CMOS工艺——保护电路 144
6.1.5 CMOS工艺——绝缘体上硅 148
6.1.6 CMOS工艺——闩锁 149
6.2 EOS、射频CMOS以及双极技术 150
6.2.1 RF CMOS和双极技术——结构 151
6.2.2 RF CMOS和双极技术——安全工作区 151
6.2.3 RF CMOS和双极工艺——EOS和ESD失效机制 151
6.2.4 RF CMOS和双极技术——保护电路 155
6.3 EOS和LDMOS电源技术 156
6.3.1 LDMOS工艺——结构 156
6.3.2 LDMOS晶体管——ESD电气测量 159
6.3.3 LDMOS工艺——安全工作区 160
6.3.4 LDMOS工艺——失效机制 160
6.3.5 LDMOS工艺——保护电路 162
6.3.6 LDMOS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
7.1 EOS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
7.2.2 EOS产品设计流程和产品定义 167
7.3 EOS产品定义流程——恒定可靠性等比例缩小 168
7.4 EOS产品定义流程——自底向上的设计 168
7.5 EOS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
7.7 EOS外围I/O布图规划 171
7.7.1 EOS周边I/O布图规划——拐角中VDD-VSS电源钳位的布局 171
7.7.2 EOS周边I/O布图规划——离散式电源钳位的布局 173
7.7.3 EOS周边I/O布图规划——多域半导体芯片 173
7.8 EOS芯片电网设计——符合IEC规范电网和互连设计注意事项 174
7.8.1 IEC 61000-4-2电源网络 175
7.8.2 ESD电源钳位设计综合——IEC 61000-4-2相关的ESD电源钳位 176
7.9 PCB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
8.1 EOS保护器件 181
8.2 EOS保护器件分类特性 181
8.2.1 EOS保护器件分类——电压抑制器件 182
8.2.2 EOS保护器件——限流器件 182
8.3 EOS保护器件——方向性 184
8.3.1 EOS保护器件——单向 184
8.3.2 EOS保护器件——双向 184
8.4 EOS保护器件分类——I-V特性类型 185
8.4.1 EOS保护器件分类——正电阻I-V特性类型 185
8.4.2 EOS保护器件分类——S形I-V特性类型 186
8.5 EOS保护器件设计窗口 187
8.5.1 EOS保护器件与ESD器件设计窗口 187
8.5.2 EOS与ESD协同综合 188
8.5.3 EOS启动ESD电路 188
8.6 EOS保护器件——电压抑制器件的类型 188
8.6.1 EOS保护器件——TVS器件 189
8.6.2 EOS保护器件——二极管 189
8.6.3 EOS保护器件——肖特基二极管 189
8.6.4 EOS保护器件——齐纳二极管 190
8.6.5 EOS保护器件——晶闸管浪涌保护器件 190
8.6.6 EOS保护器件——金属氧化物变阻器 191
8.6.7 EOS保护器件——气体放电管器件 192
8.7 EOS保护器件——限流器件类型 194
8.7.1 EOS保护器件——限流器件——PTC器件 194
8.7.2 EOS保护器件——导电聚合物器件 195
8.7.3 EOS保护器件——限流器件——熔丝 197
8.7.4 EOS保护器件——限流器件——电子熔丝 198
8.7.5 EOS保护器件——限流器件——断路器 198
8.8 EOS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
8.9 EOS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
9.2 EOS最小化 206
9.2.1 EOS预防——制造区域操作 207
9.2.2 EOS预防——生产区域操作 208
9.3 EOS最小化——设计过程中的预防措施 209
9.4 EOS预防——EOS方针和规则 209
9.5 EOS预防——接地测试 209
9.6 EOS预防——互连 210
9.7 EOS预防——插入 210
9.8 EOS和EMI预防——PCB设计 210
9.8.1 EOS和EMI预防——PCB电源层和接地设计 210
9.8.2 EOS和EMI预防——PCB设计指南——器件挑选和布局 211
9.8.3 EOS和EMI预防——PCB设计准则——线路布线与平面 211
9.9 EOS预防——主板 213
9.10 EOS预防——板上和片上设计方案 213
9.10.1 EOS预防——运算放大器 213
9.10.2 EOS预防——低压差稳压器 214
9.10.3 EOS预防——软启动的过电流和过电压保护电路 214
9.10.4 EOS预防——电源EOC和EOV保护 215
9.11 高性能串行总线和EOS 217
9.11.1 高性能串行总线——FireWire和EOS 218
9.11.2 高性能串行总线——PCI和EOS 218
9.11.3 高性能串行总线——USB和EOS 219
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
10.1 EOS和EDA 223
10.2 EOS和ESD设计规则检查 223
10.2.1 ESD设计规则检查 223
10.2.2 ESD版图与原理图验证 224
10.2.3 ESD电气规则检查 225
10.3 EOS电气设计自动化 226
10.3.1 EOS设计规则检查 226
10.3.2 EOS版图与原理图对照验证 227
10.3.3 EOS电气规则检查 228
10.3.4 EOS可编程电气规则检查 229
10.4 PCB设计检查和验证 229
10.5 EOS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
11.1 EOS审核和生产的控制 242
11.2 生产过程中的EOS控制 243
11.3 EOS和组装厂纠正措施 244
11.4 EOS审核——从制造到组装控制 244
11.5 EOS程序——周、月、季度到年度审核 245
11.6 EOS和ESD设计发布 245
11.6.1 EOS设计发布过程 246
11.6.2 ESD详尽手册 246
11.6.3 EOS详尽手册 248
11.6.4 EOS检查表 250
11.6.5 EOS设计审查 252
11.7 EOS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EOS 257
12.2.1 FinFET技术中的EOS 257
12.2.2 EOS和电路设计 258
12.3 2.5 -D和3-D系统中的EOS意义 258
12.3.1 2.5 -D中的EOS意义 259
12.3.2 EOS和硅介质层 259
12.3.3 EOS和硅通孔 260
12.3.4 3-D系统的EOS意义 262
12.4 EOS和磁记录 263
12.4.1 EOS和磁电阻 263
12.4.2 EOS和巨磁电阻 265
12.4.3 EOS和隧道磁电阻 265
12.5 EOS和微机 265
12.5.1 微机电器件 265
12.5.2 MEM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
12.6 EOS和RF-MEMS 269
12.7 纳米结构的EOS意义 270
12.7.1 EOS和相变存储器 270
12.7.2 EOS和石墨烯 272
12.7.3 EOS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