IC的片上靜電放電保護

2021-02-01

半導體芯片易受高電流和高電壓現象的影響。為了實(shí)現組件級保護，我們采用了片上ESD保護電路來(lái)提供安全的ESD電流放電路徑。

靜電放電（ESD）是電子產(chǎn)品的常見(jiàn)威脅。在ESD事件期間，大量電荷從一個(gè)對象轉移到另一個(gè)對象，例如從一個(gè)人轉移到集成電路（IC）。這種電荷轉移會(huì )導致非常高的電流在短時(shí)間內流經(jīng)IC，如果無(wú)法迅速耗散能量，則會(huì )損壞該器件。

ESD會(huì )在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中，制造和組裝過(guò)程中，最終用戶(hù)或維護過(guò)程中擊中設備。

移動(dòng)設備，汽車(chē)電子產(chǎn)品，工業(yè)和醫療應用等新興技術(shù)的迅速發(fā)展和可用性為針對ESD應力的片上保護提出了獨特的需求。

ESD保護對于電子組件是必需的，其設計在半導體行業(yè)中是首要考慮的問(wèn)題。為了可靠地運行，應該在組件級別和設備級別都考慮ESD保護。

ESD組件測試（ESD模型）

一套標準記錄了ESD鑒定測試，以確?？煽啃圆⒄J證系統和組件。他們指定測試程序，測試設備校準和例行驗證。

本節介紹組件級測試。通過(guò)這些測試是獲得產(chǎn)品認證并將其推向市場(chǎng)的先決條件。

可能在日常生活中的各個(gè)組件中發(fā)生的ESD事件的模型或測試-每個(gè)代表一種特定的物理現象-是：

人體模型

機器型號 

充電設備型號 

傳輸線(xiàn)脈沖測試 

人體模型

人體模型（HBM）在被充電的人用手指觸摸組件時(shí)發(fā)生。最初是為采礦業(yè)開(kāi)發(fā)的，這是最古老的ESD測試–它模擬電荷從手指到其他引腳接地的集成電路引腳的轉移。 

最新數據表明，HBM很少模擬實(shí)際的ESD事件。最新一代的包裝樣式通常太小，以至于人們無(wú)法用手指操作，并且大多數大型組件的制造過(guò)程都采用自動(dòng)化設備，因此人們幾乎不會(huì )觸摸組件。

圖1顯示了HBM脈沖波形。

圖1. HBM脈沖波形示例。

機器型號脈沖

開(kāi)發(fā)了機器模型（MM）脈沖來(lái)模擬ESD事件，其中帶電的金屬物體接觸IC引腳。圖2顯示了MM脈沖波形。 

圖2. MM脈沖波形示例。圖片基于SH Voldman，2012。

在HBM和MM模型中，電荷轉移到組件。

充電設備型號

當帶電設備接觸接地物體時(shí)，將發(fā)生帶電設備模型（CDM）。在此測試方法中，組件是電荷源，并且它通過(guò)接地體放電。 

CDM模型在組件級別復制內部和客戶(hù)IC故障。它確定了IC易受ESD事件的影響，其中帶電的封裝通過(guò)接地的金屬物體放電。當前，這種放電事件是現代電路中ESD故障的主要原因。

圖3顯示了CDM電流波形。 

圖3. CDM電流波形示例。

傳輸線(xiàn)脈沖

在傳輸線(xiàn)脈沖測試（TLP）中，電壓源為傳輸線(xiàn)電纜充電，然后系統將一系列類(lèi)似于ESD的脈沖放電到被測設備中。它評估在ESD壓力下運行的設備性能。 

該測試方法是HBM方法的等效方法或替代方法，還可以測量或表征ESD性能。

圖4顯示了TLP脈沖波形。

圖4. TLP脈沖波形示例。

常見(jiàn)的ESD故障

ESD故障是災難性的，可能導致IC芯片立即發(fā)生故障。

結和氧化物易于損壞。ESD引起的故障的基本機制是：

硅中的結燒壞：這是最常見(jiàn)的HBM失效機制–注入ESD瞬態(tài)能量會(huì )導致結擊穿。

氧化物擊穿：當在氧化物層上施加高電壓（高電壓過(guò)應力）導致電介質(zhì)擊穿時(shí)，會(huì )發(fā)生ESD損壞的另一主要類(lèi)別。隨著(zhù)電介質(zhì)擊穿，它開(kāi)始傳導電流。電流產(chǎn)生的熱量會(huì )產(chǎn)生熱點(diǎn)，并使電介質(zhì)，硅和其他材料熔化。

金屬化燒毀：這會(huì )在互連路徑中產(chǎn)生開(kāi)口。當溫度（I2R熱量）達到材料的熔點(diǎn)時(shí)，就會(huì )發(fā)生這種情況。它通常是繼發(fā)效應，發(fā)生在結或氧化物失效之后。

片上ESD保護器件

片上ESD保護結構通過(guò)為接地總線(xiàn)/軌道提供安全的ESD放電路徑來(lái)保護核心電路的輸入，輸出和電源引腳。這些保護結構在常規系統運行期間會(huì )關(guān)閉，但在發(fā)生ESD事件時(shí)會(huì )迅速打開(kāi)，從而將浪涌電流釋放到地面。

在事件期間，保護電路會(huì )將引腳鉗位到低電壓。放電電流后，它們返回截止狀態(tài)。ESD事件不得損壞設備。

當由于技術(shù)限制而無(wú)法進(jìn)行片上保護時(shí)，可以使用位于電纜，連接器，陶瓷載體或電路板上的片外保護解決方案。在某些情況下，使用優(yōu)化方法設計的定制解決方案可以降低成本。

ESD保護設備應符合以下四個(gè)特征：

堅固性

效用

速度

透明度

除了魯棒和有效之外，ESD保護電路還應該足夠快以在被保護的主電路之前接通。此外，保護電路必須是透明的，并且不得改變主電路的性能

ESD電路的構建塊

有多種技術(shù)來(lái)構建保護夾。他們的選擇取決于技術(shù)和設計限制。通常用作ESD保護設備的三種設備是：

二極體

接地柵極N溝道MOSFET

可控硅整流器 

二極管

二極管具有最簡(jiǎn)單的結構，并在正向偏置時(shí)滿(mǎn)足低壓ESD應用的要求。它們是在這種條件下工作的，是最好的ESD保護元件之一–具有低導通電壓，低導通電阻和高ESD電流能力。 

在反向偏置下，二極管顯示出高導通電壓，高導通電阻和低電流處理能力，從而使它們不能令人滿(mǎn)意地獲得ESD保護器件。缺點(diǎn)是泄漏電流增加。

接地柵極N溝道MOSFET 

接地柵極n溝道MOSFET（GGNMOS）通常用于保護基于CMOS的設計免受ESD事件的影響。這些器件的結構和操作與普通MOS相似。但是，他們采用了不同的布局技術(shù)來(lái)優(yōu)化性能，以作為ESD保護設備。 

GGNMOS器件可以工作在主動(dòng)或快速恢復模式下。在活動(dòng)操作模式下，它充當標準NMOS器件。驟回效應使低壓下的大電流通過(guò)–高壓ESD事件觸發(fā)電流流動(dòng)；但是，該電流在ESD保護器件上的低壓下繼續流動(dòng)?？煺帐亲畛Ｒ?jiàn)的操作模式。缺點(diǎn)是其魯棒性低。

可控硅整流器

就其高魯棒性而言，可控硅整流器（SCR）由于其雙極傳導機制而成為最有效的ESD保護器件。 

缺點(diǎn)是容易閂鎖-ESD事件結束后電流傳導。通過(guò)正確的設計，它們可以提供可承受的閂鎖風(fēng)險的出色ESD性能。

請注意，雖然二極管是非快照型設備，但SCR和GGNMOS具有快照特性。

片上ESD保護策略

ESD保護策略包括鉗位過(guò)應力電壓并使用片上保護結構為ESD電流提供放電路徑。

內置片上ESD保護電路可保護輸入，輸出和電源焊盤(pán)免受ESD事件的影響。

這些保護元件在被保護設備正常運行期間保持無(wú)源狀態(tài)，僅在存在ESD脈沖的情況下才激活-通過(guò)檢測上升時(shí)間和過(guò)電壓。當檢測到ESD脈沖時(shí)，保護電路將為ESD電流提供安全的放電路徑。

圖5顯示了一種典型設計，其中在輸入，輸出和電源端子上添加了ESD保護電路 

圖5.片上ESD保護電路。 

該網(wǎng)絡(luò )由以下保護組件組成：

輸入板接地（Vss）

輸入板到電源軌（Vdd）

輸出焊盤(pán)接地（Vss）

輸出板到電源軌（Vdd）

接地的電源軌（Vdd）（Vss）

ESD保護技術(shù)可用于所有重要工藝，包括CMOS，BiCMOS和III-V化合物。

接地IC述評 

靜電放電（ESD）現象是由于兩個(gè)電位不同的物體之間的靜電荷轉移而引起的。由于能量的大量快速消耗，它會(huì )損壞IC。

ESD保護方法將ESD電流分流通過(guò)安全的放電路徑，耗散ESD設備中的能量，并將電壓鉗位在安全水平。

隨著(zhù)半導體尺寸的縮小以提高其性能，ESD失效變得更加嚴重。

驗證ESD抗擾性和電路設計的可靠性至關(guān)重要。重要的組件級別標準是人體模型（HBM），機器模型（MM）和充電設備模型（CDM）。

與ESD相關(guān)的常見(jiàn)故障是結燒壞，氧化物擊穿和金屬化燒壞。

ESD保護器件的示例是二極管，GGNMOS和SCR器件。

片上ESD保護器件可保護內部電路免受ESD損害。電壓鉗位設備在正常情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，但在達到其閾值電壓后才傳送電流。