ESD原理以及射频防护设计
ESD原理以及射频防护设计
静电放电（ESD）是广泛存在于我们身边的自然现象，从小时候学到的摩擦生电，到工业界中对芯片设计的影响，ESD防护已经成为IC设计中不可或缺的一部分。本文将从ESD的基本概念出发，深入探讨其分类、原理以及在射频IC中的防护设计，帮助IC设计人员和硬件工程师更好地理解这一重要课题。
1. ESD概念
ESD（Electro-Static discharge）是广泛存在于你我身边的自然现象，小时候上自然课就学过摩擦生电。而静电对于工业界来说有时候是很头疼的东西，世界上最大的飞艇兴登堡号就是因为静电原因坠毁的。随着IC的规模越来越大，线宽越来越小，芯片也越来越娇贵，EOS（Electrical Over Stress ）失效问题也日益严重，而ESD是EOS失效的主要原因，ESD防护也成为ICdesigner需要考虑的问题，而其中模拟IC因为其自身特性，需要更加注重ESD防护。
ESD防护在模拟IC设计中是很重要的一环，但是国内IC企业很少有专人去负责，所以本文将对ESD的原理和分类进行由浅入深的总结，希望无论是IC设计人员还是硬件工程师都不需要去翻阅大量的资料，而对ESD有一个认知。
2. ESD的分类
ESD按照发生阶段主要分为两类：
发生在芯片上PCB板前的过程中（生产 、封装、运输、销售、上板）这类ESD事件完全需要由芯片自己承受。业界对于这类ESD事件进行了分类主要分为三种模型：HBM（Human body Model），MM（Machine Model），CDM（Charged Device Model），SDM（socket device Model），顾名思义HBM模型是仿真人体接触模型（就是憨憨用手直接摸芯片），MM模型仿真机械接触，CDM模型是仿真芯片因为摩擦或者热等原因内部集聚了电荷，然后通过探针或者封装等途径从芯片内部放电到外部，起初CDM模型有两种分类，其中一种是non-socket device Model，是在测试的时候探针直接扎入PAD，而另一种socket device Model是测试的时候把芯片放入一个基座然后探针扎入基座，后来这两种方式的结果差距有些大，就把SDM单独拎出来了。目前还是以MIL-883作为主流标准。
芯片已经在PCB上电工作后发生的ESD事件。这类ESD事件主要包含：接触放电，空气放电，热插拔，浪涌这几种。这类ESD事件普遍能量大，时间久。但是与前一类最大的区别，这类PCB上电后的ESD事件，芯片可以靠外援，通过TVS或者ESD阵列芯片进行泄放，芯片本身在外界的帮助下可以不需要承受静电流。而这类ESD事件的详规主要在IEC61000-4-2和IEC61000-4-5中，目前国内硬件工程师主要解决这方面的ESD事件。
3. ESD的原理
不同的ESD产生的原理不同：
1. HBM模型
HBM是目前片级ESD防护比较成熟的模型。通过建立人体放电模型，仿真人体无保护直接接触芯片的情况。
图1.HBM放电模型
图2.HBM放电波形
一般以电压来表达HBM等级，不同的IC根据使用场景对于HBM等级有不同的要求。而随着越来越规范的生产制度，HBM模型造成的失效比例在一步步的降低。
2. MM模型
MM与HBM模型相似，仿真的是机械设备接触芯片的情况。
3. CDM模型
图8.CDM放电模型
CDM模型500V折算电流是10.4A。而且CDM的脉冲时间极短，大约~0.3ns达到电流最大值。
图11.CDM放电测试模型
4. 射频IC ESD防护
射频芯片因其工作频率高，任何不受欢迎的寄生参数，在高频下都会加剧其负面影响，所以射频芯片对IO端口以及ESD防护单元有更加严苛的要求，且射频IC还会使用SiGe工艺，这进一步加大了ESD防护的设计难度。目前射频芯片的ESD防护有三种常见形式：
1. 无缘器件
很多射频芯片在信号进入核心电路前需要在输入级/输出级利用无源RLC进行预处理，之后才会进入有源器件。
图14.电感TLP曲线
其TLP曲线如图三所示，在16KV HBM时压降不到6V。无源器件虽然很占面积，但是其ESD防护能力优异，同时还能与其它功能集成。
2. 常规防护器件
在CMOS工艺下，寄生参数最为理想的器件当属SCR，其能满足部分射频芯片的需求，且面积远小于无源器件，泄放效率也较为优异，但是SCR Trigger Voltage过高的问题一直无法避免，即便是LVTSCR 其适用场景还是有限，完全无法针对SiGe HBT进行防护。而如果采用Diode + GCNMOS的方案，又会对信号频率产生限制。
3. ESD HBT器件
随着对更高频率的追求，射频芯片开始大规模使用SiGe工艺。SiGe工艺中最具代表性的器件便是HBT（Heterojunction bipolar transistor）异质结型三极管。HBT相较于MOSFET具有更大的集电极电流；更高的截止频率；更优异的噪声特性；更出色的高温特性等。如图四所示为HBT的结构示意图，其是由n-单晶Si/p+ 单晶SiGe/n+多晶Si 构成的异质结三极管，所以该器件的ESD特征与MOS、Bipolar都有差异。
图15.HBT器件结构图
因为SiGe的扩散系数和迁移率与Si有所差异，所以HBT可以在维持高电流增益倍数的同时对基级进行高浓度掺杂，HBT器件拥有更大的集电极电流和更优异的频率特性。但是这些特性都是在小注入模型下实现的，如果面临ESD/EOS非常规模型时，SiGe HBT的鲁棒性较弱。如图五所示，SiGe与Si的界面处会产生一个自建电场，这个电场在ESD下会降低击穿势垒，但是也让器件更容易失效（器件承受内建电场+反偏电压的能量和）。
此外 SiGe是由多晶Si作为电极引出，这就导致了HBT基级过大电流能力有限，无法应对ESD/EOS等瞬态大电流。
但是针对某些设计需求，既不需要使用无源器件，又无法使用常规ESD器件，只能使用HBT保护内部电路。目前SiGe工艺中HBT与CMOS器件的兼容性很好，很多芯片会把射频模块集成到芯片中，这类芯片更倾向于将无源RLC通过SIP方式进行集成，芯片内部不会放置大量无源器件，因此射频端口的ESD防护只能使用HBT。所以HBT需要很多改进措施来提高ESD防护能力：
- 增加Finger数目
因为单个器件的泄放效率有限，就需要增加Finger数目来提高总效率。
- 采用Open Base结构
如图18所示，Open Base是将HBT的Base浮空，Common Base是将 HBT的基级接地。当基级浮空，集电极与基级发生雪崩击穿后，大量载流子聚集在异质结界面处形成感应电场，感应电场能进一步降低势垒，让更多的载流子到达射电极，使三极管导通，发生Snap Back，所以Open Base的Trigger Voltage较低。反之Common Base是将基级接地，在集电极与基级发生雪崩击穿后，大量载流子通过基级流出体系，在基级产生一个压降VDrop，从而开启三极管，发生Snap Back，但是Common Base的Trigger Voltage相对较高。两种连接方式都能发生Snap Back，但是机理不一样，所以Trigger Voltage会产生差异。因为HBT本身就存在内建电场，所以Floating Base与Ground Base的区别比较显著，而传统BJT因为没有内建电场，Floating Base与Ground Base的差异不会这么明显。
图18.HBT采用Open Base与Common Base的区别
Open Base基级不会有大电流经过，器件的ESD防护能力要优于Common Base。Common Base中会有大电流从Base流出体系，会削弱器件的防护能力。
- 单独建立反向ESD通道
如图19所示，HBT器件中SiGe做为基级的横向电阻率很高，过ESD电流的能力欠佳。射电极作为高掺杂多晶硅其热电性能欠佳，这两种因素造成了HBT面对负向ESD的性能很差。所以需要另外建立负向ESD泄放通道。
图19.HBT的负向ESD性能