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行業(yè)資訊
IC的片上靜電放電保護
半導(dǎo)體芯片易受高電流和高電壓現(xiàn)象的影響。為了實現(xiàn)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(chǎn)品的常見威脅。在ESD事件期間，大量電荷從一個對象轉(zhuǎn)移到另一個對象，例如從一個人轉(zhuǎn)移到集成電路（IC）。這種電荷轉(zhuǎn)移會導(dǎo)致非常高的電流在短時間內(nèi)流經(jīng)IC，如果無法迅速耗散能量，則會損壞該器件。
ESD會在產(chǎn)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(shè)備。
移動設(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ESD應(yīng)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(shè)計在半導(dǎo)體行業(yè)中是首要考慮的問題。為了可靠地運行，應(yīng)該在組件級別和設(shè)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，以確保可靠性并認證系統(tǒng)和組件。他們指定測試程序，測試設(shè)備校準和例行驗證。
本節(jié)介紹組件級測試。通過這些測試是獲得產(chǎn)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(fā)生的ESD事件的模型或測試-每個代表一種特定的物理現(xiàn)象-是：
人體模型
機器型號
充電設(shè)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(fā)生。最初是為采礦業(yè)開發(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(zhuǎn)移。
最新數(shù)據(jù)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(shù)大型組件的制造過程都采用自動化設(shè)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(fā)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(zhuǎn)移到組件。
充電設(shè)備型號
當帶電設(shè)備接觸接地物體時，將發(fā)生帶電設(shè)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(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接地的金屬物體放電。當前，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的脈沖放電到被測設(shè)備中。它評估在ESD壓力下運行的設(shè)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(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制是：
硅中的結(jié)燒壞：這是最常見的HBM失效機制–注入ESD瞬態(tài)能量會導(dǎo)致結(jié)擊穿。
氧化物擊穿：當在氧化物層上施加高電壓（高電壓過應(yīng)力）導(dǎo)致電介質(zhì)擊穿時，會發(fā)生ESD損壞的另一主要類別。隨著電介質(zhì)擊穿，它開始傳導(dǎo)電流。電流產(chǎn)生的熱量會產(chǎn)生熱點，并使電介質(zhì)，硅和其他材料熔化。
金屬化燒毀：這會在互連路徑中產(chǎn)生開口。當溫度（I2R熱量）達到材料的熔點時，就會發(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保護器件
片上ESD保護結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)在常規(guī)系統(tǒng)運行期間會關(guān)閉，但在發(fā)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(tài)。ESD事件不得損壞設(shè)備。
當由于技術(shù)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(yōu)化方法設(shè)計的定制解決方案可以降低成本。
ESD保護設(shè)備應(yīng)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(yīng)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(gòu)建塊
有多種技術(shù)來構(gòu)建保護夾。他們的選擇取決于技術(shù)和設(shè)計限制。通常用作ESD保護設(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
二極管具有最簡單的結(jié)構(gòu)，并在正向偏置時滿足低壓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(shè)計免受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)來優(yōu)化性能，以作為ESD保護設(shè)備。
GGNMOS器件可以工作在主動或快速恢復(fù)模式下。在活動操作模式下，它充當標準NMOS器件。驟回效應(yīng)使低壓下的大電流通過–高壓ESD事件觸發(fā)電流流動；但是，該電流在ESD保護器件上的低壓下繼續(xù)流動。快照是最常見的操作模式。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(dǎo)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(jié)束后電流傳導(dǎo)。通過正確的設(shè)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(shè)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(yīng)力電壓并使用片上保護結(jié)構(gòu)為ESD電流提供放電路徑。
內(nèi)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(shè)備正常運行期間保持無源狀態(tài)，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(shè)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(xiàn)象是由于兩個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(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失效變得更加嚴重。
驗證ESD抗擾性和電路設(shè)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(shè)備模型（CDM）。
與ESD相關(guān)的常見故障是結(jié)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(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)，但在達到其閾值電壓后才傳送電流。