CMOS技術(shù)中集成電路的ESD保護設計

2020-10-27

ESD是靜態(tài)釋放的電荷（靜電）。這主要是由停留在特定表面或環(huán)境空氣中的電子失衡造成的。由電子的缺乏或過(guò)剩引起的電子不平衡會(huì )導致電場(chǎng)，該電場(chǎng)能夠遠距離影響其他物體。

ESD也指的是當兩個(gè)帶相反電荷的物體相互接觸時(shí)發(fā)生的情況。如果這兩個(gè)物體距離足夠近，則會(huì )釋放電壓，產(chǎn)生電壓尖峰，并產(chǎn)生電磁場(chǎng)。

我們會(huì )定期觀(guān)察ESD的影響。研究發(fā)現，一個(gè)典型的人體在一個(gè)8小時(shí)的工作日內可以積累500至2500伏的電荷（稱(chēng)為“靜電勢”）。但是，在25伏左右會(huì )損壞電子部件。

靜電防護的重要性

ESD故障是集成電路（IC）和其他電子系統最具挑戰性的可靠性問(wèn)題之一。實(shí)際上，行業(yè)統計數據表明，超過(guò)30％的IC故障是由ESD或電過(guò)載（EOS）事件引起的，每年給行業(yè)造成數十億美元的損失。

但是，知道存在問(wèn)題和解決該問(wèn)題并不是相互排斥的。此外，當前的解決方案不是萬(wàn)能的解決方案。盡管這些EMI（電磁干擾）確實(shí)可能給電子系統帶來(lái)同等程度的危險，但是它們的攻擊方法并不統一。

了解如何防止EOS事件可以節省時(shí)間和金錢(qián)

眾所周知，所有IC和其他電子產(chǎn)品都需要ESD保護。但是，并非每種預防措施對于遇到的每種ESD模型都同樣有效。在接下來(lái)的幾段中，我將進(jìn)一步闡述它們所構成的不同模型和保護問(wèn)題。正如我之前所避免的，這也將進(jìn)一步說(shuō)明，不保證一種尺寸適合所有方法。

ESD應力模型的類(lèi)型

ESD可能在各種情況下發(fā)生。為了更好地解決這些問(wèn)題，已將這些ESD應力模型分為三種特定類(lèi)型或模型。ESD應力模型的三種類(lèi)型是人體模型（HBM），機器模型（MM）和充電設備模型（CDM）。

這三個(gè)基本模型在行業(yè)中用于測量IC的ESD保護水平，并評估ESD應力在不同情況下的影響。

人體模型

顧名思義，HBM表示由ESD現象引起的ESD應力，該現象在帶靜電的人體接觸芯片并形成放電路徑時(shí)發(fā)生。 

機器型號

MM表示ESD應力，該現象是由帶電的帶電荷的機器或工具與芯片接觸并在生產(chǎn)線(xiàn)上形成向地面的放電路徑時(shí)發(fā)生的現象引起的。

充電設備型號

CDM是一種在制造，生產(chǎn)或運輸過(guò)程中對IC（集成芯片）充電的方案。此外，在IC與任何導體或地線(xiàn)接觸后，電荷在IC內部和外部之間發(fā)生轉移。

CMOS技術(shù)中的ESD保護設計

CMOS技術(shù)中的集成電路需要靜電放電（ESD）保護設計。CMOS技術(shù)中的ESD保護器件的選擇包括二極管，MOSFET和可控硅整流器（SCR）。

但是，這些ESD保護設備具有一些不良的副作用。簡(jiǎn)而言之，由于寄生電容，它們會(huì )在高頻輸入/輸出（I / O）焊盤(pán)上造成信號損耗。因此，為了使這些ESD保護電路對高頻性能的影響最小，必須仔細設計I / O焊盤(pán)上的ESD保護電路。

一旦能夠減小寄生電容，就可以輕松地將ESD保護電路與高頻電路組合或共同設計。隨著(zhù)高頻電路工作頻率的提高，針對高頻應用的片上ESD保護設計將持續成為重要的設計因素。

CDM ESD保護設計挑戰

近年來(lái)，隨著(zhù)自動(dòng)機械和設備在生產(chǎn)線(xiàn)上的廣泛使用，CDM已被證明是所有ESD應力模型中最具破壞性的放電機制。就ESD保護設計而言，CDM已逐漸成為最重要的問(wèn)題。

創(chuàng )建ESD安全環(huán)境將有助于提高測試的可靠性 

CDM的最重要特征之一是低阻抗放電路徑，這導致了極快的電荷轉移。這個(gè)特殊的屬性使CDM成為CMOS技術(shù)中ESD保護的設計考慮因素。這就是為什么在CDM放電期間，上升時(shí)間非常短（通常為0.25-0.75ns）的原因，這需要較短的CDM ESD保護設計觸發(fā)時(shí)間。

另外，隨著(zhù)芯片集成技術(shù)的改進(jìn)和新封裝技術(shù)的發(fā)展，芯片的等效寄生電容增加。因此，導致芯片所攜帶的電荷量增加，并且這需要CDM ESD保護設計的保護能力得到提高。

總之，不能夸大CMOS技術(shù)中IC的ESD保護設計的重要性。隨著(zhù)IC在應用和功能方面的不斷發(fā)展和功能的不斷發(fā)展，很明顯，ESD保護設計也必須發(fā)展。