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。為了實現組件級保護，我們采用了片上ESD保護電路來提供安全的ESD電流放電路徑。

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

ESD會在產品的整個生命周期中，制造和組裝過程中，最終用戶或維護過程中擊中設備。

移動設備，汽車電子產品，工業和醫療應用等新興技術的迅速發展和可用性為針對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中是首要考慮的問題。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。通過這些測試是獲得產品認證并將其推向市場的先決條件。

可能在日常生活中的各個組件中發生的ESD事件的模型或測試-每個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發生。最初是為采礦業開發的，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很少模擬實際的ESD事件。最新一代的包裝樣式通常太小，以至于人們無法用手指操作，并且大多數大型組件的制造過程都采用自動化設備，因此人們幾乎不會觸摸組件。

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

開發了機器模型（MM）脈沖來模擬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，將發生帶電設備模型（CDM）。在此測試方法中，組件是電荷源，并且它通過接地體放電。 

CDM模型在組件級別復制內部和客戶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。

傳輸線脈沖

在傳輸線脈沖測試（TLP）中，電壓源為傳輸線電纜充電，然后系統將一系列類似于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。

常見的ESD故障

ESD故障是災難性的，可能導致IC芯片立即發生故障。

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：這是最常見的HBM失效機制–注入ESD瞬態能量會導致結擊穿。

氧化物擊穿：當在氧化物層上施加高電壓（高電壓過應力）導致電介質擊穿時，會發生ESD損壞的另一主要類別。隨著電介質擊穿，它開始傳導電流。電流產生的熱量會產生熱點，并使電介質，硅和其他材料熔化。

金屬化燒毀：這會在互連路徑中產生開口。當溫度（I2R熱量）達到材料的熔點時，就會發生這種情況。它通常是繼發效應，發生在結或氧化物失效之后。

片上ESD保護器件

片上ESD保護結構通過為接地總線/軌道提供安全的ESD放電路徑來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關閉，但在發生ESD事件時會迅速打開，從而將浪涌電流釋放到地面。

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

當由于技術限制而無法進行片上保護時，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

有多種技術來構建保護夾。他們的選擇取決于技術和設計限制。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

二極管具有最簡單的結構，并在正向偏置時滿足低壓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意地獲得ESD保護器件。缺點是泄漏電流增加。

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來優化性能，以作為ESD保護設備。 

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

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。 

缺點是容易閂鎖-ESD事件結束后電流傳導。通過正確的設計，它們可以提供可承受的閂鎖風險的出色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源狀態，僅在存在ESD脈沖的情況下才激活-通過檢測上升時間和過電壓。當檢測到ESD脈沖時，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。 

該網絡由以下保護組件組成：

輸入板接地（Vss）

輸入板到電源軌（Vdd）

輸出焊盤接地（Vss）

輸出板到電源軌（Vdd）

接地的電源軌（Vdd）（Vss）

ESD保護技術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，它會損壞IC。

ESD保護方法將ESD電流分流通過安全的放電路徑，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相關的常見故障是結燒壞，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閉狀態，但在達到其閾值電壓后才傳送電流。