牛刚

摘要：ESD防护设计对于芯片可靠性来说是非常重要的，在芯片设计初期，就要全面考虑。尤其是在版图面积很大且会产生大ESD电流泄放的情况下，就需要考虑全芯片ESD电流泄放路径最优设计。以确保在发生ESD时，大脉冲电流可以正常泄放 。因此，必须深入研究全芯片ESD保护环的设计。

关键词：集成电路;ESD防护技术;防护应用

近年来芯片技术发展迅速，智能功能不断完善。集成电路设备的体积也明显减少，向微小型设备的过渡。在芯片组成为合格产品之前，必须先进行可靠性测试，ESD是可靠性测试重要的评估项目之一。

一、ESD 产生的原因和放电方式：

按照 ESD 产生原因和放电方式不同，ESD模式主要包含人体放电模式、机器放电模式、元件充电模式这三种。相比于 HBM、MM模式下电荷由外部经 Pin由IC进入内部再由 Pin 输出，CDM 模式中静电电荷由Ic内部经 Pin 向外部泄放。 HBM 等效模型中人体电容为 100pF、人体放电电阻为1.5KΩ;MM 等效模型中等效電容为200pF;CDM等效模型中的等效电容无确定值。

二.ESD防护电路中的设计原则分析

必须确保在芯片正常期间ESD电路不开启，处于关闭状态。这主要是ESD装置触发电压之间的恒定关联，在触发不当时会引起核心电路的某些问题。只有在微电子芯片上发生ESD事件时，保护装置才快速打开，并在极短时间内完成电流泄放。另外，发生相对较快的ESD事件时，例如设备的充电模式。一旦保护电路不立即开启，核心电路将被破坏。

三、集成电路ESD的防护器件

1.电阻。保护装置是集成静电放电主要组成部分。电阻在集成电路的制造过程中应用很大。因为电阻是无源装置，所以集成电路可以有效地控制静电放电的发生。此外，电流大小和N型阱电阻系统内发生的之间差异不明显。

2.二极管。在集成电路中广泛使用，是一种结构简单的电压钳位装置。当二极管应用在ESD保护电路中，能解决电路中静电放电放电问题。利用二极管反偏击穿特性。反偏二极管可以作为 ESD 保护器件。但是虽然正向二极管导通后电流可以达到很大，但是其开启电压太低所以不能作为pin 与电源问的负向 ESD保护器件，可用二极管级联的方式增加开启电压 ，通常的做法是Pin处二极管以反接的方式接到电源和地上，当对地打正的 ESD 时通过对地的二极管反偏击穿放电（但是阈值电压比较高），当对地打负的_ESD时通过对地的二极管正偏放电（阈值电压低）;当对电源打正的 ESD 时通过对电源的二极管正偏放电（但阈值电压低）。当对电源打负的ESD 时通过对电源的二极管反偏击穿放电（但是阈值电压比较高）。

3.晶体管。广泛应用于集成电路中，前后偏置pn结用于释放静电电流并且保护设备。利用 BIT集电结反偏击实能产生的snapbacklV关系以NPN为例

基极和接地之间加入电阻。该BJT 接法为共射结构。其时的 击穿电压定义为 中 open-base breakdown voltage，为，其与发射站击穿电压 相关。正向ESD 使得集电结反偏。电乐超过第一崩溃点阈值（由 决定）则集电结击穿。雪崩击穿产生的空穴进入基极。基极电流满足 关系，击穿电流方向 为集电极->基极。在基极发射极外加电阻的情况下，基极电压大于发射极，发射结正偏，当 大于发射结开启电压后，BJT 进入电流放大区，集电极电压下降，BJT 进入低阻抗区，保持电压即为发射结开启电压。当电流继续增大到二次崩溃点 ，热量功率 大于器件能承受的极限值使得器件永久性失效。反向 ESD，发射极电流方向为发射极向内，基极电流方向为基极向外，由于外加电阻的作用，发射结正偏，BJT 工作在电流放大区。

四、全芯片ESD保护环的研究与设计

图1显示了1.8v/3.3v电压下全芯片ESD防护装置的图像。

1.ESD保护输入级电路。

如图1，ESD1、ESD2、ESD3和ESD4构成具有两个输入ESD级别的双向保护结构。输入端静电保护电路直接连接到晶体管的栅极，因此ESD1、ESD2、ESD3、ESD4必须具有两种功能：泄放电流和电压钳制。在完成全面检查后，创建第一级保护电路：ESD1=GGPMOS1，ESD2 = GGNOS 2，其中设计要求是符合Foudary提供的标准防静电设计要求。二级保护电路由ESD3=GGPMOS2和ESD4 = GGNOS 2，组成。此外，Res是ESD脉冲的多晶电阻。在ESD发生时用于保护电路保护输入晶体管栅3.3V_core。

2.防静电保护电路的输出电路，输出端为1.8V VDD，这端受ESD6保护。输出端和1.8V GND受ESD7的保护。

3.接地电源防静电保护电路。如图1，ESD5和ESD8分别在发生管脚对管脚、对地ESD电流泄放时保护内部电路。在评估了所有芯片的版图区域后，ESD5和ESD8都是使用GGMOS保护设备实现的。

保护电路触发电压必须低于其他保护装置的触发电压，并且需考虑Rbus的电源线寄生电阻，

四、集成电路的ESD防护技术

在静电放电中。晶闸管经常用于保护集成电路。在具体应用中选择了一种易于控制的晶闸管有效降低了的静电放电现象。根据对晶闸管构分析，在对集成路实施静电保护时，一般会共同构造两种电阻和两种寄生晶体管，有助于避免对集成电路的运行造成严重影响。另外，ESD保护带有可控硅晶闸管时，这些设备通常被视为两端的设备，因此在某些可控硅晶闸管电路中，这些设备连接到集成电路。以确保在晶闸管电极静电放电过程中得到充分保护。本文分析了各种防静电保护装置的特点和原理。通过计算Rbus电源寄生电阻，描述防静电保护电路的输入，输出以及管脚的逻辑布局。

参考文献

[1]李沸.集成电路的ESD防护技术分析[J].科技风，2019（15）：201-201.