前言：随着智能化时代的深入发展，芯片作为支撑这一时代的基础设施之一，其应用范围正变得越来越广泛。然而，在大量应用的同时，因各种原因导致的芯片失效问题也日益凸显。对于芯片厂商而言，深入分析这些失效案例的原因，已成为一项不可或缺的核心工作。本篇博客介绍一下最常见的芯片失效模式：ESD与EOS。

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1，什么是ESD与EOS

定义概念

ESD（Electrostatic Discharge）是“静电放电”的意思，代表着电子元器件由于静电的原因导致的失效情况的出现，ESD电路用于芯片在受到静电放电时保护芯片不受物理损伤。

ESD（静电放电）主要分为以下几种类型：

1）人体放电模型（Human Body Model，HBM）：这是指人体在活动过程中积累静电，然后通过接触芯片放电。

2）机器放电模型（Machine Model，MM）：由机器（例如自动化设备）产生的静电通过接触芯片放电。

3）充电器件模型（Charged Device Model，CDM）：指带静电的芯片在接触其他导体时发生的放电。

EOS（Electrical Over Stress）指电子元器件承受超过设计限值的电流或电压时引发的热破坏现象。其破坏形式包括芯片烧毁、键合线熔断等单次失效及光衰等渐进式损伤。与静电放电（ESD）相比，EOS事件持续时间更长（毫秒至秒级）、电压更低但电流更高 。防护技术上采用火花间隙结构、限流电阻器与并联保护器件组合方案，2024年3月的发明专利提出通过电弧放电机制实现EOS实时检测与防护

EOS损伤和ESD损伤的区别

EOS

常见 EOS 物理失效表现：氧化层、金属层大面积熔融以及封装体碳化等.

EOS 是指长时间（几微秒到几秒）持续的过压或大电流造成的局部过热导致的失效，其电压、电流相对 ESD 较低，但是持续时间长能量更高，经常有同一功能区块多处大面积的 burnout 现象。

ESD

常见 ESD 物理失效表现：衬底击穿、多晶硅熔融、GOX pin hole、contact melted、metal melted 等

ESD 从广义上属于 EOS 的一种，但是现场应用中我们通常把 ESD 单独归类，除此之外的过电应力统归于 EOS。其单指在静电放电过程中瞬间高电压（通常在几千或上万伏特）大电流（1~10A）状态下引发的失效现象，主要特征为放电时间极短（1~100ns），因此一般呈现为轻微的点状失效。

特性/项目	EOS（电性过应力）	ESD（静电放电）
触发来源	电源波动、测试瞬态（如热切换）、接地反弹	摩擦起电、感应耦合、人体/设备带电
持续时间	毫秒至秒级（长时过载）	纳秒至微秒级（瞬时放电）
能量特性	中高电压、总能量高	高电压、低总能量，瞬时功率极高
损伤可见性	金属熔融/烧毁、参数漂移、封装热分层	栅氧击穿、结区微损伤、金属化层电弧蚀刻
典型损伤位置	电源网络、键合线、封装基板、散热不良区域	I/O端口、ESD保护结构、栅氧薄弱点
失效扩展性	沿电流路径扩散，可引发门锁效应或多级损伤链	单点固定，不扩散
防护措施	过压/过流保护器件、电源滤波设计、热管理优化	静电泄放路径设计、防静电材料、环境控制
失效模式	金属熔断、硅基体熔化、封装开裂（硬失效）	漏电流异常、功能降级（软/硬失效）
失效分析	热成像定位烧毁区域、电镜观察金属迁移/熔化痕迹	SEM/FIB微观分析击穿点、潜在损伤电参数检测

2，机制与危害

ESD

（1）机制

ESD（静电放电）是由物体间接触和摩擦产生的电荷积累引发的放电，可能造成高达几千伏的电压，严重损害芯片的半导体和集成电路。ESD有多种产生方式，包括人体放电模型、机器放电模型、元件充电模型及电场感应模型。其危害主要包括半导体器件的即时损坏、长期器件性能下降、以及隐匿性和随机性的损伤。

（2）危害

ESD对芯片的危害不容忽视。

它可能导致半导体器件的即时损坏，如晶体管的击穿、绝缘层的破坏或金属连接的断裂，且这些损坏往往是不可逆的。此外，即使ESD事件未导致即时损坏，也可能引起器件性能的长期下降，如阈值电压的变化，导致器件在使用过程中性能不稳定。

更深远的影响是，ESD事件可能改变器件内部的微观结构，从而引发可靠性问题。

• 生产效率受损：ESD导致的设备故障和性能下降会增加返工和废品率，进而降低生产效率并增加成本。
• 数据安全风险：在某些情境下，ESD事件可能造成存储在半导体器件中的数据丢失，这对金融和医疗等行业的高数据完整性要求构成了威胁。
• 隐匿性与潜在性：ESD具有隐匿性和潜在性。人体通常无法直接感知静电，但静电放电可能对器件造成内伤，埋下隐患。这些损伤可能起初不明显，但长期使用后可能导致器件性能衰减或完全失效。
• 随机性与复杂性：静电对器件的损害具有随机性，且静电放电损伤的失效分析工作既复杂又耗时耗资，有时甚至难以与其他原因造成的损伤相区分。

EOS

（1）机制

EOS（电气过应力）是电子元件承受超出最大能力的电压或电流，导致性能衰退或损坏。其产生原因多种多样，如电源干扰、测试程序切换、雷电和浪涌、电磁干扰、接地点反跳、测试设计缺陷及其他设备的脉冲信号干扰等。EOS不仅造成物理损坏，还影响芯片性能稳定性，并增加维护成本。防护措施包括使用电阻和TVS二极管等。

（2）危害

EOS对芯片的危害不容忽视，它不仅会导致物理损坏，如封装体碳化焦糊、铜线或金线烧毁，还会影响芯片的性能，降低其稳定性，甚至可能导致未来的频繁故障，严重影响产品的使用寿命和稳定性，增加维护成本和停机时间。

3，防护策略

防护ESD的主要措施包括静电耗散、静电泄放、静电中和、静电屏蔽、环境增湿及电子产品ESD防护设计等。这些方法能有效降低静电积累并保护芯片。

• 静电耗散：通过使用静电耗散材料（其表面电阻介于10的5次方欧姆与10的11次方欧姆之间）来替代常规材料，如防静电台垫、地板和包装盒等，以降低静电积累。
• 静电泄放：设备和人员通过接地来释放静电。设备通过符合标准截面积的金属导线接地，人员则通过手环、服装和防静电鞋等措施实现接地。
• 静电中和：在难以应用接地或静电耗散措施的场合，利用离子发生器制造正负离子并吹送到需要消除静电的区域，以中和产生的静电。常见设备包括离子风机和风蛇等。
• 静电屏蔽：利用法拉第笼原理，采用封闭导体对静电源或需防护产品进行屏蔽，分为主动屏蔽和被动屏蔽两种方式。
• 环境增湿：实验证明，增加环境湿度可有效降低静电放电发生的几率。但需注意，环境增湿只能作为辅助措施，不能替代上述主要防护措施。
• 电子产品ESD防护设计：在静电敏感元器件上设置防静电电路，以降低元器件对ESD的敏感性。国内外已有多种成熟保护电路可供选择，但需注意，这些保护电路无法完全消除ESD风险。

针对EOS的防护，通过在电路中引入电阻、TVS二极管、静电屏蔽包装及设计更具耐压性的芯片结构等方法，限制流入IC的能量，提升芯片的稳定性与使用寿命。

• 电阻：通过在电路中引入电阻，可以有效地限制能量在通道中的传输，进而减少流入IC内部的能量。这种方法类似于“堵住”电流的流动，通过物理手段进行限制。
• TVS二极管：TVS二极管的作用是“疏导”，即在过压情况下迅速导通，将能量引导至安全路径。然而，TVS二极管可能无法完全疏导大浪涌能量，特别是在浪涌能量较大时，芯片内部的ESD保护电路可能无法承受，导致芯片损坏。因此，可以在TVS二极管后串联一个电阻，以进一步限制电流并保护芯片。
• 采用静电屏蔽包装、抗静电材料和静电消散材料：这些材料能够防止静电的产生并有助于消除已产生的静电，从而降低EOS对芯片的影响。
• 使用安全工作台：安全工作台可以防止在操作过程中产生的尖峰脉冲和静电释放对敏感元件造成损害。同时，定期检查工作台上是否使用无静电材料也是必要的。
• 设计和制造过程中的防护措施：在芯片设计阶段，应考虑使用更耐高压的材料和结构，以增强芯片的耐压性。此外，合理的布局和走线设计也能减少电磁干扰和电压瞬变对芯片的影响。

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参考资料：

芯片测试中的EOS失效，如何分析与解决？_仪器信息网社区

EOS（电子电气领域的电气过应力现象）_百度百科

芯片失效模式与防护策略详解：ESD与EOS分析

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