静电放电保护基本原理简介

(Vh, Ih) : ESD维持电压/电流 (Vt2, It2) : ESD失效电压/电流
▲ VDD < ESD触发电压 < Vmax → ESD保护器件的基本要求 ▲ Vh > VDD → 防止ESD保护器件误开、防闩锁 ▲ Vt2 < Vmax → 决定ESD的保护等级
ESD保护失效
ESD失效
机器充电放电模型（CDM）
放电时间短，几ns内完成放电过程 脉冲上升时间～500ps 峰值电流：几十安培 易造成IC内部元件的损伤，直接导 致栅氧击穿 越来越受行业的关注
ESD的放电模型
国际电工协会模型（IECM）
描述的是一个带电人体向 系统终端用户环境中的系 统放电的过程
定位于系统级ESD放电模型
ESD的放电模型
机器放电模型（MM）
描述了带电机器在自动测试过 程中接触IC部件时由金属物体到 IC管脚(pin)的放电现象
RESD和LESD比HBM模型小
电流峰值比HBM模型大 广泛应用于日本汽车电子领域
ESD的放电模型
机器放电模型（HBM）
典型的尖峰脉冲电流信号 振荡性衰减 上升时间：15ns左右 周期：~40ns 2000V的HBM等级~100V的MM等级
机器放电模型(Machine Model，MM)
器件充电放电模型(ChargedDevice Model，CDM)
国际电工协会模型 (International Electrotechnical Commission Model, IECM)
ESD的放电模型
人体放电模型（HBM）
模拟了当带电人体直接接触一 个电学器件时出现的ESD事件
静电放电保护
基本原理简介
主讲人：卢振宇 日 期：19年 10月
content
目录
P Art one ESD保护的基本原理 P Art two ESD设计的基本概念 P Art three 基本ESD保护器件 P Art four 典型ESD保护电路介绍 P Art five ESD保护电路的版图设计
工业 标准
MM等级标准
等级
Hale Waihona Puke Baidu
电压
M0
0～50V
M1
50～100V
M2
100～200V
M3
200～400V
M4
400～800V
M5
> 800V
ESD的放电模型
机器充电放电模型（CDM）
模拟了集成电路自放电过程， 即一个未接地的电子部件在制 造或装配过程中被充电，随后 通过接地管角放电的过程。
ESD的放电模型
用于IC芯片设计的ESD性能 表征 主要特点：低R，零L
ESD的放电模型
国际电工协会模型（IECM）
由于非常小的R和零L，其具有特别 短的上升时间，tr(<1ns)，非常大的 电流峰值，Ipeak(达到几十安培)
最严格的ESD保护标准
ESD的放电模型
四种放电模型的比较
测试具有破坏性 无法深入了解器件失效原因 用来优化ESD设计工作 获取失效信息 — 传输线脉冲测试 （TLP）模型
毁坏性失效 潜在性失效
PN结短路
栅氧穿通
多晶硅与 互连线损伤
栅氧化层 损伤
栅氧化物 短路
保护回路 受损
电荷陷阱
PN结损伤
P Art two ESD设计的基本概念
·ESD的放电模型 ·全芯片ESD保护 ·ESD保护器件的测试 ·ESD保护的优秀特性
ESD的放电模型
人体放电模型(Human Body Model, HBM)
◎ 将电压钳位 在一定低的电 压范围内，保 护与其并联的 内部电路不会 遭受损坏
◎ ESD保护器 件的钳位电压 小，被保护结 构的开启电压 大
ESD现象简介
造成的危害
· 70%的芯片失效都是由ESD事件引起 · 全球每年因ESD对电子设备和系统所造成的 损失高达450亿美金（美国静电放电协会， ESDA估计）
工作机制
电流泄放
发生ESD时，ESD 保护器件相当于 “短路”
1
ESD未发生时和发生 过后，ESD保护器件 相当于“开路”
电压钳位
·模型电路参数不同 ·峰值电流、放电时间不同
全芯片的ESD保护
PD ND
PS NS
ESD保护电路一般都做在PAD（焊盘）旁边 输入端PAD 输出端PAD VDD PAD和VSS PAD之间 IC的任意两个管脚之间都能形成ESD电流泄放路径 二级保护电路＋串联电阻Rs → 一级保护电路未开启前泄放ESD电流
将管角电压钳位 于一个安全级别 以避免介质击穿
2
I-V特性曲线
两种曲线
a)简单一次开启 b)带有回滞特性的I-
1
V特性 —高电流处理
能力
三个关键点
触发点
回滞维持点
2
二次击穿失效点
设计窗口
关
键
Vmax : 内部电路最小失效电压
参
VDD : 内部电路正常工作电压
数
(Vt1, It1) : ESD器件触发电压/电流
P Art one ESD保护的基本原理
·ESD现象简介 ·工作机制 ·I-V特性曲线 ·设计窗口 ·ESD保护失效
ESD现象简介
什么是静 电放电 （ESD）
· 高压、大电流、短时间的事件 · 电流 > 1A · 电压高达上万伏 · 上升时间～15ns，衰减时间～150ns
· EOS（Electrical Over-Stress, EOS）家族的 一种（闪电和电磁脉冲）
CESD表示人体电容的大小 通过一个7.5μH的电感和1.5KΩ 的电阻对被测器件(DUT)放电 最广泛接受的模型标准
ESD的放电模型
人体放电模型（HBM）
放电过程几百纳秒内 放电电流数安培(1-4A)
工业 标准
HBM等级标准
等级 电压
1级
0～1999V
2级
2000～3999V
3 级 4000～15999V
全芯片的ESD保护
把管脚端的ESD电流排入电源总线，然后再从另一 个管脚引出
任意两个管脚之间都形成ESD电流泄放路径？ HOW?
ESD保护器件的测试
考虑因素
ESD放电回路的不同和ESD放电模 式的不同
VDD-to-GND
Pin-toVDD/GND
Pin-to-Pin
ESD保护器件的测试
VDD-to-GND
Pin-to-Pin
Pin-to-VDD/GND
ESD保护的优秀特性
鲁棒性 透明性 有效性 面积小 开启速度快
◎ 自身对ESD 电流的承受能 力
◎ 一般与器件 的宽度成正比， 设计时器件宽 度应当在所要 求达到的ESD 保护等级之上
◎ ESD保护网 络不干扰内部 电路工作及IO 端特性
◎ 高频集成电 路ESD保护设 计的难点