半导体封装测试制造系统运行优化理论与技术集成电路ESD防护关键技术分析

模拟集成电路ESD防护能力仿真验证研究黄成;罗俊;李广志【摘要】静电放电(ESD)是影响模拟集成电路可靠性的重要因素之一,部分产品会出现因ESD保护能力不足导致的失效.在设计阶段进行芯片静电保护能力仿真验证是一种有效的ESD加固方法,本文对某型模数转换器(ADC)进行了ESD防护能力的仿真验证研究,通过与试验结果对比,证明了仿真结果的正确性和ESD加固设计的有效性.【期刊名称】《环境技术》【年(卷),期】2018(036)006【总页数】5页(P83-86,93)【关键词】模拟集成电路;静电;ESD保护;仿真;ADC;TCAD【作者】黄成;罗俊;李广志【作者单位】中国电子科技集团公司第二十四研究所,重庆 400060;中国电子科技集团公司第二十四研究所,重庆 400060;中国人民解放军驻重庆气体压缩机厂军事代表室,重庆 400060【正文语种】中文【中图分类】TN306引言随着半导体工艺技术的迅速进步，能够制造的芯片规模越来越大，电路的功能日益复杂且性能越来越高。

但是，随着集成电路芯片的集成度越来越高，芯片中半导体器件的特征尺寸越来越小，芯片对静电放电（ESD）的敏感程度也变的更高，特别是芯片经受ESD应力后，功能正常、常规参数可能并未出现严重超差，但是芯片实际已受到潜在损伤，芯片在后续的使用过程中随时可能出现完全是功能性失效[1]。

ESD保护能力仿真是一种在设计阶段常用的避免芯片静电防护能力不足的技术手段，在设计阶段进行器件的ESD防护效果仿真验证，可以有效提高芯片ESD 防护设计的效率和准确度。

1 ESD效应仿真模型1.1 ESD效应仿真放电模型根据ESD现象产生的方式与集成电路放电方式的不同，ESD事件主要分为人体模型（Human Body Model，简称HBM）、机器模型（Machine Model，简称MM）、器件充电模型（Charge Device Model，简称CDM）和人体金属模型（Human Metal Model，简称HMM）[2]。

科技风2017年（月上水利电力D01：10.19392/ki.1671-7341.201715178集成电路的ESD防护技术分析应淼沸上海新海新通信息技术有限公司上海200436摘要：随着现代科学技术的快速发展，E S D(静电放电）防护技术在电路维护中所发挥的作用越来越明显。

在1C产品的生产 过程中，往往会发生E S D现象。

本文以集成电路的E S D防护技术为中心，浅谈了 E S D防护技术的重要性，介绍了 E S D的成因，列举了一些E S D基本防护器件，分析了 E S D防护技术中的全芯片技术，并针对当前E S D防护技术应用中存在的问题提出了几项合 理建议。

关键词：集成电路#E S D防护技术;E S D#静电防护；全芯片技术随着现代社会的不断进步，静电防护越来越受到人们的重 视。

作为集成电路生产的重要组成技术，静电防护技术对于电 路的生产和使用具有重要意义。

在1C工艺水平不断提升的背 景下，企业对集成电路的要求越来越高，然而在高分子材料广 泛使用同时，企业对静电防护的要求也越来越高。

集成电路的 静电防护不仅可以提高产品的成品率，还可以保护人员的安 全。

因此，企业应合理使用E S D防护技术，从而为企业整体效 益的提高提供合理基础。

1E S D防护技术的重要性据统计，每年因静电释放不当而造成损失高达数十亿美 金。

高昂的耗费损失使得E S D防护技术在产品生产中所发挥 的作用越来越重要。

以下从制造业和电子业两个方面分析了 E S D防护技术的重要性。

首先，E S D防护技术在制造业的合理 使用可以达到避免灰尘吸附、减低元件被破坏、避免人员受伤、预防火灾或者爆炸发生以及减少产品失效或运作不稳定的目 的。

另外，E S D防护技术在电子业的有效使用不仅可以提高电 子产品的品质，从而提高电路的使用寿命，还可以保障生产人 员的安全，对于公司整体效益的提高和风险的有效管理具有重 要意义。

2 E S D的成因E S D主要是由于直接接触或者静电感应而导致两个不同 电势的物体之间静电荷传输的现象。

集成电路中ESD防护研究作者：赵瑞来源：《环球市场》2017年第20期摘要：随着集成电路的发展，芯片采用先进的工艺，性能越来越好。

然而这些先进的工艺对芯片的静电放电（ESD）的承受能力削弱，同时人们对于芯片 ESD 的防护要求不但没有降低，反而越来越高，这使得 ESD 防护电路更加不容易设计。

国内 ESD 防护的研究相对落后于国际先进水平，特别是国产的集成电路芯片，ESD 已经使芯片的成品率和可靠性大大降低，因此对芯片 ESD 的研究意义非常重大。

本文对集成电路的 ESD 防护技术进行了研究。

关键词：集成电路；ESD 防护技术；应用当今科技日新月异，发展更新速度飞快，尤其是是在电子信息领域。

在集成电路设计方面，集成电路（IC）的工艺水平不断发展进步，集成电路的工艺尺寸不断下降，高分子材料也在集成电路中得到广泛使用，但是在器件特征尺寸的缩小以及新材料得到应用的同时，不可避免的会带来一些负面的影响，其中静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）保护器件的设计就变得越来越困难，使得产品的静电现象的产生日益严重，因而静电的危险性越来越大，也使得芯片的静电放电（ESD）保护电路的设计越来越复杂。

1、ESD防护电路设计的基本原则①保护器件在电路正常工作的时候必须处于关闭状态（即没有ESD事件发生时），这与ESD器件的触发电压有关，否则误触发会导致核心电路出现故障；②当微电子芯片遭遇ESD 事件时，该保护器件必须迅速打开（纳秒级别），特别是对于快的ESD事件尤为重要，如器件充电模型（CDM），否则如果保护电路不能及时开启，会导致核心电路损毁；③芯片pin管脚上的电压（即落在ESD保护器件上的电压与金属互连线上的电压之和），必须不能超过核心电路所能承受的最高电压，否则会导致核心电路损毁；④在设计的ESD保护等级下，保护电路必须不被损毁，这是ESD器件鲁棒性相关问题；⑤在ESD事件发生过后，保护器件必须回到关闭状态，否则，器件会进入到被禁止的闩锁状态，导致核心电路发生故障。

集成电路中ESD防护研究的开题报告一、选题背景随着集成电路技术的不断发展，集成度和复杂度越来越高，对ESD保护的要求也越来越高，因为任何微小的ESD放电都会对芯片造成严重的损害。

因此，对于目前越来越多的高集成度、高灵敏度集成电路来说，研究高效的ESD防护方案已经成为了一项非常迫切的任务。

二、研究目的本论文主要研究集成电路中ESD防护方法，重点探讨ESD防护的原理、现有的ESD防护方案的优缺点及存在的问题，并针对当前ESD防护面临的挑战，提出一种更加高效的防护方案。

三、研究内容1. ESD防护技术的概述与发展历程。

2. 现有的ESD防护方案，如硅保护器、电流限制器、瞬态电压抑制器、EMC防护等，对其原理、性能和优缺点的分析比较。

3. 针对现有方案存在的问题，提出集成电路ESD仿真模型，并进行ESD仿真，分析仿真结果，找出不足之处。

4. 在仿真结果的基础上，提出一种新的ESD防护方案，并进行实验验证。

5. 对研究结果进行总结和分析，展望ESD防护技术的未来发展方向。

四、论文进度安排第一阶段（1-2周）：完成研究选题及文献调查。

第二阶段（3-4周）：研究ESD防护技术的概述与发展历程。

第三阶段（5-6周）：对现有的ESD防护方案进行分析比较。

第四阶段（7-8周）：提出集成电路ESD仿真模型，并进行仿真分析。

第五阶段（9-10周）：提出新的ESD防护方案，并进行实验验证。

第六阶段（11-12周）：撰写论文，并对研究成果进行总结和分析。

五、预期成果1. 对ESD防护技术的发展历程和现状的全面了解。

2. 对现有ESD防护方案优缺点进行分析、评估，找出其存在的问题。

3. 提出一种新的ESD防护方案，提高芯片的ESD耐受能力。

4. 对研究结果进行总结和分析，并根据实验验证结果提出结论和未来发展方向。

六、参考文献[1] Chen, L., Chen, Y., &Hu, P. (2012). ESD Protection Circuit Design with Novel Wake-UpCurrent Reduction for Power-Gating Designs. IEEE Transactions on ComputerAided Design of Integrated Circuits andSystems, 31(8), 1261-1266.[2] Miao, Y., & Chan, P. C. (2017). Design and Optimization ofLow-CapacitanceESD Protection Devices with SOG Layer for High-Speed I/O Circuits. IEEE Journalof Solid-State Circuits, 52(8), 2330-2340.[3] Kuo, P.-Y. (2014). A Novel ESD Protection Circuit for High-Speed Analog Intellectual Property Cores. IEEE Transactions on Very Large Scale Integration(VLSI) Systems, 22(2), 507-511.。

ESD保护电路的改进型结构的测试报告复旦大学ASIC与系统国家重点实验室李宁集成电路中ESD(ElectroStatic Discharge)现象，主要由IC与带静电的人体或机器接触所致，目前，静电释放所引起的IC失效已占总失效数的10％，因此静电释放保护是保证IC可靠性的一个重要内容，现在的设计要求就是以最小的版图面积，得到触发时间足够快，释放电流足够大的ESD保护电路，以确保IC内部的电路性能不受ESD影响.1.ESD设计原理在ESD冲击发生时，ESD保护电路必须及时地释放ESD能量，并且保护电路必须能够承受大电流。

所以保护电路必须有很快的触发速度，形成低阻通路，来释放ESD能量.另外，由于大电流流过保护电路而产生的热效应，要求保护结构必须能够均匀的释放ESD能量，降低能量密度，防止局部过热而造成损伤。

ESD保护中常用的器件有；a)电阻b)二极管c)双极型晶体管d)NMOS型晶体管e)场管f)可控硅(SCR)1)回扫现象回扫(snapback)现象存在于多种ESD保护电路结构中,举MOS管为例;MOS管的跨导比较双极型器件要小，显然不适合承载大电流。

但在ESD冲击发生时，以NMOS为例，它将被触发成横向的N+-P-N+晶体管。

而源漏电压将被箝位在N+-P-N+晶体管的回扫电压上。

图1. NMOS管寄生NPN管的回扫击穿截面图如上图1所示，漏端接静电源，源端接地。

随着V DS的增加，漏端和衬底的耗尽区将发生雪崩，并伴随着电子空穴对的产生。

一部分产生的空穴被源端搜集，其余的流过衬底。

由于体电阻的存在，从而使衬底电压提高。

当衬底和源之间的P-N结正偏时，电子就从源发射进入衬底。

这些电子在源漏之间的电场的作用下，被加速，产生电子、空穴的碰撞电离，从而形成更多的电子空穴对，使流过N +-P-N +晶体管的电流不断增加，最终形成回扫击穿。

I-V 曲线也类似图2。

I图(6)图2. 回扫击穿的I －V 特性曲线2) SCR 结构由于可控硅(semiconductor Controlled Rectifies,SCR) 触发前后，电阻变化很大。

esd静电防护方法esd静电防护技术1．一般esd静电防护的基本思路（1）从元器件设计方面，把静电保护设计到LED器件内，例如大功率LED，设计者在承载GaN基LED芯片倒装的硅片上，设计静电保护二极管，这时硅片不但作为GaN的承载基体，还起到ESD保护作用，使采用这种芯片封装的器件ESDS达到几千伏。

它的优点是直接提高器件抗ESD能力，简化封装生产和器件安装等过程的静电防护措施；缺点是增加成本，增大体积，芯片生产工艺复杂并且需要专业生产设各，它适用于高价值的LED器件。

（2）从生产工艺方面，有两种静电防护途径；①消除产生静电的材料与过程。

通过材料的选用，使静电产生的途径不存在了或者减少了，从源头消除了静电放电的产生与积累，是静电防护的有效的基本方法之一。

②泄放或中和防止静电放电。

因为产生静电的所有途径是不可能完全消除的，所以我们需要安全地泄放或中和那些要发生的静电，防止静电放电的发生。

2，esd静电防护接地技术接地就是直接将静电通过一条导线的连接泄放到大地，这是防静电措施中｜最直接、最有效的方法。

多数静电防护系统的效果，都依赖于接地地线的质量，静电接地技术是静电泄放工艺中的主要环节，系统接地的质量将直接影响电荷的释放能力。

地线必须是能够接受或提供大量电荷的，理想的地线应该是一个优良的导体，即电流流过地线时不产生电位降，地线上各点电位相同。

在工作区的静电地线应为静电专用地线，不得与其他地线共用。

防静电接地是厂房基建工程中重要的指标之一。

3．esd静电防护操作系统在进行静电敏感器件的操作时，工作台上应铺设具有静电导电和静电耗散功能的材料制成的防静电台垫。

使所有与器件接触的端子、工具、仪器仪表、人体达到一致的电位，并通过接地使静电能迅速泄放。

4．人体防静电系统人体防静电系统主要由防静电手腕带、防静电工作服、鞋袜等组成，必要时还需要辅以防静电工作帽、手套、脚套等物品。

这种整体的防静电系统兼各静电泄放、中和和屏蔽的作用。

半导体器件与集成电路的ESD防护技术研究与实现本次研究对半导体器件模式、主要测试方法加以刍议，对半导体器件、集成电路ESD防护技术的实现对策进行探讨，旨在为实现半导体器件、集成电路ESD 防护技术实现奠定坚实基础。

标签：半导体器件;集成电路;ESD防护技术当前，半导体器件趋于轻薄化的方向发展，所以对于电子元器件的要求不断提高，采用智能终端半导体器件，直接关系到整个系统运行效果、安全，因而需要合理运用半导体器件、集成电路ESD防护技术处理。

一、半导体器件模式、主要测试方法刍议（一）ESD基本模式对不同条件ESD事件评估，将ESD事件划分成人体放电、机器放电、充电器件和电场感应几个模式。

（1）人体放电模式HBM为带电人体于接地器件静电放电的模式，可在描述人体不同原因累积静电电荷后，人体会在和半导体器件接触的过程，致使所带静电电荷通过器件某引脚进到器件的内部。

在此之后，通过接地引脚流出，为人体模式放电的基本過程。

人体放电模型静电放电时间比较短，会在短时间内释放较大电流，如此一来过大电流会将器件内部半导体芯片烧毁。

如果为民用器件静电等级最大电流为1.25A，当前比较常用人体放电模式，可以应用100pF电容、1.5KΩ电阻，模拟人体器件放电等效电容、电阻情况[1]。

（2）电场感应模式FIM、充电器件模式，能模拟器件内部积累电荷向外放电，该种模式能够很好的模拟器件带电原因，在器件通过电场的过程内部，经不同原因感应电荷，部分正电荷/负电荷经引脚释放，器件离开电场后电荷能够保留在器件的内部，保持带电状态的同时器件、地间形成通路，此时电荷则会通过引脚所释放。

（二）ESD主要测试方法为促使出厂半导体器件具备抗静电方面能力，器件在进入市场前需进行ESD 测试，应用器件因静电放电带电荷类型为正电荷/负电荷，因而无法保证冲击方向的一致性，建议在器件静电测试的过程对所有引出端口，作以各个方向静电冲击方面测试，（1）器件整体测试法，属于传统器件ESD能力评估的手段，器件静电测试前应对器件引出端口分组，器件全部输入/输出I/O端口为一组、器件电源端一组、器件接地端一组。

电子技术• Electronic Technology90 •电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering【关键词】集成电路 ESD 防护 关键技术1 集成电路ESD防护电路设计原则在集成电路正常工作的过程中，ESD 防护电路处于关闭状态，不会发生ESD 现象，这主要是由于ESD 防护电路器件存在一定的触发电压。

在集成电路触发不当情况下会导致发生ESD 现象。

ESD 事件发生后应该将保护器件快速打开，如果保护电路没有能够及时打开，很可能造成核心电路的损毁。

同时在进行ESD 防护设计时，应该充分考虑防护的等级要求，保证集成电路的核心不能够被损毁；除此之外在发生ESD 情况下，应该确保所有的保护器件均处于关闭状态，否则受到ESD 事件影响，容易导致器件处于被禁止的闩锁状态，造成集成电路中的核心电路出现重大故障。

2 ESD失效模式与失效机理2.1 ESD失效模式ESD 失效包括两个模式，分别为突发性的完全失效模式和潜在性的失效模式。

突发性的完全失效模式主要是指集成电路中器件性能出现恶化，进而导致集成电路在工作过程中几个参数同时发生失效，造成集成电路运行故障，对器件造成不同程度的损害。

突发性完全失效模式主要的表现形式为，由于集成电路短路或者开路导致电参数发生比较严重的漂移现象。

ESD 潜在性失效模式主要是指在集成电路工作过程中，部分器件之间形成了ESD 回路，并且同时具有较低的静电势以及带电体电量。

ESD 放电时通过器件的电流相对比较小虽然较小的静电电流也会造成突发性失效，但是在潜在性失效模式下对集成电路器件产生的损害不大，主要是以微损伤为主。

同时，随着放电次数的逐渐增多会导致这种微损伤逐渐积累，进而对集成电路器件损害越来越大，在很大程度上降低了阀值的电压，同时对器件的电参数集成电路的ESD 防护关键技术文/李文学产生了不利影响。

除此之外还会对集成电路电子器件的抗静电能力以及使用可靠性造成不良影响。

CMOS集成电路ESD保护技术分析作者：杨伟来源：《科学与信息化》2020年第26期摘要互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路内部器件缩放技术使其面临严重静电放电（ESD）威胁，当前采用静电放电保护电路，实际能力有限。

本文先分析了静电放电保护器件工作特性与相关参数，随后，着重探讨了互补金属氧化物半导体集成电路静电放电保护技术设计、优化，根据测试结果判断应用效果。

关键词集成电路;静电放电;保护技术引言伴随我国集成电路制造工艺技术水平的提升，集成电路发展水平显著提高，且推动其朝向高速率、低能耗与多功能方向发展。

但在芯片性能提高的同时，也存在互补金属氧化物半导体绝缘层变薄的情况，使电路整体抗压能力下降，因此，加强集成电路的静电放电保护管理和技术优化，成为一项重点内容。

1 ESD保护器件工作特性与参数1.1 工作原理静电放电保护装置以两种方式工作。

即，提供低电阻排放通道切换静电放电电流，绕过检测能量以防止受保护电路损坏。

同时抑制暂时静电放电电压的急剧上升，在受保护的电路工作电压附近钳制针电压。

利用多层可变电阻、二极管阵列、金属氧化物半导体场效应电晶体、聚合物抑制器、硅等保护装置进行静电放电保护设计是电子产品抗静电放电设计的一般方法。

金属氧化物半导体电晶体是最常用的静电放电保护装置。

使用保护装置从主破坏区域发射静电放电电流，保护装置在主破坏区域保持完好。

但是，这种限制具有二次破坏特性。

保护装置因电压或电流过多而进入二级破坏区域时，会发生永久性损坏[1]。

1.2 工作参数通过传输线脉冲技术获得的特性图显示的曲线反映电压的猝灭现象，测量静电放电保护程序等级的参数。

静电放电保护程序的优势决定何时打开静电放电保护程序。

是二次断点。

静电放电电压额定值由通过二次制动电流保持电压的大小，提供低电阻电流排出路径。

同时，强电场、高电流、瞬时短脉冲要求保护装置具有很快的限制响应时间。

二次击穿电压和限制反应时间等都是表示静电放电保护装置防静电功能的特征参数2 CMOS集成电路ESD保护技术2.1 保护设计在抗静电放电保护措施中，最为有效同时也是最重要的方法是将静电保护电路结构添加到已有的集成电路中。

先进工艺集成电路的ESD防护设计及特性研究发表时间：2020-08-09T23:36:00.523Z 来源：《科技新时代》2020年5期作者：马晓媛姜敏[导读] 基于此，本文通过分析ESD防护的具体概念及特性，探究在先进工艺集成电路中如何进行静电放电的防护设计。

中芯国际集成电路制造（上海）有限公司摘要:随着我国社会的不断发展，科学技术的水平逐渐提高，在现阶段各种机械设备和电气设备的使用过程中，为了缩小机械设备和电气设备的体积，使携带和使用更为方便，利用了很多具备先进工艺性能的集成电路。

但是在集成电路的使用过程中，由于会出现静电放电现象，导致半导体工艺性能的使用质量下降，并且集成电路中的潜在破坏性也较为明显，所以必须对先进工艺集成电路的静电放电现象进行相应的防护，确保集成电路的使用效率和使用质量得到改善。

基于此，本文通过分析ESD防护的具体概念及特性，探究在先进工艺集成电路中如何进行静电放电的防护设计。

关键词:先进工艺集成电路；静电放电；防护设计；特性引言:当前针对先进工艺集成电路进行静电放电防护设计的过程中，主要使用的工艺方法为28nm CMOS工艺，在这种工艺的研究过程中，对静电放电现象进行了相关测试，并且对其失效的原因进行了分析，通过分析可以明确静电放电的薄弱点，然后根据薄弱点对其防护设计流程进行了改进，并对不同工艺集成电路的静电放电防护设计进行了特性分析，明确其抗力缺陷，从而为后期先进工艺集成电路的静电放电防护设计提供了较为全面的理论依据。

此外，在对静电放电进行防护设计和特性分析完成以后，可以制造出更加适用于先进工艺集成电路的静电放电新型器件，从而使我国的集成电路使用效率和使用质量得到改善。

一、集成电路中ESD防护概述1.静电放电现象产生原理当前由于出现静电放电现象以后，对先进工艺的集成电路使用质量产生了一定的影响，所以探究如何对静电放电进行防护设计及特性分析非常重要，因此这必须首先了解静电放电现象的相关原理。

IC设计中的ESD保护技术探讨曹燕杰;王勇;朱琪;华梦琪;吴海宏;张勇【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2012(12)12【摘要】Electrostatic discharge (ESD) is one of the most important reliability issues in the integrated circuit (IC) industry, and nearly 40%of all IC failures are associated with ESD/EOS (electrical overstress) related modes. Therefore, controlling ESD is indispensable for achieving higher quality and reliability standards of IC chips.This paper presents ESD circuit and layout design of a chip. The chip is verified in 0.35μm 1P3M 5V cmos process and has passed HBM-3000V MM-300V ESD test. The chip’s ports can be divided into four categories:input port, output port, vdd and vss ports, open-drain output port. For achieving the goal of HBM-3000V and MM-300V, a good ESD protection network must be selected firstly. The ESD solution relies on shunting charge from an I/O pin to a power supply, from which the charge can be distributed to other I/O pins. Secondly, good ESD protection circuit and devices are designed. At last, designing a good ESD protection layout is important.% ESD 是集成电路设计中最重要的可靠性问题之一.IC失效中约有40%与ESD/EOS(电学应力)失效有关.为了设计出高可靠性的IC,解决ESD问题是非常必要的.文中讲述一款芯片ESD版图设计,并且在0.35μm 1P3M 5V CMOS工艺中验证,成功通过HBM-3000V和MM-300V 测试.这款芯片的端口可以被分成输入端口、输出端口、电源和地.为了达到人体放电模型(HBM)-3000V和机器放电模型(MM)-300V,首先要设计一个好的ESD保护网络.解决办法是先让ESD的电荷从端口流向电源或地,然后从电源或地流向其他端口.其次,给每种端口设计好的ESD保护电路,最后完成一张ESD保护电路版图.【总页数】7页(P24-30)【作者】曹燕杰;王勇;朱琪;华梦琪;吴海宏;张勇【作者单位】中科芯集成电路股份有限公司,江苏无锡 214072;中科芯集成电路股份有限公司,江苏无锡 214072;中科芯集成电路股份有限公司,江苏无锡 214072;中科芯集成电路股份有限公司,江苏无锡 214072;中科芯集成电路股份有限公司,江苏无锡 214072;中科芯集成电路股份有限公司,江苏无锡 214072【正文语种】中文【中图分类】TN402【相关文献】1.SESD0201X1BN-0010—O98等8款：SESD保护器件 [J],2.安森美半导体的ESD9L5.0S ESD保护二极管 [J],3.ESD 8VoL系列——为高速应用提供ESD保护二极管 [J],4.PESD18VF1BL／24VF1BL：ESD保护二极管 [J],5.ESD7L5．0D／NUP4212：ESD保护器件 [J],因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。