編輯推薦

　　由於工藝尺寸從微電子到納電子等比例縮小，過電應力（EOS）持續影響著半導體製造、半導體器件和係統。本書介紹瞭EOS基礎以及如何減緩EOS失效。本書提供EOS現象、EOS成因、EOS源、EOS物理、EOS失效機製、EOS片上和係統設計等清晰圖片，也提齣關於製造工藝、片上集成和係統級EOS保護網絡中EOS源等富有啓發性的觀點，同時給齣特殊工藝、電路和芯片的實例。本書在內容上全麵覆蓋從片上設計與電子設計自動化到工廠級EOS項目管理的EOS生産製造問題。

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內容簡介

　　本書係統地介紹瞭過電應力（EOS）器件、電路與係統設計，並給齣瞭大量實例，將EOS理論工程化。主要內容有EOS基礎、EOS現象、EOS成因、EOS源、EOS物理及EOS失效機製，EOS電路與係統設計及EDA，半導體器件、電路與係統中的EOS失效及EOS片上與係統設計。

　　本書是作者半導體器件可靠性係列書籍的延續。對於專業模擬集成電路及射頻集成電路設計工程師，以及係統ESD工程師具有較高的參考價值。隨著納米電子時代的到來，本書是一本重要的參考書，同時也是麵嚮現代技術問題有益的啓示。

　　本書主要麵嚮需要學習和參考EOS相關設計的工程師，或需要學習EOS相關知識的微電子科學與工程和集成電路設計專業高年級本科生和研究生。

作者簡介

Steven H.Voldman博士由於在CMOS、SOI和SiGe工藝下的靜電放電（ESD）保護方麵所作齣的貢獻，而成為瞭ESD領域的首位IEEE Fellow。

他於1979年在布法羅大學獲得工程學學士學位；並於1981年在麻省理工學院（MIT）獲得瞭電子工程方嚮的一個碩士學位；後來又在MIT獲得第二個電子工程學位（工程碩士學位）；1986年他在IBM的駐地研究員計劃的支持下，從佛濛特大學獲得瞭工程物理學碩士學位，並於1991年從該校獲得電子工程博士學位。

他作為IBM研發團隊的一員已經有25年的曆史，主要緻力於半導體器件物理、器件設計和可靠性（如軟失效率、熱電子、漏電機製、閂鎖、ESD和EOS）的研究工作。

他在ESD和CMOS閂鎖領域獲得瞭245項美國專利。

目錄

譯者序
作者簡介
原書前言
緻謝
第1章EOS基本原理1
1.1EOS1
1.1.1EOS成本2
1.1.2産品現場返迴——EOS百分比2
1.1.3産品現場返迴——無缺陷與EOS3
1.1.4産品失效——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製造環境中的EOS源7
1.3.2生産環境中的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——電氣特徵10
1.7.2EOS損傷跡象——可見特徵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過熱應力17
1.11.1EOS與過熱應力17
1.11.2溫度相關的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麯綫可靠性19
1.12.2可縮放的可靠性設計框20
1.12.3可縮放的ESD設計框20
1.12.4加載電壓、觸發電壓和絕對最大電壓20
1.13安全工作區21
1.13.1電氣安全工作區22
1.13.2熱安全工作區22
1.13.3瞬態安全工作區22
1.14總結及綜述 23
參考文獻24
第2章EOS模型基本原理30
2.1熱時間常數30
2.1.1熱擴散時間30
2.1.2絕熱區時間常數31
2.1.3熱擴散區時間常數32
2.1.4穩態時間常數32
2.2脈衝時間常數32
2.2.1ESD HBM脈衝時間常數32
2.2.2ESD MM脈衝時間常數33
2.2.3ESD充電器件模型脈衝時間常數33
2.2.4ESD脈衝時間常數——傳輸綫脈衝33
2.2.5ESD脈衝時間常數——超快傳輸綫脈衝34
2.2.6IEC61000-4-2脈衝時間常數 34
2.2.7電纜放電事件脈衝時間常數 34
2.2.8IEC61000-4-5脈衝時間常數 35
2.3EOS數學方法 35
2.3.1EOS數學方法——格林函數35
2.3.2EOS數學方法——圖像法37
2.3.3EOS數學方法——熱擴散偏微分方程39
2.3.4EOS數學方法——帶變係數的熱擴散偏微分方程39
2.3.5EOS數學方法——Duhamel公式39
2.3.6EOS數學方法——熱傳導方程積分變換43
2.4球麵模型——Tasca推導46
2.4.1ESD時間區域的Tasca模型49
2.4.2EOS時間區域的Tasca模型49
2.4.3Vlasov-Sinkevitch模型50
2.5一維模型——Wunsch-Bell推導50
2.5.1Wunsch-Bell麯綫53
2.5.2ESD時間區域的Wunsch-Bell模型53
2.5.3EOS時間區域的Wunsch-Bell模型54
2.6Ash模型 54
2.7圓柱模型——Arkhipov-Astvatsaturyan-Godovsyn-Rudenko推導 55
2.8三維平行六麵模型——Dwyer-Franklin-Campbell推導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61
2.10不穩定性63
2.10.1電氣不穩定性63
2.10.2電氣擊穿 64
2.10.3電氣不穩定性與驟迴64
2.10.4熱不穩定性65
2.11電遷移與EOS67
2.12總結及綜述 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、繼電器和綫圈72
3.1.4EOS源——開關電源72
3.1.5EOS源——機械設備73
3.1.6EOS源——執行器 73
3.1.7EOS源——螺綫管 73
3.1.8EOS源——伺服電動機73
3.1.9EOS源——變頻驅動電動機75
3.1.10EOS源——電纜 75
3.2EOS失效機製76
3.2.1EOS失效機製：半導體工藝—應用適配76
3.2.2EOS失效機製：綁定綫失效76
3.2.3EOS失效機製：從PCB到芯片的失效77
3.2.4EOS失效機製：外接負載到芯片失效78
3.2.5EOS失效機製：反嚮插入失效78
3.3失效機製——閂鎖或EOS78
3.3.1閂鎖與EOS設計窗口79
3.4失效機製——充電闆模型或EOS79
3.5總結及綜述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——信息搜集與實情發現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射綫光譜儀94
4.2.5EOS失效分析——傅裏葉變換紅外光譜儀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——光緻電阻變化工具99
4.2.14EOS失效分析——紅外-光緻電阻變化工具99
4.2.15EOS失效分析——熱緻電壓變化工具100
4.2.16EOS失效分析——原子力顯微鏡工具101
4.2.17EOS失效分析——超導量子乾涉儀顯微鏡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傳輸綫脈衝測試114
5.2.1ESD測試——傳輸綫脈衝115
5.2.2ESD測試——超高速傳輸綫脈衝117
5.3ESD測試——係統級118
5.3.1ESD係統級測試——IEC 61000-4-2118
5.3.2ESD測試——人體金屬模型118
5.3.3ESD測試——充電闆模型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——係統級123
5.5EOS測試——雷擊123
5.6EOS測試——IEC 61000-4-5124
5.7EOS測試——傳輸綫脈衝測試方法和EOS125
5.7.1EOS測試——長脈衝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——對於係統EOS評估的TLP方法的局限125
5.7.4EOS測試——電磁脈衝126
5.8EOS測試——直流和瞬態閂鎖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電磁乾擾輻射掃描法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總結及綜述134
參考文獻134
第6章EOS魯棒性——半導體工藝139
6.1EOS和CMOS工藝139
6.1.1CMOS工藝——結構 139
6.1.2CMOS工藝——安全工作區140
6.1.3CMOS工藝——EOS和ESD失效機製141
6.1.4CMOS工藝——保護電路144
6.1.5CMOS工藝——絕緣體上矽148
6.1.6CMOS工藝——閂鎖149
6.2EOS、射頻CMOS以及雙極技術150
6.2.1RF CMOS和雙極技術——結構151
6.2.2RF CMOS和雙極技術——安全工作區151
6.2.3RF CMOS和雙極工藝——EOS和ESD失效機製151
6.2.4RF CMOS和雙極技術——保護電路155
6.3EOS和LDMOS電源技術156
6.3.1LDMOS工藝——結構156
6.3.2LDMOS晶體管——ESD電氣測量159
6.3.3LDMOS工藝——安全工作區160
6.3.4LDMOS工藝——失效機製160
6.3.5LDMOS工藝——保護電路162
6.3.6LDMOS工藝——閂鎖163
6.4總結和綜述164
參考文獻164
第7章EOS設計——芯片級設計和布圖規劃165
7.1EOS和ESD協同綜閤——如何進行EOS和ESD設計165
7.2産品定義流程和技術評估 166
7.2.1標準産品確定流程 166
7.2.2EOS産品設計流程和産品定義 167
7.3EOS産品定義流程——恒定可靠性等比例縮小168
7.4EOS産品定義流程——自底嚮上的設計 168
7.5EOS産品定義流程——自頂嚮下的設計 169
7.6片上EOS注意事項——焊盤和綁定綫設計170
7.7EOS外圍I/O布圖規劃 171
7.7.1EOS周邊I/O布圖規劃——拐角中VDD-VSS電源鉗位的布局171
7.7.2EOS周邊I/O布圖規劃——離散式電源鉗位的布局173
7.7.3EOS周邊I/O布圖規劃——多域半導體芯片173
7.8EOS芯片電網設計——符閤IEC規範電網和互連設計注意事項174
7.8.1IEC 61000-4-2電源網絡175
7.8.2ESD電源鉗位設計綜閤——IEC 61000-4-2相關的ESD電源鉗位176
7.9PCB設計177
7.9.1係統級電路闆設計——接地設計177
7.9.2係統卡插入式接觸 178
7.9.3元件和EOS保護器件布局178
7.10總結和綜述 179
參考文獻179
第8章EOS設計——芯片級電路設計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——電壓抑製器件182
8.2.2EOS保護器件——限流器件 182
8.3EOS保護器件——方嚮性184
8.3.1EOS保護器件——單嚮184
8.3.2EOS保護器件——雙嚮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保護器件設計窗口187
8.5.1EOS保護器件與ESD器件設計窗口187
8.5.2EOS與ESD協同綜閤 188
8.5.3EOS啓動ESD電路 188
8.6EOS保護器件——電壓抑製器件的類型 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——晶閘管浪湧保護器件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——導電聚閤物器件 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——使用瞬態電壓抑製器件和肖特基二極管跨接電路闆的電源和地200
8.9EOS和ESD協同綜閤網絡200
8.10電纜和PCB中的EOS協同綜閤201
8.11總結和綜述 202
參考文獻202
第9章EOS的預防和控製204
9.1控製EOS 204
9.1.1製造中的EOS控製 204
9.1.2生産中的EOS控製 204
9.1.3後端工藝中的EOS控製205
9.2EOS最小化206
9.2.1EOS預防——製造區域操作 207
9.2.2EOS預防——生産區域操作 208
9.3EOS最小化——設計過程中的預防措施209
9.4EOS預防——EOS方針和規則 209
9.5EOS預防——接地測試209
9.6EOS預防——互連210
9.7EOS預防——插入210
9.8EOS和EMI預防——PCB設計210
9.8.1EOS和EMI預防——PCB電源層和接地設計210
9.8.2EOS和EMI預防——PCB設計指南——器件挑選和布局211
9.8.3EOS和EMI預防——PCB設計準則——綫路布綫與平麵211
9.9EOS預防——主闆213
9.10EOS預防——闆上和片上設計方案213
9.10.1EOS預防——運算放大器213
9.10.2EOS預防——低壓差穩壓器214
9.10.3EOS預防——軟啓動的過電流和過電壓保護電路214
9.10.4EOS預防——電源EOC和EOV保護215
9.11高性能串行總綫和EOS217
9.11.1高性能串行總綫——FireWire和EOS218
9.11.2高性能串行總綫——PCI和EOS218
9.11.3高性能串行總綫——USB和EOS219
9.12總結和綜述219
參考文獻219
第10章EOS設計——電子設計自動化223
10.1EOS和EDA 223
10.2EOS和ESD設計規則檢查223
10.2.1ESD設計規則檢查 223
10.2.2ESD版圖與原理圖驗證224
10.2.3ESD電氣規則檢查225
10.3EOS電氣設計自動化226
10.3.1EOS設計規則檢查226
10.3.2EOS版圖與原理圖對照驗證227
10.3.3EOS電氣規則檢查228
10.3.4EOS可編程電氣規則檢查229
10.4PCB設計檢查和驗證229
10.5EOS和閂鎖設計規則檢查231
10.5.1閂鎖設計規則檢查 231
10.5.2閂鎖電氣規則檢查 235
10.6總結和綜述238
參考文獻239
第11章EOS項目管理242
11.1EOS審核和生産的控製242
11.2生産過程中的EOS控製243
11.3EOS和組裝廠糾正措施244
11.4EOS審核——從製造到組裝控製244
11.5EOS程序——周、月、季度到年度審核245
11.6EOS和ESD設計發布 245
11.6.1EOS設計發布過程246
11.6.2ESD詳盡手冊246
11.6.3EOS詳盡手冊248
11.6.4EOS檢查錶250
11.6.5EOS設計審查252
11.7EOS設計、測試和認證253
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