高速接口片上ESD防护设计研究
发布时间：2020-09-22 20:28
近些年来,信息技术高速发展,各种新型电子设备层出不穷,信号传输也由于数据量的剧增而对传输速率要求越来越高,这也意味着在半导体工艺越来越先进、芯片越来越小、器件越来越脆弱的时候,静电防护显得尤其重要;其不仅仅需要有强悍的防护特性,同时也需要寄生参数尽可能的小,这样才可以避免影响到整个高速接口电路信号传输。本文针对两种不同的高速接口芯片:多媒体芯片和USB Type-C接口芯片的实际失效案例,进行失效分析、反向设计,找到芯片主要薄弱点并进行ESD防护设计,设计了几种新型的防护器件,在保证器件电流泄放能力的同时减小了器件面积。另外,还分析了一些EOS失效案例并总结了主要的EOS防护手段,提出了协同仿真防护方案。主要的研究内容与成果如下:1、针对一款多媒体接口芯片——VBO接口芯片在实际使用过程中遇到的ESD失效问题,进行了详细的失效分析和失效机理研究,并针对其防护器件鲁棒性差、器件面积大、防护窗口不合适等特点,设计出了一款符合实际电路需求的防护器件,并在28 nm CMOS工艺下进行流片,经过测试发现器件鲁棒性提升到了 53.7 mA/μm,同时大幅减小了器件面积。器件满足了 ESD窗口实际需要,触发电压为1.86 V,相当于三个二极管串联,维持电压1.67 V,有效的避免栓锁。2、针对两款手机上使用的USB 3.1 Type-C接口芯片,进行全面的ESD性能测试,包括:TLP测试、失效分析、解剖与反向工程等,并对两款芯片的ESD防护方案进行了全方位的总结与对比。3、分析了几个EOS失效案例,并总结了几种常见的EOS防护方案;针对业界常用的TVS二极管,也设计了一款新的TVS防护器件,并在0.18 μm CMOS工艺下进行流片,通过测试验证了性能。同时提出了一种片上防护与片外防护的协同仿真方法,使用实际案例来验证其有效性。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN402
【部分图文】：
ＥＳＤ设计窗口变窄了邋［３］。逡逑静电的主要产生原因包括：（１）摩擦和分离（２）感应产生电荷（３）电容的逡逑充放电［４］。图１－１描述的是两种材质的物体彼此接触后分离，将会产生大量极性逡逑相反的电荷，如果此时这些静电电荷接触到芯片，将有可能通过芯片管脚流入地逡逑并产生拥有快速上升沿的过冲，如果芯片抗静电能力弱的话，将极有可能出现损逡逑坏［５］。影响静电产生的因素包括温度与湿度，静电电荷更容易在高温，干燥的环逡逑境中积累，表１－１总结了几种静电产生的途径［６］。值得注意的是，虽然在高湿度逡逑的环境下，产生的静电电压会出现很大衰减，然而还是会对电路产生损害。逡逑图１－１两种静电产生途径逡逑１逡逑
第一章绪论逡逑静电防护装置都会增加容性负载，并且在大多数情况下这些防护器件或芯片要想逡逑徸到足够强的抗静电能力就必须在尺寸和寄生参数上做出牺牲［１２］。图１－２展示逡逑了业界一些使用了高速接口的电子设备。逡逑Ｉ：．］前应川Ｔｙｐｆ－Ｃ接Ｉ邋Ｉ的设备逦丨－４前收界宣称使用ＵＳＢ３．１邋Ｃ手机逡逑ＺＵＫ邋Ｚｌ逦？５０逡逑？邋ｕ，，逦ｉＨｉｉｉｌｎ逦Ｎｕｂｉａ邋Ｚ９邋Ｍａｘ逡逑８Ｐｒｏ｜邋叄皱迮校戾巍颉＃靛义希蓿蓿龋校校幔觯椋椋椋铮蹂危蓿龋儒危牵椋纾幔螅澹戾澹停佩危慑义希插卫皱澹卞澹校颍铮郑停幔蜽滃料逡逑物６逦}0ＣＨ逡逑Ｌｕｉｕｉａ逦＾ｐｕｐｉ’ｉ＇ｐｐｆＰ巧：？逦＿逡逑９５０／９５０ＸＬ逦ｗ逡逑ｓ：存储器笔记本１２，ｊ逦ｉｗ邋＿灥』逡逑ＭａｃＢｏ°ｋ逦＾ｓＴ逡逑小米４ｃ逡逑图１－２几种使用高速接口的电子设备逡逑如何在不增加防护器件面积，尽量减少防护器件寄生参数，避免对高速接口逡逑信号传输产生负面影响的同时，又保证器件防护能力是一大研究难点，也具有很逡逑强的现实意义。逡逑１．２几种ＥＳＤ／ＥＯＳ模型与测试方法逡逑为了理解物理现象，尤其是ＥＳＤ现象，量化ＥＳＤ事件的特征时间和空间范逡逑围非常重要［１３］。ＥＳＤ现象的空间范围包括从微观到宏观，包含纳米级器件内部逡逑机理、电气与热学传输、微米级的电路电子、毫米级的芯片设计到米级的系统设逡逑计［１４］。而时间范围包括皮秒（ｐｓ）到微秒（ｕｓ）、电流范围从纳安（ｎＡ）到几十逡逑安培（Ａ）、电压范围从伏特（Ｖ）到几千伏特（ｋＶ）、温度从室温到几千开尔文逡逑的５１０２融化温度。这些参数的范围都非常广
￣ｉ逦ｒｎ逦逡逑Ｔ邋ＣＤＭ逦ＭＭ邋Ｔ邋ＨＢＭ逦Ｔ逡逑ＥＯＳ逡逑图丨－３静电放电（ＥＳＤ）时间常数图逡逑１．２＿１人体模型（ＨＢＭ）逡逑ＨＢＭ模型是基本的ＥＳＤ模型之一，它被用来描述带有电荷的人体和电学元逡逑件或芯片进行电荷转移时的相互作用。ＨＢＭ模型假设已充电人体通过皮肤接触逡逑电学元件或芯片，在两者接触的瞬间就会有静电电荷流过。图１－４即ＨＢＭ模型逡逑的原理。ＨＢＭ模型的特征时间与等效人体的电子元件有关。在ＨＢＭ标准中，逡逑用一个１００邋ｐＦ的电容和一个１．５邋ｋＤ的电阻串联来等效已充电的人体［１８］。具体逡逑等效电路图如图１－５所示。逡逑Ｒ逦Ｒｈｂｍ逡逑
本文编号：2824880
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN402
【部分图文】：
ＥＳＤ设计窗口变窄了邋［３］。逡逑静电的主要产生原因包括：（１）摩擦和分离（２）感应产生电荷（３）电容的逡逑充放电［４］。图１－１描述的是两种材质的物体彼此接触后分离，将会产生大量极性逡逑相反的电荷，如果此时这些静电电荷接触到芯片，将有可能通过芯片管脚流入地逡逑并产生拥有快速上升沿的过冲，如果芯片抗静电能力弱的话，将极有可能出现损逡逑坏［５］。影响静电产生的因素包括温度与湿度，静电电荷更容易在高温，干燥的环逡逑境中积累，表１－１总结了几种静电产生的途径［６］。值得注意的是，虽然在高湿度逡逑的环境下，产生的静电电压会出现很大衰减，然而还是会对电路产生损害。逡逑图１－１两种静电产生途径逡逑１逡逑
第一章绪论逡逑静电防护装置都会增加容性负载，并且在大多数情况下这些防护器件或芯片要想逡逑徸到足够强的抗静电能力就必须在尺寸和寄生参数上做出牺牲［１２］。图１－２展示逡逑了业界一些使用了高速接口的电子设备。逡逑Ｉ：．］前应川Ｔｙｐｆ－Ｃ接Ｉ邋Ｉ的设备逦丨－４前收界宣称使用ＵＳＢ３．１邋Ｃ手机逡逑ＺＵＫ邋Ｚｌ逦？５０逡逑？邋ｕ，，逦ｉＨｉｉｉｌｎ逦Ｎｕｂｉａ邋Ｚ９邋Ｍａｘ逡逑８Ｐｒｏ｜邋叄皱迮校戾巍颉＃靛义希蓿蓿龋校校幔觯椋椋椋铮蹂危蓿龋儒危牵椋纾幔螅澹戾澹停佩危慑义希插卫皱澹卞澹校颍铮郑停幔蜽滃料逡逑物６逦}0ＣＨ逡逑Ｌｕｉｕｉａ逦＾ｐｕｐｉ’ｉ＇ｐｐｆＰ巧：？逦＿逡逑９５０／９５０ＸＬ逦ｗ逡逑ｓ：存储器笔记本１２，ｊ逦ｉｗ邋＿灥』逡逑ＭａｃＢｏ°ｋ逦＾ｓＴ逡逑小米４ｃ逡逑图１－２几种使用高速接口的电子设备逡逑如何在不增加防护器件面积，尽量减少防护器件寄生参数，避免对高速接口逡逑信号传输产生负面影响的同时，又保证器件防护能力是一大研究难点，也具有很逡逑强的现实意义。逡逑１．２几种ＥＳＤ／ＥＯＳ模型与测试方法逡逑为了理解物理现象，尤其是ＥＳＤ现象，量化ＥＳＤ事件的特征时间和空间范逡逑围非常重要［１３］。ＥＳＤ现象的空间范围包括从微观到宏观，包含纳米级器件内部逡逑机理、电气与热学传输、微米级的电路电子、毫米级的芯片设计到米级的系统设逡逑计［１４］。而时间范围包括皮秒（ｐｓ）到微秒（ｕｓ）、电流范围从纳安（ｎＡ）到几十逡逑安培（Ａ）、电压范围从伏特（Ｖ）到几千伏特（ｋＶ）、温度从室温到几千开尔文逡逑的５１０２融化温度。这些参数的范围都非常广
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【参考文献】
相关硕士学位论文 前1条
1 王炜槐;纳米集成电路ESD防护研究[D];浙江大学;2016年
本文编号：2824880
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2824880.html
