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内容简介

　　

　　正是因为ESD技术存在于从微电子到纳米电子，所以ESD会影响半导体制造、半导体器件、电子系统等电子产业链的整个链条上任意一个环节。《国外电子与嵌入式系统设计译丛：ESD揭秘：静电防护原理和典型应用》的内容涉及到ESD的基础，EOS、EMI、EMC以及Latchup等内容，为读者提供了一个ESD技术的全景视角——从半导体制造一直到电子系统的集成。通过一些特定技术，电路和芯片的案例启发读者对于ESD相关技术的脉络有一个整体的认识。本书覆盖的内容有：静电学基础，包括摩擦起电，以及它们是如何和日常的微电子设置纳米级半导体制造环境相关的。如何处理和检查半导体制造中工艺中的静电防护问题，避免由此带来的问题。ESD、EOS、EMI、EMC和latchup半导体器件和系统级测试，确保产品在各种模式下符合国际标准化组织的规范要求。片上和制造中解决ESD问题的一些方案，同时也包含一些系统级的静电防护方案，使得系统更加健壮。系统级的静电防护中的关键问题，包括服务器、笔记本、磁盘、摄像头，以及手持设备、汽车，甚至航空航天等。ESD设计中技术的案例，包括CMOS、BiCMOS、SOI等。

作者简介

Steven H．Voldman博士由于在CMOS、SOI和SiGe工艺下的静电放电(ESD)保护方面所作出的贡献，而成为了ESD领域的第一位IEEE Fellow。

他于1979年在布法罗大学获得了工程学学士学位；并于1981年在麻省理工学院(MIT)获得了电子工程方向的硕士学位；以后又在MIT获得第二个电子工程学位(工程硕士学位)；1986年他在IBM的驻地研究员计划下从佛蒙特大学获得了工程物理学硕士学位，并于1991年从该校获得了电子工程的博士学位。

他作为IBM开发团队的一员已有25年的历史，主要致力于半导体器件物理、器件设计和可靠性[如软失效率(SER)、热电子、漏电机制、闩锁和ESD]的研究工作。Voldman博士参与到闩锁技术的研发已有27年之久。他的工作主要针对用于双极型SRAM、CMOS DRAM、CMOS逻辑、SOI、BiCMOS、SiGe、RF CMOS、RF SOI、智能电源和图像处理技术中的工艺和电路设计的研究。在2008年，他成为了奇梦达DRAM开发团队的一员，从事70nm、58nm和48nm CMOS工艺的研究。同年，他成立了一个有限责任公司，并作为台积电45mn ESD和闩锁开发团队的一部分在其总部中国台湾新竹工作。目前他作为ESD和闩锁研发的高级首席工程师效力于Intersil公司。

内页插图

目录

译者序
前言
致谢
作者简介
第1章　静电学基本原理
1.1　引言
1.2　静电学
1.2.1　泰勒斯和静电引力
1.2.2　静电学和摩擦生电序列
1.2.3　摩擦生电序列和吉尔伯特
1.2.4　摩擦生电序列和格雷
1.2.5　摩擦生电序列和达菲
1.2.6　摩擦生电序列和富兰克林
1.2.7　静电学--西莫和人体模型
1.2.8　静电学--库仑和卡文迪许
1.2.9　静电学--法拉第和冰桶实验
1.2.10　静电学--法拉第和麦克斯韦
1.2.11　静电学--帕邢
1.2.12　静电学--斯托尼与"电子"
1.3　摩擦生电--它是怎么发生的
1.4　导体、半导体和绝缘体
1.5　静电耗散材料
1.6　静电放电和材料
1.7　充电和库仑定律
1.7.1　摩擦生电
1.7.2　感应生电
1.7.3　传导生电
1.8　电磁学和电动力学
1.9　电击穿
1.9.1　静电放电与击穿
1.9.2　击穿与帕邢定律
1.9.3　击穿和汤森德
1.9.4　击穿与托普勒定律
1.9.5　雪崩击穿
1.10　电准静态和磁准静态
1.11　电动力学与麦克斯韦方程
1.12　静电放电
1.13　电磁兼容
1.14　电磁干扰
1.15　本章小结
参考文献
第2章 生产和静电的基本原理
2.1　材料、工具、人为因素和静电放电
2.2　制造环境和工具
2.3　生产设备和ESD生产问题
2.4　生产材料
2.5　测量和测试设备
2.6　接地及连接系统
2.7　工作台面
2.8　防静电腕带
2.9　在线监测仪
2.10　鞋类
2.11　地板
2.12　人员服装接地
2.13　空气离子化
2.14　座椅
2.15　推车
2.16　包装和运输
2.16.1　运输包装管
2.16.2　托盘
2.17　ESD识别
2.18　ESD程序管理--12步构建ESD战略
2.19　ESD程序审核
2.20　防静电片上保护
2.21　本章小结
参考文献
第3章　ESD、EOS、EMI、EMC和闩锁效应
3.1　ESD、EOS、EMI、EMC和闩锁效应
3.1.1　ESD
3.1.2　过电应力
3.1.3　电磁干扰
3.1.4　电磁兼容
3.1.5　闩锁效应
3.2　ESD模型
3.2.1　人体模型
3.2.2　机器模型
3.2.3　盒式模型
3.2.4　充电器件模型
3.2.5　传输线脉冲
3.2.6　超快传输线脉冲
3.3　过电应力
3.3.1　EOS来源--雷击
3.3.2　EOS来源--电磁脉冲
3.3.3　EOS来源--机械装置
3.3.4　EOS来源--配电装置
3.3.5　EOS来源--开关、继电器和线圈
3.3.6　EOS设计流程和产品定义
3.3.7　EOS来源--设计问题
3.3.8　EOS失效机理
3.4　电磁干扰
3.5　电磁兼容
3.6　闩锁
3.7　本章小结
参考文献
第4章　系统级ESD
4.1　系统级测试
4.1.1　系统级测试目标
4.1.2　系统级与元器件级测试失效判据的区别
4.2　系统与芯片何时相互影响
4.3　ESD和系统级失效
4.3.1　ESD电流和系统级失效
4.3.2　ESD感应电场/感应磁场和系统级失效
4.4　电子系统
4.4.1　卡和板
4.4.2　系统机架和屏蔽
4.5　当前的系统级问题
4.5.1　便携系统
4.5.2　移动电话
4.5.3　服务器和电缆
4.5.4　笔记本电脑和电缆
4.5.5　磁盘驱动器
4.5.6　数码相机
4.6　汽车、ESD、EOS和EMI
4.6.1　汽车和ESD--点火系统
4.6.2　汽车和EMI--电子脚踏装置
4.6.3　汽车和油箱起火
4.6.4　混合动力汽车和电动汽车
4.6.5　未来的汽车
4.7　航空航天应用
4.7.1　飞机、局部放电和闪电
4.7.2　卫星、飞船充电和单粒子翻转
4.7.3　太空登陆任务
4.8　ESD和系统级测试模型
4.9　IEC 61000-4-2
4.10　人体金属模型
4.11　带电板模型
4.12　电缆放电事件
4.12.1　电缆放电事件和范围
4.12.2　电缆放电事件--电缆测量设备
4.12.3　电缆构形--测试放置
4.12.4　电缆构形--移动电缆
4.12.5　电缆构形--手持电缆
4.12.6　电缆放电事件--峰值电流和充电电压的关系
4.12.7　电缆放电事件--电流幅度和充电电压的关系
4.13　本章小结
参考文献
第5章　元器件级问题--问题与解决方法
5.1　ESD芯片保护--问题与解决方法
5.2　ESD芯片级设计方案--设计综合的基本要素
5.2.1　ESD电路
5.2.2　ESD信号引脚保护网络
5.2.3　ESD电源钳位保护网络
5.2.4　ESD电源域--域电路
5.2.5　ESD内部信号线域--域保护电路
5.3　ESD芯片平面设计--设计布局和综合基础
5.3.1　ESD信号引脚HBM电路的布置
5.3.2　ESD信号引脚CDM电路布置
5.3.3　ESD电源钳位电路的放置
5.3.4　ESD VSS-VSS电路布置
5.4　ESD模拟电路设计
5.4.1　ESD模拟电路对称和共质心设计
5.4.2　模拟信号引脚到电源线的ESD网络
5.4.3　共质心模拟信号引脚到电源线的ESD网络
5.4.4　共质心模拟电路和ESD网络的协同综合
5.4.5　信号引脚到信号引脚的差分对ESD网络
5.4.6　共质心信号引脚差分ESD保护
5.5　射频ESD设计
5.5.1　射频ESD设计原则
5.5.2　ESD射频电路--信号引脚ESD网络
5.5.3　ESD射频电路--ESD电源钳位
5.5.4　ESD射频电路--ESD射频VSS-VSS网络
5.6　本章小结
参考文献
第6章　系统中的ESD问题及解决方案
6.1　ESD系统解决方案--从最大到最小
6.2　航空航天解决方案
6.3　油轮解决方案
6.4　汽车解决方案
6.5　计算机和服务器
6.6　主板和板卡
6.6.1　系统板卡插入的触点
6.6.2　系统级的电路板设计--接地设计
6.7　系统级"板上"ESD防护
6.7.1　火花隙
6.7.2　场发射器件
6.8　系统级瞬态解决方案
6.8.1　瞬态电压抑制器件
6.8.2　聚合物电压抑制器件
6.9　封装级机械ESD解决方案--机械撬棒
6.10　硬盘ESD解决方案
6.10.1　内嵌"ESD短路"
6.10.2　电枢-机械"短路"--？一种内建的电气"撬棒"
6.11　半导体芯片级解决方案--版图布局、版图及结构
6.11.1　混合信号模拟和数字的版图布局
6.11.2　BCD版图布局
6.11.3　片上系统设计的版图布局
6.12　半导体芯片解决方案--电源栅格设计
6.12.1　HMM和IEC规范的电源栅格及互连设计上的考虑
6.12.2　ESD电源钳位设计综合--响应IEC 61000-4-2的ESD电源钳位网络
6.13　ESD和EMC--当芯片影响了系统
6.14　系统级和器件级ESD测试与系统级响应
6.14.1　ESD测试中的时域反射和阻抗方法学
6.14.2　时域反射ESD测试系统评估
6.14.3　ESD退化系统级方法--眼图测试
6.15　EMC和ESD扫描
6.16　本章小结
参考文献
第7章　静电放电的未来
7.1　ESD未来如何
7.2　工厂与制造
7.3　光刻掩膜与十字线
7.3.1　光刻掩膜中的ESD问题
7.3.2　光刻掩膜的雪崩击穿
7.3.3　光刻掩膜的电模型
7.3.4　光刻掩膜中的失效缺陷
7.4　磁记录技术
7.5　微机电器件
7.6　微马达
7.7　微机电射频开关
7.8　微机电反射镜
7.9　晶体管
7.9.1　晶体管-体硅和SOI技术
7.9.2　晶体管和FinFET
7.9.3　FinFET中的ESD问题
7.10　硅纳米线
7.11　碳纳米管
7.12　未来的系统和系统设计
7.13　本章小结
参考文献
术语表
ESD标准

精彩书摘

　　1．2．8 静电学一一库仑和卡文迪许
　　当其他静电学家仍乐此不疲地探索长袜及其他摩擦物所产生的静电放电现象时，库仑（Coulomb）在1785年设计出了精巧的扭秤，并由此开展一系列探索静电力、电荷和距离之间关系的研究。卡文迪许（（；avendish）在此之前也进行过类似探索，但其研究成果并未公开发表，直至1 879年詹姆斯．克拉克．麦克斯韦（James Clefk Maxwell）整理其手稿时才将上述成果公之于世。
　　1．2．9 静电学一一法拉第和冰桶实验
　　此时，正负起电关系尚不完全清楚。1837年，迈克尔．法拉第（Michael Faraday）利用玻璃棒和丝绸进行的“冰桶实验”表明“正负电荷总是以精确的等量关系同时产生”。
　　法拉第在其“物质的力一第五讲磁与电”中提供证明，证实了静电带电现象以及正负带电之间的关系。他以电现象结束其讲座：“……这就是我们所说的‘电’，我们开发利用这种能源的征程才刚刚开始。”
　　1．2．10 静电学一一法拉第和麦克斯韦
　　这一时期，物质、起电和电力之间的关系仍未被深刻理解，不同的模型（如单电流模型、双电流模型）被提出用于解释带电过程。众多电现象模型被建立起来以解释与介质应力应变相关的现象（从原子层到场层面）。也正是在该时期，法拉第和詹姆斯．克拉克．麦克斯韦开始将对电和电力的理解以场的概念表达出来。电荷被看做一种“以太中的应变态”。詹姆斯。克拉克．麦克斯韦在他1873年出版的《电磁学通论》一书中，创立了我们今天所理解的电磁学理论。
　　1．2．11 静电学——帕邢
　　1 889年，帕邢开始研究气体击穿现象，并尝试解释气压和电极距离之间的关系18l。介质击穿现象的研究使现代器件静电放电现象研究跃上了一个新的台阶。即使在今天，帕邢击穿曲线对于理解空气隙和纳米结构的电学击穿仍然具有重要的意义。
　　1．2．12 静电学——斯托尼与“电子”
　　1891年，G．约翰斯通。斯托尼（Johnstone Stoney）博士提出“电子”这一概念作为电学的基本单位，与法拉第电解定律相联系。此时，科学家们尚未将“电子”与物质实体联系在一起，而仅仅把它作为一种测量单位或电荷单元。G．约翰斯通。斯托尼博士重新将电子与希腊单词琥珀联系在一起，将泰勒斯的早期工作与现代电学的基本单元联系在一起。之后，电子被证实与物质实体和原子理论相关联。
　　……

前言/序言

　　半导体器件从诞生之日起就面临着静电放电（ESD）带来的可靠性问题。随着器件尺寸减小、集成度提高，静电问题不仅不消除反而有可能愈加严重。因此，对于半导体器件，静电放电是一个需要关注的永恒问题。
　　半导体器件的静电问题涉及范围很广，覆盖产品从研发设计到生产制造乃至使用维修等全寿命过程。 目前已有大量的关于半导体器件ESD方面的书籍和标准，主要集中在半导体器件片上ESD保护设计、生产制造过程的防ESD控制以及ESD测试等几个方面，为专业技术人员提供指导。但是，对非专业以及刚刚入门的技术人员，理解我们身边的静电问题及如何对半导体器件或系统实施有效的防护也是非常必要的。
　　本书作者Steven H．Voldman博士总结其在半导体器件静电放电（ESD）领域20多年的研究和工作经验，撰写了本书，系统而全面地阐述了ESD的基本原理、现实中的ESD环境、半导体器件制造、处理和组装过程的ESD现象、半导体器件片上和片外保护技术，以及对未来纳米结构中的ESD问题展望等，这是一本可以帮助读者了解半导体器件ESD及其所有相关问题的优秀基础性书籍。
　　电子元器件可靠性物理及其应用技术重点实验室从20世纪90年代初开始，就开展了半导体器件ESD设计、检测和防护方面的技术研究及工程应用，译者在这方面有比较丰富的知识和经验，因此，非常高兴能将此书介绍给国内的相关技术人员。
　　本书由来萍和恩云飞研究员组织翻译和审校，其中作者介绍、前言、致谢、第1章由刘宏志、恩云飞翻译，第2章和第3章由来萍翻译，第4章由肖庆中翻译，第5章由何玉娟翻译，第6章由王力纬翻译，第7章由师谦翻译，并由恩云飞、来萍、肖庆中、师谦、刘虹志、王力纬、何玉娟、陈义强进行了审校。
　　为了给读者提供一本具有专业水平的科技书籍，译者对书稿进行了多次审校，还针对术语表、标准中的专业术语进行了集体讨论，以求尽量减少技术和编辑错误。但由于译者水平所限，难免会有不妥之处，恳请读者批评指正。
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内容较浅，实用案例太少。只能作为理论学习。

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