《系統與芯片ESD防護的協同設計》 —1.2　片上ESD防護策略

1.2　片上ESD防護策略

片上ESD防護的最初作用是保證IC能承受在ESD防護區域（EPA）的整個制造過程中的ESD應力。這包括芯片代工和系統裝配。每片芯片的規格分別包括針對各種標準定義的脈沖下的合格等級。已經建立了元器件級標準，以檢驗在受控環境下IC的抗ESD能力。主要的標準包括：充電器件模型（CDM）、機器模型（MM）和人體模型（HBM）（圖1.5）。

CDM測試驗證IC對從帶電封裝體到接地金屬體的放電事件的敏感性。這種脈沖上升時間快到100 ps左右，時間很短，1~5 ns，幅值正比于IC元器件尺寸。IC封裝體在給定的電勢處可累積電荷。對于CDM，典型的測試電平在250 V到750 V之間。

MM ESD事件在物理上代表突然連接到IC引腳的預先帶電的金屬工具放電。這里假定了IC已連接到對地放電路徑。由于金屬工具的電感，脈沖具有振蕩波形。可以預期，由于金屬工具的阻值低，并且如果接地做到位的話，在環境防護區域中金屬工具不太可能充電到太高的電位，因此通常的MM的測試電平是100 V或200 V。200 V的脈沖產生大約3 A的峰值電流。

HBM標準在物理上代表一個帶電的人體與一個IC引腳接觸且另一個IC引腳接地產生的靜電放電現象。一般認為，在環境防護區域中，人體產生的靜電勢在0.5至2 kV之間。產生的電流脈沖被一個1.5 kΩ的放電電阻所限制，導致2 kV的應力水平下峰值電流大約為1.33 A。

這些IC元器件測試電壓水平（圖1.2）僅在受控制造環境下的環境防護區域中有意義，這里采取了預防措施以確保人員和設備的靜電水平最低。相同預充電電壓下，IEC系統級應力脈沖會引起更大幅值的脈沖電流（圖1.5）和總電荷（圖1.6）。系統級標準將在第2章中詳細討論。

片上ESD防護網絡是由嵌入式功率電路表示，它可為每個IC引腳與引腳的組合提供不同的可逆電流通路。在通過這些電流通路放電時，實現了一個合適的電壓限制，以防止被防護的內部電路出現任何不可逆的變化。盡管模擬電路的種類繁多，防護網絡可以基于比較常見的簡單原則構建。通常防護網絡區分為基于局部鉗位的網絡或軌基網絡。第一種也可以包括利用片上有源電路元器件的自防護。

局部防護網絡依賴于一個專門設計的ESD防護鉗位器，附加在被防護的IC引腳和IC地之間或在兩個IC引腳之間。在這種情況下，希望通過局部鉗位，為每對引腳到引腳的組合實現電流通路。可供選擇的軌基網絡通過連接到ESDPLUS和ESDMINUS軌的二極管，以及核心鉗位器的連接，給相同電源域的IC引腳提供防護。兩個引腳間的電流路徑通過二極管和核心鉗位網絡得以實現。這兩種方法各有優缺點（見表1.1）。

表1.1　兩種主要ESD防護策略的比較

ESD防護網絡的設計包括ESD鉗位的適當選擇，它是為給定工藝開發的、具有知識產權（IP）并與工藝設計包（PDK）兼容，設計足以傳導較大ESD電流的金屬布線，并考慮遍及模擬電路內部模塊的可選電流通路。對不同電源域，選擇局部還是軌基鉗位是一專項任務。由于模擬I/O模塊與內部有源電路的相互作用，混合模式仿真和利用緊湊建模工具的電路級ESD仿真都被用于提供重要的設計驗證和優化。

全面的片上ESD防護網絡的策略在文獻[5]中有詳細描述。這種網絡的主要功能是通過實現放電電流路徑，對瞬時高電壓起作用。依據內部電路規格，瞬態觸發和電壓的ESD鉗位都可以用于實現片上防護網絡。對元器件級規格的防護鉗位設計在文獻[5]中有廣泛討論。系統級引腳ESD鉗位設計的細節將在第3章中討論。

術語ESD壓焊塊（pad）環常常用于數字電路設計和引腳數較少的模擬電路，其中芯片的外圍用作I/O和電源壓焊塊、ESD鉗位和I/O電路布局。任何ESD壓焊塊環包括壓焊塊和在壓焊塊附近由基本單元組合構建的分布式ESD防護電路。ESD防護網絡元器件也能嵌入進I/O單元。在大多數情況下，ESD壓焊塊環可與內部電路相分離，因此實際上復用于支持不同的內部電路模塊。

對于模擬電路，對ESD壓焊塊環設計的理解并不總是像數字電路那樣直觀。這種復雜性是由較高強度的電流通路與內部電源電路相互作用造成的。通常，模擬電路引腳會面對許多相連的有源器件。于是在內部電路內，某些器件，尤其是功率器件，會“看見”相當多的殘余ESD應力。

在芯片封裝的微型表面貼裝或晶圓級倒裝設計的情況下，凸起的壓焊塊是以球狀矩陣排列的形式安排在整個硅片區域的頂部。在這種倒裝芯片封裝中，實施ESD壓焊塊環變得不切實際。盡管ESD網絡可不與內部模擬電路分離，采用分層和混合模式仿真的方法，仍可在一定程度上對ESD電流通路和電壓限制進行分析。

根據內部電路的設計，由于與外部器件控制電極的不同耦合，內部元器件的絕對最大電壓可能會有明顯變化。從這一預期來說，功率模擬電路和ESD防護網絡需要定制的協同設計，特別是當某些IC引腳被指定為系統級的要求時。

1.2.1　基于軌的ESD防護網絡

為了通過ESD認證，每個IC引腳必須依靠內部功率器件提供自防護或連接到ESD防護網絡上。局部ESD防護與總線電阻無關，也不依賴于其他的網絡元器件。它提供一個相對容易解釋的局部電壓波形。但它不是節省空間的最優方案，特別是在耐高壓模擬集成電路引腳的情形下，它對工藝更加敏感。

總的來說，軌基ESD防護網絡可以由二極管和連接在ESD軌之間的所謂核心鉗位器構成。原理上，ESD軌可公用電源總線或者獨立于它們。核心鉗位器可以有回滯特性，也可以沒有。不管怎樣，當采用回滯型鉗位器時，對于將引腳電壓限制在適當水平而言，累積的壓降（觸發電壓）可能變得過度了。因此，這種方法的用途有限，例如用于具有較大ESD防護窗口的放大器。

軌基防護可以用核心鉗位器實現，可以既作為電源鉗位器又作為核心鉗位器，也可以僅作為核心鉗位器。在第一種情形下，ESDPLUS和ESDMINUS軌作為電源和地是相同的，例如VDD和VSS（圖1.7a）。對于核心鉗位功

能，電源可以通過軌二極管對類似地連接到I/O

（圖1.7b）。在這種情形下，如果使用一個有源鉗位器，從ESDPLUS軌到任意一個pad間，必須使用一個電荷“滲漏”電阻，以避免由多重ESD脈沖的作用引起的內部電荷積累以及相應的有源鉗位失效。

軌基ESD防護網絡可以通過帶有共用的核心鉗位器的ESD總線（軌）以及ESD二極管的存在來識別，而ESD二極管將其他的引腳連接到軌道上，除非二極管的功能是通過與引腳相連的內部器件的體二極管來實現的。ESD二極管可以連接到輸入/輸出（I/O）引腳或其他的控制引腳，包括電源引腳。連接到軌的電源引腳通常共用金屬布線。然而在原理上，防護網絡可以用ESDPLUS和ESDMINUS總線來組織，它們將電源域和接地域分開。

ESD防護可嵌入輸入/輸出（I/O）單元中。使用該方案時，必須考慮一系列的ESD和閂鎖規則，使ESD元器件和I/O元器件的工作不發生沖突。閂鎖的物理知識和相關設計要點將在第4章討論。

有源鉗位網絡設計的主要優點之一是可以采用常規有源器件緊湊模型對ESD脈沖下的電路進行分析。在軌基網絡情形下，復雜的芯片驗證有好幾個步驟。它們通常包括：驗證每個IC引腳都有ESD防護；專用ESD放電通路分析和引腳到引腳的壓降分析；對ESD電流密度水平的互聯魯棒性的提取和驗證（在接觸、金屬和通孔處）；ESD單元的類型及它們的直流電壓和引腳的信號容差和是否符合ESD設計準則的驗證。

在軌基ESD防護方面，希望ESD二極管將脈沖ESD電流僅置于正向偏置模式，并且ESD二極管具有由ESD防護網絡防護的高反向擊穿電壓。為避免對主要ESD電流通路造成干擾，ESD二極管的耐壓是一個重要參數。為避免ESD二極管由于雪崩擊穿模式燒壞，以及在正常運行期間對電路功能的直接影響，應為軌基防護域設計適當的——高于電源電壓的擊穿電壓。

一個簡化的4引腳軌基電路的例子（圖1.7a）綜合了輸入（INP）、輸出（OUT）、電源和接地（GND）引腳的防護。重復使用類似的二極管與I/O引腳的連接，可以將另外的引腳加到防護網絡上去。通過正向偏置二極管、軌的對應部分和核心電源鉗位器，防護網絡為每個引腳到引腳組合提供了一個ESD電流通路。在電源鉗位處實現了高壓電流通路和通過鉗位二極管的反向通路。例如，在INP對OUT的正向ESD攻擊下，通過上二極管D1、ESDPLUS總線的上部，然后再通過回滯型鉗位器、ESDMINUS總線的相應部分和正向偏置二極管D3，形成了電流通路。

ESD電流水平也應該考慮軌電阻，電路總壓降和每個引腳的對地壓降可以根據鉗位電壓降VC、正偏二極管壓降VD和依賴于電流路徑的總線電阻RESD+、RESD-的分布加以估算（表1.2）。當然，對于更復雜的多引腳數的情形，則需要用到多電流路徑電阻自動提取的CAD自動化工具[6]。

表1.2　峰值ESD電流處的軌基峰值電壓

在分布式網絡中，鉗位元器件可以共用。例如，分布式核心電路有源鉗位器包括具有共享RC計時器的NMOS陣列（圖1.8）。RC控制的功率NMOS器件的分布式網絡具有極為有利的低導通電阻，能夠實現相當低的壓焊塊（pad）環區域的鉗位電壓，該電壓正比于所使用的分布式單元個數。

如果系統級的要求是重要的，那么有源鉗位的芯片級防護就變得很有挑戰性，因為當電源電壓存在時，有源鉗位器將無法使用。為了限制輸入引腳的電壓，使用反向平行二極管鉗位器來防護差分BJT的輸入引腳，二極管的數量對應于所需的差分信號電平（圖1.9）。

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