WAYON维安ESD&EOS产品特性分析，帮助您避免保护盲区
ESD&EOS产品特性分析，帮助您避免保护盲区 科技产品永远不会缺乏无拘无束的想象力。设计师们有一个广泛的想象力，创造了各种酷和实用的高科技电子产品，使我们的生活更加方便和有趣。因此，创新是电子行业持久的长期逻辑基础，支持创新的引擎是半导体行业的频繁迭代和技术升级。
事实上，半导体产品技术和技术的升级是在同一硅片上积累更多的电子元件，以实现更小的体积、更小的功耗和更强大的功能。可见，随着数据速率的不断提高，系统芯片的计算能力越来越强，IC在微型化和有限的空间中，有多种电源要求，组件和系统ESD也越来越敏感。小型半导体工艺的趋势也会导致ESD风险增加，因为较小的电压会损坏较薄的栅极氧化层。尽管面临着这些挑战，但通过优化幸运的ESD可以避免或大幅减少保护概念ESD造成损坏或EOS(电气过应力)。
#简述设备结构
PART 1.
回顾历史，早在20世纪60年代，人们就开始注意到它ESD在包装材料中增加导电性材料，以减弱静电的产生和积累。时至今天，ESD&EOS保护产品护产品的体系，呈现出多技术、多框架的特点。从产品工艺布局的角度来看，半导体设备具有水平和垂直布局；从技术平台的角度来看，半导体设备具有传统的PN结构，小步回结构（shallow snapback）大步回结构（deep snapback）。
图1 常规PN结结构
图2 小骤回结构
图3 大骤回结构
维安作为一家深入从事保护设备领域20多年的制造商，已经完全掌握了上述所有工艺和技术平台。传统结构在相同的工作电压条件下击穿电压较低，启动速度较快；在相同的工作电压条件下，突回结构的钳位电压较低。
基于不同工艺平台的产品有其特定的优势。客户如何根据自己的实际应用选择最合适的产品？
#理论简析
PART 2.
IEC61000-4-2标准波形图模拟了电路使用环境中遇到的情况ESD&EOS，从图中分析，第一和第二峰似乎都损坏了后端IC的可能。
第一个峰值时间短，但电压高；第二个峰值电压低，但时间长（为了便于理解，标准电流波形乘以固定阻抗，实际电压更复杂）。ESD&EOS在释放浪涌电流的同时，保护装置可以将电压钳位置，使后段IC只需承受钳位电压而不损坏。
图4 IEC61000-4-2电流波形
图5 IEC61000-4-5电流波形
图6 EOS保护装置钳位电压波形图
集成度越来越高IC硅氧化层介质层的绝缘性能为电路ESD&EOS能力的关键。首先，用泊松方程简单分析一下IC I/O端口介质层的物理击穿特性。
φ代表电势（单位为伏特）， ρ电荷密度(单位为库仑/立方米)ε0是真空电容率(单位为法拉/米)。
物理方程(注1)用泊松方程和电流方程获得介质表面捕获空穴电荷密度随时间变化的物理方程:
从方程中可以看出，除了时间之外，在介质表面积累的电荷(以氧化层为例)τ有关系外，还与外加电场E有关系。考虑到IC I/O外部电压是不恒定的，时间单位可能是ns、us甚至是ms，所以电场E也是不恒定的。HBM ESD经过推导和计算，脉冲条件下的氧化层捕获空穴密度：
当氧化层捕获空穴密度达到临界值时，介质层被击穿。从上述简单分析可以看出，击穿的临界值、加电场强度和氧化层厚度tox与时间有关。
结束理论分析，我们得出结论，IC I/O当端口受到外部能量的影响时，有许多不确定性导致其损坏和突破。然而，在实际设计中，研发工程师很难进行理论计算，几乎没有芯片供应商会IC规格中详细说明了其浪涌耐受性和芯片工艺。
从通信端口的发展来看，最早的低速通信线路的电压振幅相对较高，端口的耐压性相对较高；从保护的角度来看，端口的高耐压性能容忍较高的钳位电压；从通信速率来看，较低的通信速率可以接受较大的寄生电容器。
综上所述，在一定范围内，保护装置的钳位电压对保护效果影响不大，选择性强。随着通信速度的提高，信号线振幅值和端口耐压性不断降低，对保护装置提出了新的挑战。一方面，在相同的测试条件下，钳位电压应较低，寄生电容应超低。传统结构的设备不再满足客户的需求。
如HDMI端口接口芯片耐压性低，不同厂家的耐压值不同。为了确保所有测试都通过，保护装置必须与最低耐压相兼容。在工程应用中，也存在线路过长、接地不稳定等原因μs级别甚至ms引入高能量破坏性波形，应用突回结构。
突然回转结构可实现低电容、高耐压、钳位电压很低。超低电容器不会对高速通信中的信号产生很大的影响。高耐压可避免误动作，钳位电压低可有效保护ESD被保护装置无需承受过高的电压。从客户的角度来看，低电容、低钳位电压的应用需求相对完美。
维安总结了以下应用要点：
常规结构
几乎适用于所有的端口保护，具体参数与受保护的端口电特性有关。但对于一些耐压差设备，可能会出现测试失败。
小骤回结构
适用于信号端口和部分工艺不良的电源IC接口。与传统结构相同的试验条件下，钳位电压较低。选型要注意VBO、IH和VH防止浪涌电压小于参数VBO保护盲区和VH锁锁出现在电源波动高电压下。
大骤回结构
高速信号接口适用于高工艺工艺，具有超低电容和钳位电压，对耐压敏感接口具有良好的保护作用，不建议使用电流源驱动端口。对于此类设备，注意更多的参数，选择必须小心，可能会导致端口锁或故障。
#具体案例分析
PART 3.
客户需要在信号端口EOS测试和ESD测试。客户还选择了A制造商的小型突回性设备α以及维安公司的设备β。
规格数据如下：
TLP曲线：
图7 器件α TLP曲线
图8 器件β TLP曲线
从规格书的一些参数可以看出，两种产品的性能相对接近，主要是由于结构不同。试验结果如下：
α该装置可通过浪涌等级20V，但是在从8V在初始步进测试中，12V和14V后端出现了IC因此，当浪涌电压较高时，设备起到保护作用；β但是可以通过整个浪涌等级的测试。对比设备规格书，α的VC比β好的。通过示波器抓取电压获得以下波形：
图9 装置钳位后的电压波形(红色)α，绿色β）
从波形可以看出，红阴影S红和绿阴影S绿是两个器件的能量分布差异；α器件在12V在附近的电压条件下，它促使设备trigger后端的打开时间太长甚至没有打开IC却无法承受施加的浪涌能量，导致后端IC失效。反观β装置，只要浪涌电压超过装置的击穿电压，装置就会移动并快速夹紧电压，以保护后端IC的目的。
对于经验丰富的测试和研发人员，当外部施加时EOS比如16V以上，此时突然返回结构的优点开始突出，钳位效果会更好。但作为设备的可靠性保护，其保护范围必须是保护等级定义下的全浪涌范围，而不是保护盲点。
#总结
PART 4.
不同结构的TVS当设备保护后端设备时，结果不确定。除了设备本身的参数外，研发人员在设计保护方案时还需要了解其产品的特点、可能的环境能量估计和对保护设备的一般选择，以达到最佳的产品保护目的。
目前，业内大多数制造商直接推荐电路，直接告诉设计师答案选择哪个设备，但很少提供理论推断和计算选择过程。大多数电子工程师都是针对的ESD&EOS选型时，老人凭经验，新人凭参考，一旦更换厂家或更换测试条件，就无从下手。
依靠优秀的维安FAE技术团队和完善EMC实验室可以设计、优化和整改方案，为客户提供优质的服务，为客户的产品提供强有力的保护。
注1:理论分析参考朱可平教授的文章。