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集成电路系统级ESD防护研究
摘要
本文针对集成电路的系统级ESD防护问题进行了研究。首先，介绍了ESD现象的发生机理和对集成电路的危害；其次，分析了传统ESD保护措施的不足之处，并提出了系统级ESD保护的必要性；最后，重点探讨了系统级ESD保护的技术方案和实现方法，包括设计规范、智能防护策略、系统级的静电分析和仿真模拟等手段，提高了集成电路的ESD抗干扰能力。
关键词：ESD，集成电路，系统级防护，设计规范，智能防护策略，静电分析，仿真模拟
引言
集成电路在现代电子产业中占据着极其重要的地位。但是，作为一种微弱电信号的处理器件，集成电路同样也很容易受到ESD（电静电放电）等外界干扰。ESD必须引起足够重视。由于ESD电压高达数千伏，电流高达数安，所以即使是微弱放电也会对集成电路造成损害。ESD对芯片的损坏多种多样，如烧毁栅氧化层、击穿MOS晶体管等，造成了很多质量问题和巨大的经济损失。
ESD保护技术改进得如此之快，以至于新的ESD保护方案几乎每天都会出现。传统ESD保护措施主要包括静电解除、装备盒和电路保护，随着技术的进步，这些保护措施已经无法满足集成电路的需求，越来越多的业界人员认识到必须采用系统级防护措施，提高集成电路的ESD抗干扰能力。
本文首先介绍了ESD现象的发生机理和对集成电路的危害，然后分析了传统ESD保护措施的不足之处，提出了系统级ESD保护的必要性，重点探讨了系统级ESD保护的技术方案和实现方法，包括设计规范、智能防护策略、系统级的静电分析和仿真模拟等手段。
一、ESD现象的发生机理和对集成电路的危害
ESD在集成电路的生产、封装、运输、使用及维护等过程中都可能引起芯片的损坏，其中最主要的损坏是击穿和烧毁。
ESD产生的主要原因是人体、物体、设备之间的接触和离开。当接触和离开时，由于电荷的重新分布，会导致一个静电电场，当这个电场超过一定阈值时，就会产生电荷放电现象——ESD。
ESD对集成电路的危害主要包括以下方面：
（1）烧毁：某些电路元器件中的细导线或材料受到热点加热而烧毁；
（2）击穿：芯片中的弱结构被硬生生地夺去生存的机会，导致芯片失效；
（3）硅损伤：尤其是JFET和MOS晶体管，其栅氧化层和介质中的氨基等基础元素受到破坏而导致器件性能下降；
（4）改变器件的特性：ESD电压和电流激发出的脉冲电磁场辐射和电场驱动下，会改变器件的工作点，严重影响电路的可靠性和稳定性。
二、传统ESD保护措施的不足之处
传统ESD保护措施包括加装外壳和披覆性材料来防止外部静电的干扰，通过半导体器件自身特性（如二极管桥、闸流管等）抵消静电放电初期的高电压脉冲，降低其中电流的峰值。
但是，由于传统的ESD保护技术是单一的保护措施，其保护效果受限，不能满足现代集成电路的高速、多功能和低功耗的特点。
三、系统级ESD保护的必要性
随着芯片集成度的提高、功能的增加和器件尺寸的减小，许多芯片的ESD敏感度都大大提高，因此需要采用适当的方法来保护芯片防止ESD干扰。一个完美的ESD设计方案必须考虑各种因素，包括器件本身的特性、电路拓扑、静电耦合、信号传输路线、射频（RF）噪声以及系统的瞬态响应等。
由于传统ESD保护措施难以满足集成电路的需求，业界人士积极探索新的ESD保护方案，逐渐形成了系统级的ESD保护概念。系统级ESD保护措施采用了改进的保护策略，利用各种保护手段和技术，提高了集成电路的ESD抗干扰能力。
四、系统级ESD保护的技术方案和实现方法
1.设计规范
系统级的ESD保护需要从设计阶段开始考虑。一方面，应该将适当的ESD设计规范留给设计人员，并做好质量保证工作；另一方面，设计人员应遵循ESD设计规范并使用尽可能多的ESD抗干扰特性材料、技术、构架和布线方案来优化电路设计。ESD设计规范需遵循以下几个方面：
（1）避免出现功率密度过高的电压和电流浪涌环境，尤其是在芯片端口附近的位置；
（2）从射频系统的角度考虑ESD保护，主要包括电源系统、信号路线和输出端口等；
（3）集成ESD保护和扩展端口隔离器，以适应多功能系统的设计要求；
（4）ESD电路不应增加不必要的损失和信号延迟。
2.智能防护策略
智能防护策略是一种基于芯片空间分布的ESD保护策略。它通过芯片的封装和芯片的布局等方式，将芯片内ESD敏感部位对接到安全的区域上，在执行遮蔽盒封装的同时，能有效的规避ESD保护不全的情况，并提高ESD抗干扰能力。
对于不会进行芯片重新设计的低功耗集成电路，应将智能防护策略运用到芯片的封装和布局上，以制造不同的芯片系列，同时满足低功耗和高性能。
3.系统级的静电分析和仿真模拟
静电分析和仿真模拟可以帮助设计人员快速评估ESD设计的有效性和可靠性。首先，使用“shell”深度学习技术，生成静电模型，并对芯片ESD仿真进行建模。由