ESD与内部电路的协同设计：芯片可靠性的基石
本帖最后由 天工静电 于 2025-8-4 10:41 编辑在现代集成电路（IC）设计中，ESD（静电放电）与内部电路的协同设计已成为不可或缺的一环。ESD事件（如人体放电HBM、机器放电MM、充电器件放电CDM）可在极短时间内（纳秒级）产生数千伏高压和数安培大电流，若不加以控制，将导致芯片永久性损坏。传统的“后期修补式”ESD设计已无法满足先进工艺、高速接口和复杂系统的需求，而ESD与内部电路的协同设计可确保可靠性、性能和成本的最优平衡。图1 ESD保护窗口和工艺节点的关系 ESD（静电放电）与内部电路的协同设计，是指在芯片设计初期就将ESD防护机制与内部功能电路进行系统性整合的设计方法 论。它要求工程师在电路架构、器件选型、版图布局等环节同步考虑ESD防护需求，而非后期简单添加保护结构。协同设计的核心在于建立高效安全的ESD电流泄放路径，同时确保防护结构不影响内部电路的性能、功耗及功能完整性。图2 全芯片ESD保护示意图 传统的“后期修补式”ESD设计虽在传统工艺中发展较为完善，但在先进工艺尤其3nm以下工艺却存在“致命缺陷”。1、防护失效：ESD电流流经敏感电路（如栅氧薄层），导致击穿损坏；2、性能劣化：I/O接口的ESD寄生电容（>1pF）造成高速信号衰减（如112Gbps SerDes眼图闭合）；3、闩锁效应：ESD触发寄生PNP-NPN结构，引发大电流锁存（Latch-up），烧毁芯片；4、面积浪费：后期修补式ESD设计占用30%以上I/O面积，挤压布线资源；5、动态干扰：CDM（充电模型）ESD事件中，ns级电压尖峰干扰ADC/RF电路工作。 ESD与内部电路的协同设计相较于传统方法，可平衡防护强度与性能、权衡面积与可靠性、确保动态响应与电路稳定性。核心优势体现为：1、可靠性跃升：芯片HBM防护等级从2kV提升至8kV，失效率降低10倍；2、性能零妥协：112Gbps SerDes接口插损<0.5dB，ESD电容控制在0.2pF；3、面积高效化：I/O区域利用率提升40%，7nm芯片节省约0.02mm²/core；4、系统级防护：解决Chiplet系统中跨die ESD冲击，封装寄生电感影响降低60%。图3 带有和不带ESD保护电路的LDO调节器和可靠性和可持续性差异 ESD与内部电路的协同设计通常从三个路径实现：1、架构级协同：分级防护机制、域隔离设计（敏感模块（PLL/RF）采用深N阱隔离，Guard Ring宽度>5μm）、电流路径规划（专用ESD接地环（ESD GND Ring）避免与信号地共用）；2、电路级优化；3、版图与工艺协同：对称布局（多指型GGNMOS采用叉指结构，确保均匀开启）、金属规则（ESD路径线宽≥20μm，电流密度<0.5mA/μm）、FinFET工艺适配[采用堆叠式二极管（Stacked Diode）应对1nm栅氧击穿电压]。图4 片上和板级ESD协同保护设计。（a）版图示意图；（b）优化ESD保护策略 当下，各种前沿挑战接踵而至（3nm GAA栅氧击穿<2V、224Gbps超高速接口、3D IC电流路径耦合、极端环境可靠性），ESD和内部电路的协同设计已超越技术范畴，成为芯片竞争力的关键指标。 芯片的每一次ESD失效，都是协同设计缺失的代价。从架构师到版图工程师，必须将ESD防护基因写入设计全流程。唯有如此，方能在纳米尺度与千伏高压的对抗中，为芯片铸就不破金身。
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