IC的片上静電(diàn)放電(diàn)保护

2021-02-01

半导體(tǐ)芯片易受高電(diàn)流和高電(diàn)压现象的影响。為(wèi)了实现组件级保护，我们采用(yòng)了片上ESD保护電(diàn)路来提供安全的ESD電(diàn)流放電(diàn)路径。

静電(diàn)放電(diàn)（ESD）是電(diàn)子产品的常见威胁。在ESD事件期间，大量電(diàn)荷从一个对象转移到另一个对象，例如从一个人转移到集成電(diàn)路（IC）。这种電(diàn)荷转移会导致非常高的電(diàn)流在短时间内流经IC，如果无法迅速耗散能(néng)量，则会损坏该器件。

ESD会在产品的整个生命周期中，制造和组装过程中，最终用(yòng)户或维护过程中击中设备。

移动设备，汽車(chē)電(diàn)子产品，工业和医疗应用(yòng)等新(xīn)兴技术的迅速发展和可(kě)用(yòng)性為(wèi)针对ESD应力的片上保护提出了独特的需求。

ESD保护对于電(diàn)子组件是必需的，其设计在半导體(tǐ)行业中是首要考虑的问题。為(wèi)了可(kě)靠地运行，应该在组件级别和设备级别都考虑ESD保护。

ESD组件测试（ESD模型）

一套标准记录了ESD鉴定测试，以确保可(kě)靠性并认证系统和组件。他(tā)们指定测试程序，测试设备校准和例行验证。

本节介绍组件级测试。通过这些测试是获得产品认证并将其推向市场的先决条件。

可(kě)能(néng)在日常生活中的各个组件中发生的ESD事件的模型或测试-每个代表一种特定的物(wù)理(lǐ)现象-是：

人體(tǐ)模型

机器型号 

充電(diàn)设备型号 

传输線(xiàn)脉冲测试 

人體(tǐ)模型

人體(tǐ)模型（HBM）在被充電(diàn)的人用(yòng)手指触摸组件时发生。最初是為(wèi)采矿业开发的，这是最古老的ESD测试–它模拟電(diàn)荷从手指到其他(tā)引脚接地的集成電(diàn)路引脚的转移。 

最新(xīn)数据表明，HBM很(hěn)少模拟实际的ESD事件。最新(xīn)一代的包装样式通常太小(xiǎo)，以至于人们无法用(yòng)手指操作，并且大多(duō)数大型组件的制造过程都采用(yòng)自动化设备，因此人们几乎不会触摸组件。

图1显示了HBM脉冲波形。

图1. HBM脉冲波形示例。

机器型号脉冲

开发了机器模型（MM）脉冲来模拟ESD事件，其中带電(diàn)的金属物(wù)體(tǐ)接触IC引脚。图2显示了MM脉冲波形。 

图2. MM脉冲波形示例。图片基于SH Voldman，2012。

在HBM和MM模型中，電(diàn)荷转移到组件。

充電(diàn)设备型号

当带電(diàn)设备接触接地物(wù)體(tǐ)时，将发生带電(diàn)设备模型（CDM）。在此测试方法中，组件是電(diàn)荷源，并且它通过接地體(tǐ)放電(diàn)。 

CDM模型在组件级别复制内部和客户IC故障。它确定了IC易受ESD事件的影响，其中带電(diàn)的封装通过接地的金属物(wù)體(tǐ)放電(diàn)。当前，这种放電(diàn)事件是现代電(diàn)路中ESD故障的主要原因。

图3显示了CDM電(diàn)流波形。 

图3. CDM電(diàn)流波形示例。

传输線(xiàn)脉冲

在传输線(xiàn)脉冲测试（TLP）中，電(diàn)压源為(wèi)传输線(xiàn)電(diàn)缆充電(diàn)，然后系统将一系列类似于ESD的脉冲放電(diàn)到被测设备中。它评估在ESD压力下运行的设备性能(néng)。 

该测试方法是HBM方法的等效方法或替代方法，还可(kě)以测量或表征ESD性能(néng)。

图4显示了TLP脉冲波形。

图4. TLP脉冲波形示例。

常见的ESD故障

ESD故障是灾难性的，可(kě)能(néng)导致IC芯片立即发生故障。

结和氧化物(wù)易于损坏。ESD引起的故障的基本机制是：

硅中的结烧坏：这是最常见的HBM失效机制–注入ESD瞬态能(néng)量会导致结击穿。

氧化物(wù)击穿：当在氧化物(wù)层上施加高電(diàn)压（高電(diàn)压过应力）导致電(diàn)介质击穿时，会发生ESD损坏的另一主要类别。随着電(diàn)介质击穿，它开始传导電(diàn)流。電(diàn)流产生的热量会产生热点，并使電(diàn)介质，硅和其他(tā)材料熔化。

金属化烧毁：这会在互连路径中产生开口。当温度（I²R热量）达到材料的熔点时，就会发生这种情况。它通常是继发效应，发生在结或氧化物(wù)失效之后。

片上ESD保护器件

片上ESD保护结构通过為(wèi)接地总線(xiàn)/轨道提供安全的ESD放電(diàn)路径来保护核心電(diàn)路的输入，输出和電(diàn)源引脚。这些保护结构在常规系统运行期间会关闭，但在发生ESD事件时会迅速打开，从而将浪涌電(diàn)流释放到地面。

在事件期间，保护電(diàn)路会将引脚钳位到低電(diàn)压。放電(diàn)電(diàn)流后，它们返回截止状态。ESD事件不得损坏设备。

当由于技术限制而无法进行片上保护时，可(kě)以使用(yòng)位于電(diàn)缆，连接器，陶瓷载體(tǐ)或電(diàn)路板上的片外保护解决方案。在某些情况下，使用(yòng)优化方法设计的定制解决方案可(kě)以降低成本。

ESD保护设备应符合以下四个特征：

坚固性

效用(yòng)

速度

透明度

除了鲁棒和有(yǒu)效之外，ESD保护電(diàn)路还应该足够快以在被保护的主電(diàn)路之前接通。此外，保护電(diàn)路必须是透明的，并且不得改变主電(diàn)路的性能(néng)

ESD電(diàn)路的构建块

有(yǒu)多(duō)种技术来构建保护夹。他(tā)们的选择取决于技术和设计限制。通常用(yòng)作ESD保护设备的三种设备是：

二极體(tǐ)

接地栅极N沟道MOSFET

可(kě)控硅整流器 

二极管

二极管具有(yǒu)最简单的结构，并在正向偏置时满足低压ESD应用(yòng)的要求。它们是在这种条件下工作的，是最好的ESD保护元件之一–具有(yǒu)低导通電(diàn)压，低导通電(diàn)阻和高ESD電(diàn)流能(néng)力。 

在反向偏置下，二极管显示出高导通電(diàn)压，高导通電(diàn)阻和低電(diàn)流处理(lǐ)能(néng)力，从而使它们不能(néng)令人满意地获得ESD保护器件。缺点是泄漏電(diàn)流增加。

接地栅极N沟道MOSFET 

接地栅极n沟道MOSFET（GGNMOS）通常用(yòng)于保护基于CMOS的设计免受ESD事件的影响。这些器件的结构和操作与普通MOS相似。但是，他(tā)们采用(yòng)了不同的布局技术来优化性能(néng)，以作為(wèi)ESD保护设备。 

GGNMOS器件可(kě)以工作在主动或快速恢复模式下。在活动操作模式下，它充当标准NMOS器件。骤回效应使低压下的大電(diàn)流通过–高压ESD事件触发電(diàn)流流动；但是，该電(diàn)流在ESD保护器件上的低压下继续流动。快照是最常见的操作模式。缺点是其鲁棒性低。

可(kě)控硅整流器

就其高鲁棒性而言，可(kě)控硅整流器（SCR）由于其双极传导机制而成為(wèi)最有(yǒu)效的ESD保护器件。 

缺点是容易闩锁-ESD事件结束后電(diàn)流传导。通过正确的设计，它们可(kě)以提供可(kě)承受的闩锁风险的出色ESD性能(néng)。

请注意，虽然二极管是非快照型设备，但SCR和GGNMOS具有(yǒu)快照特性。

片上ESD保护策略

ESD保护策略包括钳位过应力電(diàn)压并使用(yòng)片上保护结构為(wèi)ESD電(diàn)流提供放電(diàn)路径。

内置片上ESD保护電(diàn)路可(kě)保护输入，输出和電(diàn)源焊盘免受ESD事件的影响。

这些保护元件在被保护设备正常运行期间保持无源状态，仅在存在ESD脉冲的情况下才激活-通过检测上升时间和过電(diàn)压。当检测到ESD脉冲时，保护電(diàn)路将為(wèi)ESD電(diàn)流提供安全的放電(diàn)路径。

图5显示了一种典型设计，其中在输入，输出和電(diàn)源端子上添加了ESD保护電(diàn)路 

图5.片上ESD保护電(diàn)路。 

该网络由以下保护组件组成：

输入板接地（Vss）

输入板到電(diàn)源轨（Vdd）

输出焊盘接地（Vss）

输出板到電(diàn)源轨（Vdd）

接地的電(diàn)源轨（Vdd）（Vss）

ESD保护技术可(kě)用(yòng)于所有(yǒu)重要工艺，包括CMOS，BiCMOS和III-V化合物(wù)。

接地IC述评 

静電(diàn)放電(diàn)（ESD）现象是由于两个電(diàn)位不同的物(wù)體(tǐ)之间的静電(diàn)荷转移而引起的。由于能(néng)量的大量快速消耗，它会损坏IC。

ESD保护方法将ESD電(diàn)流分(fēn)流通过安全的放電(diàn)路径，耗散ESD设备中的能(néng)量，并将電(diàn)压钳位在安全水平。

随着半导體(tǐ)尺寸的缩小(xiǎo)以提高其性能(néng)，ESD失效变得更加严重。

验证ESD抗扰性和電(diàn)路设计的可(kě)靠性至关重要。重要的组件级别标准是人體(tǐ)模型（HBM），机器模型（MM）和充電(diàn)设备模型（CDM）。

与ESD相关的常见故障是结烧坏，氧化物(wù)击穿和金属化烧坏。

ESD保护器件的示例是二极管，GGNMOS和SCR器件。

片上ESD保护器件可(kě)保护内部電(diàn)路免受ESD损害。電(diàn)压钳位设备在正常情况下处于关闭状态，但在达到其阈值電(diàn)压后才传送電(diàn)流。