15KV ESD的RS485收发器芯片的设计与实现

摘要

静电放电（Electronic-State Discharge, ESD）是IC生产、包装、运输、装机过程中普遍的现象，因此ESD保护电路也是集成电路设计的重要部分，芯片的ESD性能直接影响IC的性能和使用寿命。随着半导体制造工艺的不断进步，CMOS工艺的特征尺寸不断下降，栅氧化层厚度不断降低，氧化层击穿电压不断下降，以及先进工艺(如LDD工序、Silicide工序)的使用，都会直接影响芯片的ESD性能。 RS485通信接口芯片采用平衡发送和差分接收方式，即在发送端，发送器将TTL电平转换成RS485差分信号输出；在接收端，接收器将RS485差分信号变成TTL电平，这种方式消除了通信网络中作为共模电压出现的接地偏移和感应噪声信号的影响，具有较强抑制共模干扰的能力。 RS485接口广泛应用于武器装备的各类电子系统和远程通信的各类电子系统中，主要作为信号采集、传输和远程通信接口，要求必须支持热插拔和具备高可靠通信的需要，故必须具备很高的ESD指标。±15KV ESD接口收发器就是瞄准这种需求提出的。本文的主要内容包括以下几个方面 （1）ESD相关理论研究。分析了集成电路中静电产生的原因及对IC的危害，介绍了IC中ESD失效模式和四种放电模型及测试方法。 （2）15KV ESD保护方案的设计。首选研究了常用ESD保护器件（二极管、MOSFET、SCR、电阻）的物理特性。15KV ESD保护电路的设计主要利用SCR的低阻特性。本文主要设计了一款15KV RS485收发器，通过设计PAD对GND的ESD泄放通路、建立ESD放电地环线，实现了任意两个引脚的泄放通路。 （3）15KV ESD的RS485收发器的设计，包括ESD保护网路和被保护电路的自保护设计。通常标准工艺的LDD与Silicide工序可以提升常规器件的性能，但会极大的恶化器件的ESD能力。因此ESD器件的电路和版图与常规电路有较大不同。该RS485收发器芯片基于0.6um BCD工艺成功流片。 （4）15KV ESD RS485收发器测试。包括RS485收发器电性参数测试和ESD测试。RS485收发器电性参数满足设计目标。本文的ESD测试是基于HBM Component的ESD测试。国内的ESD HBM Component测试等级通常可达到±8KV，要实现15KV ESD测试，需要借助ESD30N。该芯片委托相应的测试机构进行15KV ESD测试。测试结果表明，本论文芯片的ESD保护的等级能达到±12KV，SCR结构达到15KV。因此本项目基本达到设计目标。 （5）15KV ESD失效分析。对ESD测试失效芯片做失效分析，通过EMMI分析工具定位到失效点，结合RS485收发器的电路和版图，分析了15KV ESD失效原因，提出了改善ESD能力的新方案，现正重新流片。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题背景

1.2国内外研究现状

1.3 课题的主要工作

1.4 论文结构

第二章 ESD原理及ESD器件

2.1 静电的产生和危害

2.2 静电失效模式

2.3 静电放电模型

2.4 ESD测试

2.5 ESD器件

2.6本章小结

第三章 15KV ESD收发芯片方案

3.1 RS485接收器结构设计

3.2 RS485发送器结构设计

3.3 15KV ESD保护电路

3.4本章总结

第四章 15KV ESD收发器芯片设计

4.1 制造工艺对ESD的影响

4.2 15KV ESD保护电路及版图设计措施

4.3 全芯片15KV ESD设计

4.4 15KV ESD收发器芯片的仿真验证

4.5芯片封装

4.6本章总结

第五章 15KV ESD RS485收发器测试

5.1 RS485收发器的常规电性测试

5.2 15KV ESD测试

5.3 测试结果分析

5.4 本章总结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2 未来展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果