高性能ESD保护电路设计准则

2016-10-06

导读


商用芯片静电可靠性的基本要求是HBM 2kV,在集成电路外围I/O PAD放置静电放电保护电路是IC最常用一种静电保护方式。那么,一个优良ESD保护电路的设计原则和衡量指标是什么呢?


    静电放电保护电路(ESD Protection Circuit)为集成电路芯片提供了ESD电流的泄放路径,避免了ESD放电电流流入IC内部电路,从而达到保护IC芯片内部电路的目的。由于HBM放电和MM放电的静电来自芯片外界,所以ESD保护电路都做在PAD(焊盘)旁边。对于IC芯片其ESD保护电路一般分为三类:输入级ESD保护电路、输出级ESD保护电路和VDD-to-VSS ESD保护电路。


图1


由于ESD保护电路是为了防护静电而加入的,所以,在集成电路正常工作的情况下, ESD保护电路是不能工作的;而在集成电路受到外界ESD应力的情况下,ESD保护电路则要起到保护集成电路的作用。鉴于以上两点,ESD保护电路的设计应遵循如下原则:

(l)在IC芯片所要求的耐ESD电压范围内,ESD保护电路本身不能被ESD应力损坏,并且能够有效的泄放ESD应力;

(2)在被保护电路正常工作的情况下,ESD保护电路必须处在非工作状态;

(3)在IC芯片的I/O PAD处加上ESD保护电路后,由ESD保护电路所引起的I/O信号延迟在可以接受的情况下尽可能地小;

(4)在满足被保护电路所要求的耐ESD电压情况下,ESD保护电路的版图面积要尽可能地小;

(5)ESD保护电路本身要具有闩锁免疫力;

(6)在IC芯片生产工艺中因ESD保护电路所额外增加的工艺步骤和掩膜板要尽可能地少,最好没有。

一个ESD保护电路是否优良,可由健壮度(Robustness)、有效度 (Effectiveness)、速度(Speed)和透明度(Transparency)四个方面进行衡量,对一个完美的ESD保护电路而言,四个方面的表现都得非常好。

(1) 健壮度

ESD保护电路的健壮度定义为ESD保护电路本身不被ESD应力损坏的情况下,其所能承受的最大ESD应力电压。ESD保护电路的健壮度表明了其本身承受ESD电压的水平。例如,在HBM下,一个ESD保护电路能够流过的ESD电流的峰值为2A,则其在HBM下的健壮度是3kV

通常情况下,ESD保护电路的健壮度与ESD保护电路中的ESD保护器件的宽度成正比,因此ESD保护电路的健壮度又可以用ESD保护器件在1um宽度内能够流过的最大ESD电流或承受的最大HBM ESD电压来表示。例如,一个ESD保护器件的健壮度为15mA/um,其宽度为200um,在HBM下,其能够承受的最大的ESD电压为4.5kV。为了确保所设计的ESD保护电路能够真正起到保护作用,通常情况下ESD保护器件的宽度要比理论值大一些。

(2) 有效性

ESD保护电路的有效度定义为:ESD保护电路箝位其所保护的I/O端口电压的能力。若一个ESD保护电路能够使其保护的I/O端口的电压箝位在与该I/O端口并联的内部电路的失效电压之下,则该ESD保护电路是有效的。

需要注意的是健壮度与有效度是有区别的,例如,在HBM下,ESD保护电路的健壮度为4kV,而其要保护的并联的I/O电路在2kVESD电压下就会失效,那么该ESD保护电路对该I/O端口电路的有效度只有2kV,而不是4kV。如图2所示带有ESD保护电路的I/O端口电路,通过比对ESD保护电路I-V特性曲线(虚线)和与其并联的I/O端口电路的I-V特性曲线(实线)可更直观地区别ESD保护电路的健壮度和有效度。图中(a)(b)(c)是有效的保护,而(d)(e)(f)是无效的保护。






(3) 速度

ESD保护电路的速度是指:从ESD事件到来到ESD保护电路开始触发工作之间的时间。对于一个即健壮又有效的ESD保护电路而言,如果没有足够的速度,它同样不能很好的保护I/O端口电路。例如,当ESD应力到来时,ESD保护电路不能及时地触发进入ESD电流泄放区(工作区),则I/O端口电路的端口电压还将维持在一个较高的水平,如果此时I/O端口电路已经被触发,那么通过I/O端口电路的ESD功率将会很大,若时间较长,就会使I/O端口电路烧毁。特别地,由于CDM ESD的电流上升时间和泄放周期都非常短,所以,速度对CDM ESD保护电路是一个非常重要的指标。

(4) 透明度

ESD保护电路的透明度是指ESD保护电路不影响其所要保护的I/O端口电路正常工作的程度。通常高频IC芯片ESD保护电路的透明度十分重要。

ESD保护电路的透明度主要体现在以下四个方面:

A.寄生电容:在芯片I/O端口加入了ESD保护电路之后,ESD保护电路自身的寄生电容要能满足通过该I/O端口的I/O信号对该端口负载电容的具体要求。

B.漏电流:在芯片I/O端口电路正常工作时,ESD保护电路不能汲取过多的电流,以便确保被保护芯片不因加入ESD保护电路而增加过多的功耗。

C.过压应用场合:某些电路,比如故障保护和混合电压电路,当I/O的电压超过电路工作电压时,ESD保护电路以某种特定方式工作。

D.热插拔:在必要时,当系统有热插拔动作时,ESD保护电路不能影响系统正常工作。

综上,当我们已知ESD和I/O端口特性时,可根据健壮度、有效度、速度和透明度来设计和评价芯片的ESD保护电路网络的性能。

湖南静芯微电子技术有限公司经过五年的工作积累,对ESD/TVS器件进行专业设计,具有单位面积静电泄放能力高的各类ESD器件,并具备芯片级静电防护电路开发设计能力和经验,现可达成片上HBM 4kV8kV15kV等级,委托我司开发定制片上ESD保护电路,能有效提升客户集成电路产品的静电可靠性。

 

参考文献:

Ajith Amerasekera, Charvaka Duvvury. ESD in Silicon Integrated Circuits[M]. John Wiley & Sons, Ltd. 2002.

湖南静芯微电子技术有限公司(SuperESD)是一家专业提供全芯片ESD设计服务和ESD/TVS器件的高科技公司,拥有一支经验丰富的研发团队,可以为您在IC片上静电防护、增加产品可靠性与加速新品开发方面创造价值!!

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