书名:过电应力(EOS)器件、电路与系统
定价:79.00元
售价:59.3元,便宜19.7元,折扣75
作者:史蒂文 H.沃尔德曼
出版社:机械工业出版社
出版日期:2016-03-01
ISBN:9787111523185
字数:
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版次:1
装帧:平装
开本:16开
商品重量:0.4kg
由于工艺尺寸从微电子到纳电子等比例缩小,过电应力(EOS)持续影响着半导体制造、半导体器件和系统。本书介绍了EOS基础以及如何减缓EOS失效。本书提供EOS现象、EOS成因、EOS源、EOS物理、EOS失效机制、EOS片上和系统设计等清晰图片,也提出关于制造工艺、片上集成和系统级EOS保护网络中EOS源等富有启发性的观点,同时给出特殊工艺、电路和芯片的实例。本书在内容上全面覆盖从片上设计与电子设计自动化到工厂级EOS项目管理的EOS生产制造问题。
本书系统地介绍了过电应力(EOS)器件、电路与系统设计,并给出了大量实例,将EOS理论工程化。主要内容有EOS基础、EOS现象、EOS成因、EOS源、EOS物理及EOS失效机制,EOS电路与系统设计及EDA,半导体器件、电路与系统中的EOS失效及EOS片上与系统设计。本书是作者半导体器件可靠性系列书籍的延续。对于专业模拟集成电路及射频集成电路设计工程师,以及系统ESD工程师具有较高的参考价值。随着纳米电子时代的到来,本书是一本重要的参考书,同时也是面向现代技术问题有益的启示。本书主要面向需要学习和参考EOS相关设计的工程师,或需要学习EOS相关知识的微电子科学与工程和集成电路设计专业高年级本科生和研究生。
目录
译者序
作者简介
原书前言
致谢
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
0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
1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
2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
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领域的首位IEEE Fellow。他于1979年在布法罗大学获得工程学学士学位;并于1981年在麻省理工学院(MIT)获得了电子工程方向的一个硕士学位;后来又在MIT获得第二个电子工程学位(工程硕士学位);1986年他在IBM的驻地研究员计划的支持下,从佛蒙特大学获得了工程物理学硕士学位,并于1991年从该校获得电子工程博士学位。他作为IBM研发团队的一员已经有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、热电子、漏电机制、闩锁、ESD和EOS)的研究工作。他在ESD和CMOS闩锁领域获得了245项美国。
这本书的封面设计相当朴实,但信息量却很丰富。我是在一个朋友的推荐下了解到这本书的,他是一位在电子产品可靠性领域工作多年的工程师。他提到,在实际工作中,经常会遇到一些设备在不寻常的电压或电流条件下失效,而这种失效模式又不像短路或开路那样容易诊断。他将这种现象归结为“过电应力”,并强烈推荐我阅读这本书,以期更深入地理解其背后的机理和应对策略。虽然我本人并非直接从事相关研发工作,但作为一名电子工程专业的学生,我对提升电子设备在极端环境下的鲁棒性一直充满兴趣。我希望通过这本书,能够系统地学习到关于过电应力的基础理论,例如其产生的具体原因,比如静电放电(ESD)、浪涌(Surge)等,以及这些应力对不同类型器件(如半导体、电容、电感等)可能造成的损伤机制。同时,我也很期待书中能够提供一些实用的电路设计和系统集成方面的指导,帮助工程师在产品设计阶段就能够有效地预防或减轻过电应力的影响,从而提高产品的整体可靠性和使用寿命。我个人对书中关于如何通过元器件选型、PCB布局、防护电路设计等方面的具体建议尤为关注。
评分这本《过电应力(EOS)器件、电路与系统》的出现,可以说是填补了我一直以来在理解和解决一些产品早期失效问题时存在的认知空白。在我之前的经验中,常常遇到一些看似设计良好、参数也完全符合规格的产品,却在实际使用过程中出现离奇的损坏,而且这种损坏的发生往往没有明显的规律可循。有时候,一次偶然的电源波动,或者简单的接触不良,就可能导致整个电路板的报废。这本书的标题直接点明了问题的核心——“过电应力”。我猜测,书中一定会对过电应力的具体表现形式进行详细的阐述,例如,它和我们通常所说的ESD(静电放电)有什么区别和联系,以及在不同的应用场景下,EOS会以何种方式影响电路的稳定性和器件的寿命。我非常期待书中能够深入剖析EOS对各类电子元器件,尤其是现代微电子器件所带来的物理损伤机理,例如热击穿、隧道击穿等。此外,书中关于“电路与系统”的部分,也让我对其应用价值充满了期待。我希望它能提供一套系统性的方法论,指导我们如何在电路设计阶段就构建起有效的EOS防护措施,例如如何选择合适的保护器件,如何优化PCB布局以减小感应应力,以及在整个系统层面如何协同工作,构建出更加可靠的电子产品。
评分作为一名电子产品测试工程师,我每天都在与各种各样的电子设备打交道,并且要确保它们在各种环境下都能稳定运行。然而,在实际的失效分析过程中,我们经常会遇到一些非常棘手的案例,即产品在经历了某些电应力冲击后发生损坏,但这种损坏的起因并不明确,甚至难以通过常规的测试手段复现。我的理解是,这本书正是针对这类“过电应力(EOS)”问题展开深入探讨的。我希望书中能够清晰地界定EOS与ESD(静电放电)等其他电应力之间的区别与联系,并详细阐述EOS产生的各种物理和电气原因。我尤其关注书中关于EOS如何影响不同类型电子器件(如半导体器件、被动元器件等)的损伤机制的描述,例如过电压、过电流引起的器件内部击穿、热效应等。更重要的是,我期待书中能够提供切实可行的工程解决方案。这包括如何在电路设计阶段就集成有效的EOS防护措施,例如如何选择和应用合适的保护器件(如TVS二极管、压敏电阻等),以及在PCB布局、布线方面有哪些需要注意的细节,以最大程度地降低EOS对电路的潜在威胁。
评分我一直对电子产品的可靠性设计抱有浓厚的兴趣,尤其是那些影响产品长期稳定运行的潜在因素。在我看来,“过电应力(EOS)”这个概念,比单纯的静电防护(ESD)要更为广泛和复杂,它涵盖了更广谱的异常电气条件。我听说这本书详细讲解了EOS的成因、表现以及对器件、电路和系统的影响。我非常好奇的是,书中是如何从理论层面去解释EOS产生的根源的?例如,它是否会涉及到电源浪涌、操作失误、甚至某些未知的环境因素?我更期待的是,书中能够提供具体的电路设计指导,帮助工程师在实际项目中有效地应对EOS。这可能包括如何通过合理的电路拓扑、元器件的选型和参数设计,来构建能够抵御EOS的保护机制。我也希望书中能有一些关于系统级EOS防护的讨论,因为一个产品的可靠性往往是各个子系统协同作用的结果。比如,如何通过电源管理、信号完整性设计等来共同提升系统的整体抗EOS能力。这本书的出版,对我来说,就像是获得了一把解开复杂可靠性问题的钥匙。
评分这本书的书名《过电应力(EOS)器件、电路与系统》让我觉得非常专业且具有实践指导意义。在我过去的工作经验中,也曾遇到过设备因为一些突发性的、难以归咎于设计缺陷的电气故障而失效,这些故障有时候难以用传统的ESD(静电放电)理论来解释。我推测,“过电应力”正是描述这类现象的一个更精确的术语。我非常期待这本书能够详细阐述EOS的来源和机制,例如,它与电源的瞬态电压、电流的过载、或者某些特殊的电磁干扰之间的关系。更重要的是,我关注书中在“器件、电路与系统”这三个层面所提供的具体解决方案。我希望能够学到如何在选择和设计电子元器件时,就考虑到其对EOS的耐受能力;如何在具体的电路设计中,集成有效的EOS保护措施,比如如何合理配置限流、限压元件;以及在构建完整的电子系统时,如何通过整体的架构和协同设计,来提高系统的抗EOS能力。这本书的内容,对于任何希望提升产品可靠性的工程师来说,都具有重要的参考价值。
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