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技術文章

靜電放電隨處可見 廠商各顯所長保護元件（2-１）

靜電和靜電放電(ESD)在我們的日常生活中無處不在，尤其是當手持電子設備向輕薄小巧方向發展而且產品功能不斷增加時，它們的輸入/輸出端口也隨之增多，導致靜電放電進入系統并干擾或損壞集成電路，因此如何進行有效的ESD保護已成為電子設備制造商面對的重要課題。

ESD成IC設計又一挑戰

對電子器件來說，一次我們無法察覺的輕微靜電放電就可能對其造成嚴重的損傷。泰科電子瑞侃電路保護產品應用工程經理董告訴《中國電子報》記者，據統計，超過60%的IC失效都源于ESD。

隨著超大規模集成電路工藝的高速發展，特征尺寸已經到深亞微米階段，大大提高了集成電路的性能及運算速度，但隨著器件尺寸的減小，對可靠性的要求也越來越高。

高集成度意味著單元線路會越來越窄，耐受靜電放電的能力越來越差，此外大量新發展起來的特種器件所使用的材料也都是靜電敏感材料，從而讓電子元器件，特別是半導體材料器件對于生產、組裝和維修等過程環境的靜電控制要求越來越高。而靜電放電對器件可靠性的危害變得越來越顯著。ESD經常發生并影響到所有手持設備，必須對IC加以保護，因為其中大多數無法承受高于2kV的ESD。

在目前ESD保護很受關注的情況下，IC設計對ESD更加敏感，ESD自然成為設計面臨的挑戰。安森美半導體公司亞太副區市場營銷總裁麥滿權認為，設計人員必須使IC盡可能提供濟有效的ESD保護，而又要為額外的保護元件提供電路板空間。電子電路的輸入/輸出連接器為ESD的進入提供了路徑。以手機為例，音量鍵、語音鍵、智能鍵、充電器插口、配件連接端口、揚聲器、鍵區、擴音器、SIM卡、電池接頭等都可能成為ESD的進入點，使之輕松到達電路及電壓敏感型元件。當進入的ESD電壓足夠高時，就會在IC器件的電介質上產生電弧，在門氧化物層燒出顯微鏡可見的孔洞，造成器件的長久損壞。

麥滿權表示，人們曾經嘗試將ESD保護與CMOS芯片集成在一起。但是隨著半導體工藝向65nm以下轉移，原來在1.5μm工藝的芯片面積上只占幾十分之一(獲得2kVESD保護)的ESD保護電路已經無法容納于現在只有幾個納米的芯片之中了。在65nm工藝下，ESD保護電路的面積甚至超出了整個芯片的面積。相反，工藝越來越精細，對需要ESD保護的要求就越高。因此，有效的ESD保護已不能完全集成到CMOS芯片當中了。

此外，對電子設備來說，外部保護器件可以更有效地防止ESD輕松進入電路及電壓敏感型元件。強制性ESD抑制標準IEC61000-4-2要求保護器件應放置在連接器或端口處，以便在ESD進入電路板之前有效抑制ESD損害的發生。

尺寸縮小凸顯ESD問題

NXP半導體公司TamimP.SidikI博士表示，過去的幾十年中，集成電路特征尺寸持續小型化的趨勢推動半導體廠商不斷地改進芯片性能，減小功耗，并通過將越來越多的晶體管集成到一顆芯片上來降低成本。亞微米電路的小型化雖然具有眾多優點，但卻也有一個非常顯著的缺點：需要集成足夠強大的ESD保護電路。

隨著技術工藝的進步，ESD保護電路所需的相對面積在增加。原因在于ESD保護隨二級管的面積而變化，而這些二極管無法與晶體管邏輯功能所需的尺寸同比例縮小。顯然，對于非常先進的工藝來說，集成足夠強大的ESD保護電路有著物理和經濟上的局限。先進的芯片總是力圖在功耗和速度上達到濟優化，而并非在ESD保護上。ESD保護電路的濟優化會使芯片的其他參數過允許范圍。

更小的特征尺寸(溝道長度)和相關的更薄更小的柵極氧化層使濟大柵級電壓(如CMOS90在1.5V以下)和漏源極電壓下降(如CMOS90<1.6V)。這種芯片對于超電壓非常敏感，尤其對在很低的ESD電平上就能破壞亞微米電路的ESD放電極為敏感。同樣地，如果消費類電子/計算機產品的開發人想制造兼容CE標準的設備，并且想避免由ESD和其他放電問題引起的高返修率，外部主板級ESD保護成為一種必需?？偟膩碚f，今天的ESD問題如不解決，今后應用到更小的功能尺寸時，這個問題就會變得相當棘手。

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