ESD防护设计

2万 · 2024-8-25 16:14

ESD防护设计

ESD防护设计的目的是，当集成电路任意两个输入/输出引脚之间发生ESD事件时，集成电路内部的ESD防护系统能及时开启来泄放掉大量的瞬时电流/电压,使内部电路免遭破坏。此外，在集成电路正常工作时，即未发生ESD事件时，ESD系统引入的寄生参数不会影响电路的正常工作。

具体要求为：

1、当ESD 冲击出现时，ESD保护器件能够快速开启，高效泄放冲击大电流，钳位到安全电压。
2、在ESD 冲击下具有一定程度的鲁棒性，确保ESD保护电路自身能够承受外“部冲击。
3、当IC处于正常工作状态时，ESD保护器件处于关闭状态，不影响电路正常功能。
4、ESD保护电路一般在IO pad的周围，需保证较小的IO延迟.
5、占用较小的芯片面积，提供较高的ESD保护能力。
6、保持较高抗门锁能力。
7、尽量在不增加额外步骤或掩膜的情况下制造ESD保护电路。

ESD防护电路设计

ESD保护电路中器件的使用
在集成电路设计中加入ESD保护电路，当ESD来的时候，ESD保护电路发挥保护效果，避免集成电路内的元件被ESD损伤。
当ESD电压出现在芯片PIN脚上时，位于该PIN脚附近的ESD保护电路必须及早地导通来泄放ESD电流。因此，ESD保护电路所使用的元件必须要具有较高的击穿电压或较快的导通速度，同时也需要注意在芯片正常工作时ESD保护电路不能影响芯片功能。
电阻(Diffusion or poly resistor)、二极管(P-N junction)、金属-氧化物-半导体晶体管(NMOS or PMOS)、厚氧化层元件(Field-oxide device)、寄生的双极型晶体管(BJT)、寄生的可控硅元件(SCR device)、这类器件可以组合使用可单独使用。
ESD防护电路
基于可能发生的ESD事件分析,ESD可能会发生在I/O、PIN与电源和地之间，也会发生在不同的I/O PIN之间，也可能出现在电源和地之间，因此对于ESD保护电路的设计需要考虑所有可能发生ESD的情形。

常见的ESD保护电路设计

目前现有的ESD保护电路及其功能模块的设计。

在全芯片的ESD结构设计时，需注意以下原则：
（1）外围VDD、VSS走线尽可能宽，减小走线上的电阻;
（2）设计一种 VDD-VSS之间的电压箝位结构，且在发生ESD时能提供VDD-VSS直接低阻抗电流泄放通道。对于面积较大的电路，在芯片的四周各放置一个这样的结构，若有可能，在芯片外围放置多个VDD、VSS的PAD，也可以增强整体电路的抗ESD能力;
（3）外围保护结构的电源及地的走线尽量与内部走线分开，外围ESD保护结构尽量做到均匀设计，避免版图设计上出现ESD薄弱环节;
（4）ESD保护结构的设计要在电路的ESD性能、芯片面积、保护结构对电路特性的影响如输入信号完整性、电路速度、输出驱动能力等进行平衡考虑设计，还需要考虑工艺的容差，使电路设计达到化;
（5）在实际设计的一些电路中，有时没有直接的VDD-VSS电压箝位保护结构，此时，VDD-VSS之间的电压箝位及ESD电流泄放主要利用全芯片整个电路的阱与衬底的接触空间。所以在外围电路要尽可能多地增加阱与衬底的接触，且N+P+的间距一致。若有空间，则在VDD、VSS的PAD旁边及四周增加VDD-VSS电压箝位保护结构，这样不仅增强了VDD-VSS模式下的抗ESD能力，也增强了I/O-I/O模式下的抗ESD能力。