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深度解析模擬技術中 ESD 穩健設計的挑戰

電子設計 ? 2021-06-11 11:31 ? 次閱讀

隨著便攜式電子產品、“智能設備”和汽車電子產品的普及,IC 中嵌入模擬功能的需求也在不斷增加。這推動了對特定模擬技術的需求,這些技術在整個半導體市場中所占的比例越來越大。

通過一些簡化,模擬技術可以分為三個主要類別:

高功率 BiCMOS:主要目標是功率器件的 RDSON 和擊穿電壓。通常具有非常廣泛的組件類型(雙極、CMOS、LDMOS 和 DEMOS 器件),涵蓋從低壓(LV,幾伏)到極高電壓(HV,數百伏)的應用。

高速 BiCMOS:主要目標是雙極器件的速度,以支持高達數百 GHz 的高速應用。

模擬-CMOS:主要特點是高密度 CMOS 邏輯,以及低寄生、低噪聲和高質量的無源器件。它們往往是 CMOS 技術的“衍生物”。

靜電放電 (ESD) 是一種從身體到物體的靜電荷轉移,它會在短時間內(數百納秒)產生高電流(幾安培)。ESD 事件可能由 IC 在制造過程中的人工處理/測試引起,并可能導致災難性的損壞。為了保證 ESD 對處理/測試的穩健性,每個 IC 都經過標準 ESD 測試,通常是人體模型 (HBM) 和帶電設備模型 (CDM)。

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為了達到所需的 ESD 穩健性水平,在每個焊盤上添加了專用的片上電路(通常稱為“ESD 保護”或“ESD 鉗位”),以將 ESD 能量吸收到受保護電路的安全水平。在典型的 ESD 保護實施中,每個焊盤到焊盤的組合都必須具有通過 ESD 保護的有效 ESD 放電路徑(圖 1)。模擬技術對 ESD 穩健設計提出了許多挑戰。

ESD 技術挑戰

CMOS 和模擬技術之間的一個根本區別在于后者通常是模塊化構建的。這允許 IC 設計人員僅選擇一部分可用的工藝掩模,以精確定制設計需求(并非給定工藝中可用的所有組件都可用于設計)。

從 ESD 設計的角度來看,這意味著 ESD 設計人員必須支持具有不同掩模組的相同 ESD 應用。這可能非常具有挑戰性,因為 ESD 保護的實際行為在很大程度上取決于掩模組。換句話說,可能需要構建多個版本的相同 ESD 保護,具體取決于可用的掩模組。

模擬技術的另一個具有挑戰性的方面在于利用模型。雖然最先進的 CMOS 技術只有幾年的壽命,但模擬技術可能使用 10-15 年,甚至 20 年。在此生命周期內產生的應用程序組合對 ESD 設計來說是一個相當大的挑戰。

ESD 設計挑戰

漏極擴展 MOS

漏極擴展 MOS (DEMOS) 是一種器件,其中將同類型的低摻雜區添加到高摻雜漏極區或漏極擴展區(圖 2)。這會影響額定電壓(即擊穿增加)和漏柵壓降(與柵氧化層可靠性相關)。另一方面,這種類型的設計會降低驅動電流特性,因為通道通常沒有針對該結進行優化。更復雜的版本,橫向擴散 MOS (LDMOS),具有更好的電流驅動特性。

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從 ESD 的角度來看,DEMOS 晶體管具有非常低的 ESD 魯棒性,即在 ESD 條件下能夠承受高電流密度的能力。DEMOS 的 ESD 弱點是高效 ESD 設計的主要挑戰,因為它需要特殊的 ESD 保護電路,在 ESD 事件(這對面積有影響)期間不會使用 DEMOS 晶體管。在過去的 15 年中,多項研究已經解決了這個特定問題,這也歸功于在最先進的 CMOS 技術中使用這些組件。

最近的一項工作 [1] 表明,在高摻雜/低摻雜漏區(圖 3 中的“SBLK”區)上阻止硅化工藝可以顯著提高 DEMOS 晶體管的 ESD 穩健性。

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這種結構基本上增加了漏極側的電阻。雖然它的具體影響相當復雜,但它可以被視為一種防止非均勻電流傳導通過器件整個寬度上的 ESD 電流分布的方法。

3 維 TCAD 電熱模擬清楚地描繪了沿器件整個寬度的均勻 ESD 電流分布,并阻止了漏區的硅化(圖 4)。這將允許一些 ESD 能量被具有這種結構的 DEMOS 耗散,從而減少對 ESD 保護設計的限制。

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高壓有源 FET

“有源 FET”是非常流行的 ESD 保護器件,通常用于低電壓應用。該名稱指的是 ESD 電流在主動操作模式下通過 MOS 器件分流的事實。此模式僅在 ESD 條件下通過 ESD 事件檢測器啟用。該電路被定時以在 ESD 事件的整個持續時間(1-2 微秒)內保持導通狀態。

在 CMOS 技術中,氧化物和漏極結共享相同的額定電壓,通態是通過將漏極與柵極瞬態耦合來實現的。此概念的基本實現如圖 5 所示。

對于 HV 器件(如前面提到的 DEMOS 和 LDMOS),漏極額定值可能遠高于柵極額定值(例如,漏極額定值為 20V,而柵極僅為 3.3V)。因此,如圖所示的電路將無法工作,因為漏極和柵極基本上具有相同的電壓,從而導致柵極可靠性問題(圖 5)。

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需要一種將焊盤電壓分壓以實現適當柵極電壓的方法。這可以通過源跟蹤級實現(圖 6)。該方案允許典型的高壓器件在正常的漏極和柵極工作額定值內工作。此外,它還提供了優于電路的兩個顯著優勢(圖 5):

電容小得多,因為它驅動一個小得多的晶體管。

開啟/關閉時間常數是分開的,可以單獨優化。

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高壓可控硅整流器 (SCR)

可控硅整流器 (SCR) 是 pnpn 結構。由于垂直pnp晶體管和嵌入在這種pnpn結構中的橫向npn晶體管的相互耦合,就ESD功耗而言,SCR是最有效的器件。一旦兩個雙極中的一個打開,它就會打開另一個,依此類推。

參考圖 2,通過在漏阱擴展中添加高摻雜 P 型擴散,將 SCR 集成到任何 DeMOS(或 LDMOS)中非常簡單。從圖 6 中可以看出,形成了具有相互耦合的 npn 和 pnp 的 pnpn 結構。此外,柵極的存在可用于進一步調整 HV-SCR ESD 特性。

SCR 類型的基本問題是它們能夠保持功率縮放特性 [2],因為所施加的 ESD 應力的脈沖寬度增加。更具體地說,基于 SCR 在 100ns ESD 脈沖下消耗的最大功率,人們可以預期 [2] 在 200ns 和 500ns ESD 脈沖下消耗一定的功率。

然而,在 200ns 和 500ns ESD 脈沖下實際消耗的最大功率遠低于預期(圖 8)。這是一個重大問題,尤其是在源自系統級事件的 ESD 脈沖的情況下,應力持續時間可能大大超過標準 HBM 事件的持續時間。

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高壓雙極

正如 HV SCR 所強調的那樣,高壓雙極器件無法避免較差的縮放功率縮放特性。這在圖 9 中可以看到,其中實際最大功耗從 100ns 開始不遵循功率縮放定律。

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除了與設計為 ESD 保護電路的 HV 雙極器件相關的功率縮放問題外,還有另一個與 HV 雙極相關的問題需要考慮:由連接到相鄰焊盤的?? N 擴散形成的寄生雙極。

參考圖 10,焊盤(PAD1 和 PAD2)通常具有以公共接地 (GND) 為參考的 ESD 保護。在從 PAD1 到 PAD2 的 ESD 事件的情況下,ESD 電流(圖 10 中的紅色實線)將從 ESD 保護 1 流過公共 GND 和 ESD 保護 2,到達 PAD2。由于 N 擴散與 PAD1 和 PAD2 相關,現在形成了一個寄生 npn 雙極(公共 p 襯底充當雙極的基極),它可以在 ESD 事件期間傳導電流并最終失效。

這種配置的主要問題是由于 ESD 電流在 ESD 保護 2 中流動,寄生雙極(公共接地)的基極具有升高的電位。這使得寄生雙極非常容易被觸發,因此,容易失敗。

與 CMOS 技術不同,在模擬技術中,具有多個 N 型擴散以支持許多不同的額定電壓和隔離技術是很常見的。因此,任何 N 型擴散的排列都會在類似于圖 10 所示的情況下產生寄生效應??紤]到發射極、集電極、基極類型和幾何效應的數量,很有可能在一個電路中產生數百個寄生雙極給定的技術。這對于 ESD 設計來說頗具挑戰性,因為 ESD 保護網絡必須能夠充分保護上述寄生效應。

ESD 資格挑戰

“片上”系統級要求

為保證 IC 制造過程中對 ESD 事件的穩健性,進行了 HBM 和 CDM 測試。在過去的幾年中,需要在 IC 級別進行系統級 ESD 保護的新趨勢正在出現。通常系統級 ESD 保護是在系統級解決的,方法是在電路板上(靠近 ESD 應力源)放置專用瞬態電壓抑制器 (TVS) 電路。這一趨勢背后的基本原理是,如果單個 IC 具有 ESD 系統級穩健性,則可以消除 TVS(從而降低成本和系統設計復雜性)。

在不深入探討為什么這個理由存在缺陷的情況下,這些要求對 IC 級 ESD 設計的影響是巨大的,不僅在 ESD 面積方面,而且在設計復雜性和所需的學習周期方面。

自定義 ESD 級別要求

IC 級 ESD 穩健性的典型 ESD 級要求是 2000V HBM 和 500V CDM。盡管已明確證明 1000V HBM 和 250V CDM 在當今的制造環境中提供了非??煽康?ESD 設計,但某些客戶可能需要在所選引腳上具有 >8KV HBM 性能以處理未指定的系統級事件。這些要求的影響同樣在面積和開發時間方面非常重要。

可持續發展戰略

模擬技術組件產品組合的廣度以及隨后需要保護的大量應用,并不適合滿足所有要求的“單一 ESD 策略”。因此,模擬技術領域的 ESD 工程師正在研究所有 ESD 保護策略,仔細權衡利弊以找到最合適的解決方案。

有源 FET:它們非常有效,在低壓應用中很受歡迎。然而,對于高電壓應用,低 FET 的驅動電流和大面積的結合使它們不太吸引人。

基于擊穿的設備:它們依賴于寄生雙極 npn 或 pnp。由于出色的面積/ESD 性能權衡,基于 Npn 的技術非常受歡迎。主要缺點是難以通過過程變化來控制性能。

SCRs:這些解決方案在面積/ESD 性能方面是最有效的,而且它們很容易設計。然而,從 DRC-LVS 的角度來看,固有的閂鎖風險和難以實現,在某種程度上限制了它們的使用。

自我保護:這種解決方案在大輸出驅動器的情況下非常有效,它也可以設計為承受 ESD 事件。缺點是需要在 IP 和 ESD 之間進行協同設計。

近年來,模擬技術的相關性迅速增加,在這項工作中,我們回顧了與技術、設計和資格要求相關的 ESD 挑戰。

參考文獻

[1] A. Salman 等人,國際可靠性物理研討會論文集,2012

[2] DC Wunsch 和 RR Bell,IEEE Trans。核。Sci., 1968

[3] IEC61000-4-2:電磁兼容性 (EMC) – 第 4-2 部分

編輯:hfy

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功率半導體器件物理與工藝研究的學習課件免費下載

本文檔的主要內容詳細介紹的是功率半導體器件物理與工藝研究的學習課件免費下載。
發表于 02-03 17:02 ? 123次 閱讀
功率半導體器件物理與工藝研究的學習課件免費下載

Nexperia發布用于高速數據線路的緊湊型“二合一”保護器件

新器件在一個小型DFN0603-3封裝中集成了兩個TrEOS保護二極管,從而有效地在同一個封裝中提供....
發表于 02-03 11:07 ? 1326次 閱讀
Nexperia發布用于高速數據線路的緊湊型“二合一”保護器件

液晶顯示屏的ESD和EOS該如何處理

越來越多的電子產品加上液晶屏,包括手機觸摸屏,平板電腦觸摸屏和數碼相機觸摸屏。這些面板和主板之間最常....
發表于 01-20 15:18 ? 507次 閱讀
液晶顯示屏的ESD和EOS該如何處理

靜電試驗 FAQ 集,emc-ESD的常見問題解答

? 責任編輯:xj 原文標題:靜電試驗 FAQ 集,emc-ESD 常見問題解答 文章出處:【微信公....
的頭像 電磁兼容之家 發表于 01-18 14:13 ? 727次 閱讀
靜電試驗 FAQ 集,emc-ESD的常見問題解答

避免ESD方法的種類及保護器件與保護電路分析

日常生活中,ESD (Electro-Static Discharge,靜電放電)對于我們來說是一種....
的頭像 電子設計 發表于 01-18 10:27 ? 1203次 閱讀
避免ESD方法的種類及保護器件與保護電路分析

TS5V330C 具有 ESD 和低導通電阻的四方 SPDT 寬頻帶視頻開關

TS5V330C是一個4位1:2多路復用器/多路分解器視頻開關,具有單個開關使能( EN )輸入。選擇(IN)輸入控制多路復用器/多路分解器的數據路徑。當EN為低電平時,開關啟用,D端口連接到S端口。當 EN 為高電平時,開關被禁用,D和S端口之間存在高阻態。 低差分增益和相位使這款開關非常適合視頻應用。該器件具有寬帶寬和低串擾,適用于高頻視頻應用。該器件可用于RGB和復合視頻切換應用。 該器件完全適用于使用I off 的部分斷電應用。 I off 功能可確保損壞的電流在斷電時不會回流通過器件。在斷電期間,器件具有隔離功能。 為確保上電或斷電期間的高阻態, EN 應綁定到V CC 通過上拉電阻;電阻的最小值由驅動器的電流吸收能力決定。 特性 低差分增益和相位 (典型D G = 0.24%,典型D P = 0.039°) 寬帶寬(典型BW> 288 MHz) 低串擾(典型X TALK = -87 dB) 低功耗 (最大I CC =3μA) 具有接近零傳播延遲的雙向數據流 低導通電阻(典型的r ...
發表于 09-07 17:47 ? 278次 閱讀
TS5V330C 具有 ESD 和低導通電阻的四方 SPDT 寬頻帶視頻開關

TS5A22362 具有負信號功能的 0.65Ω 雙通道 SPDT 開關

TS5A22362是一款雙向,雙通道單刀雙擲(SPDT)模擬開關,工作電壓范圍為2.3V至5.5V。該器件支持負信號擺幅,允許低于接地電平的信號通過開關,同時不發生失真。先斷后合特性可防止信號在跨路徑傳輸時出現失真。該器件同時擁有低導通電阻,出色的通道間導通狀態電阻匹配以及最小總諧波失真(THD)性能,是音頻應用的理想選擇供電的絕佳器件。該器件還針對醫療成像應用提供了一種非磁性封裝,即3.00mm×3.00mm DRC封裝。< /p> 特性 額定的先斷后合開關 負信號功能:最大擺幅±2.75V(V CC = 2.75V) 低導通狀態電阻(0.65Ω典型值) 低電荷注入 出色的導通狀態電阻匹配 2.3V至5.5V電源(V CC ) 鎖斷性能超過100mA(符合JESD 78,II類規范的要求) 靜電放電(ESD)性能測試符合JESD 22標準 2500V人體模型(A114-B,II類) 1500V充電器件模型(C101)< /li> 200V機器模型(A115-A) 所有商標均為其各自所有者的財產。 參數 與其它產品相比?模擬開關/多路復用器 ? Configuration Number of Channels (#) Power Supply Type Vss (Min) (V) Vss (Max) (V) V...
發表于 09-03 11:40 ? 264次 閱讀
TS5A22362 具有負信號功能的 0.65Ω 雙通道 SPDT 開關
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