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行業(yè)資訊
IC的片上靜電放電保護(hù)
半導(dǎo)體芯片易受高電流和高電壓現(xiàn)象的影響。為了實(shí)現(xiàn)組件級(jí)保護(hù)，我們采用了片上ESD保護(hù)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(duì)象轉(zhuǎn)移到另一個(gè)對(duì)象，例如從一個(gè)人轉(zhuǎn)移到集成電路（IC）。這種電荷轉(zhuǎn)移會(huì)導(dǎo)致非常高的電流在短時(shí)間內(nèi)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，最終用戶或維護(hù)過(guò)程中擊中設(shè)備。
移動(dòng)設(shè)備，汽車電子產(chǎn)品，工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用等新興技術(shù)的迅速發(fā)展和可用性為針對(duì)ESD應(yīng)力的片上保護(hù)提出了獨(dú)特的需求。
ESD保護(hù)對(duì)于電子組件是必需的，其設(shè)計(jì)在半導(dǎo)體行業(yè)中是首要考慮的問(wèn)題。為了可靠地運(yùn)行，應(yīng)該在組件級(jí)別和設(shè)備級(jí)別都考慮ESD保護(hù)。
ESD組件測(cè)試（ESD模型）
一套標(biāo)準(zhǔn)記錄了ESD鑒定測(cè)試，以確保可靠性并認(rèn)證系統(tǒng)和組件。他們指定測(cè)試程序，測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)和例行驗(yàn)證。
本節(jié)介紹組件級(jí)測(cè)試。通過(guò)這些測(cè)試是獲得產(chǎn)品認(rèn)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(cè)試-每個(gè)代表一種特定的物理現(xiàn)象-是：
人體模型
機(jī)器型號(hào)
充電設(shè)備型號(hào)
傳輸線脈沖測(cè)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(cè)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(zhuǎn)移。
最新數(shù)據(jù)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(shù)大型組件的制造過(guò)程都采用自動(dòng)化設(shè)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(jī)器型號(hào)脈沖
開(kāi)發(fā)了機(jī)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(zhuǎn)移到組件。
充電設(shè)備型號(hào)
當(dāng)帶電設(shè)備接觸接地物體時(shí)，將發(fā)生帶電設(shè)備模型（CDM）。在此測(cè)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(jí)別復(fù)制內(nèi)部和客戶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(dāng)前，這種放電事件是現(xiàn)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。
傳輸線脈沖
在傳輸線脈沖測(cè)試（TLP）中，電壓源為傳輸線電纜充電，然后系統(tǒng)將一系列類似于ESD的脈沖放電到被測(cè)設(shè)備中。它評(píng)估在ESD壓力下運(yùn)行的設(shè)備性能。
該測(cè)試方法是HBM方法的等效方法或替代方法，還可以測(cè)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(zāi)難性的，可能導(dǎo)致IC芯片立即發(fā)生故障。
結(jié)和氧化物易于損壞。ESD引起的故障的基本機(jī)制是：
硅中的結(jié)燒壞：這是最常見(jiàn)的HBM失效機(jī)制–注入ESD瞬態(tài)能量會(huì)導(dǎo)致結(jié)擊穿。
氧化物擊穿：當(dāng)在氧化物層上施加高電壓（高電壓過(guò)應(yīng)力）導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿時(shí)，會(huì)發(fā)生ESD損壞的另一主要類別。隨著電介質(zhì)擊穿，它開(kāi)始傳導(dǎo)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(dāng)溫度（I2R熱量）達(dá)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(yīng)，發(fā)生在結(jié)或氧化物失效之后。
片上ESD保護(hù)器件
片上ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)通過(guò)為接地總線/軌道提供安全的ESD放電路徑來(lái)保護(hù)核心電路的輸入，輸出和電源引腳。這些保護(hù)結(jié)構(gòu)在常規(guī)系統(tǒng)運(yùn)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(hù)電路會(huì)將引腳鉗位到低電壓。放電電流后，它們返回截止?fàn)顟B(tài)。ESD事件不得損壞設(shè)備。
當(dāng)由于技術(shù)限制而無(wú)法進(jìn)行片上保護(hù)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(hù)解決方案。在某些情況下，使用優(yōu)化方法設(shè)計(jì)的定制解決方案可以降低成本。
ESD保護(hù)設(shè)備應(yīng)符合以下四個(gè)特征：
堅(jiān)固性
效用
速度
透明度
除了魯棒和有效之外，ESD保護(hù)電路還應(yīng)該足夠快以在被保護(hù)的主電路之前接通。此外，保護(hù)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(gòu)建塊
有多種技術(shù)來(lái)構(gòu)建保護(hù)夾。他們的選擇取決于技術(shù)和設(shè)計(jì)限制。通常用作ESD保護(hù)設(shè)備的三種設(shè)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(jié)構(gòu)，并在正向偏置時(shí)滿足低壓ESD應(yīng)用的要求。它們是在這種條件下工作的，是最好的ESD保護(hù)元件之一–具有低導(dǎo)通電壓，低導(dǎo)通電阻和高ESD電流能力。
在反向偏置下，二極管顯示出高導(dǎo)通電壓，高導(dǎo)通電阻和低電流處理能力，從而使它們不能令人滿意地獲得ESD保護(hù)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(hù)基于CMOS的設(shè)計(jì)免受ESD事件的影響。這些器件的結(jié)構(gòu)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(hù)設(shè)備。
GGNMOS器件可以工作在主動(dòng)或快速恢復(fù)模式下。在活動(dòng)操作模式下，它充當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)NMOS器件。驟回效應(yīng)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(hù)器件上的低壓下繼續(xù)流動(dòng)。快照是最常見(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(dǎo)機(jī)制而成為最有效的ESD保護(hù)器件。
缺點(diǎn)是容易閂鎖-ESD事件結(jié)束后電流傳導(dǎo)。通過(guò)正確的設(shè)計(jì)，它們可以提供可承受的閂鎖風(fēng)險(xiǎn)的出色ESD性能。
請(qǐng)注意，雖然二極管是非快照型設(shè)備，但SCR和GGNMOS具有快照特性。
片上ESD保護(hù)策略
ESD保護(hù)策略包括鉗位過(guò)應(yīng)力電壓并使用片上保護(hù)結(jié)構(gòu)為ESD電流提供放電路徑。
內(nèi)置片上ESD保護(hù)電路可保護(hù)輸入，輸出和電源焊盤免受ESD事件的影響。
這些保護(hù)元件在被保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)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(cè)上升時(shí)間和過(guò)電壓。當(dāng)檢測(cè)到ESD脈沖時(shí)，保護(hù)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(shè)計(jì)，其中在輸入，輸出和電源端子上添加了ESD保護(hù)電路
圖5.片上ESD保護(hù)電路。
該網(wǎng)絡(luò)由以下保護(hù)組件組成：
輸入板接地（Vss）
輸入板到電源軌（Vdd）
輸出焊盤接地（Vss）
輸出板到電源軌（Vdd）
接地的電源軌（Vdd）（Vss）
ESD保護(hù)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(píng)
靜電放電（ESD）現(xiàn)象是由于兩個(gè)電位不同的物體之間的靜電荷轉(zhuǎn)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(hù)方法將ESD電流分流通過(guò)安全的放電路徑，耗散ESD設(shè)備中的能量，并將電壓鉗位在安全水平。
隨著半導(dǎo)體尺寸的縮小以提高其性能，ESD失效變得更加嚴(yán)重。
驗(yàn)證ESD抗擾性和電路設(shè)計(jì)的可靠性至關(guān)重要。重要的組件級(jí)別標(biāo)準(zhǔn)是人體模型（HBM），機(jī)器模型（MM）和充電設(shè)備模型（CDM）。
與ESD相關(guān)的常見(jiàn)故障是結(jié)燒壞，氧化物擊穿和金屬化燒壞。
ESD保護(hù)器件的示例是二極管，GGNMOS和SCR器件。
片上ESD保護(hù)器件可保護(hù)內(nèi)部電路免受ESD損害。電壓鉗位設(shè)備在正常情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，但在達(dá)到其閾值電壓后才傳送電流。