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第1章 ESD设计综合 1

1.1 ESD设计综合与系统结构流程 1

1.1.1自顶向下的ESD设计 1

1.1.2自底向上的ESD设计 1

1.1.3自顶向下的ESD设计——存储器芯片 3

1.1.4自顶向下的ESD设计——ASIC设计系统 3

1.2 ESD设计——信号通路和备用电流通路 4

1.3 ESD电路和原理图结构思想 5

1.3.1理想的ESD网络和直流电流-电压设计窗口 6

1.3.2 ESD设计窗口 6

1.3.3频域设计窗口下的理想ESD网络 8

1.4半导体芯片和ESD设计方案的映射 10

1.4.1半导体制造商之间的映射 10

1.4.2 ESD设计在不同工艺之间的映射 11

1.4.3从双极工艺向CMOS工艺的映射 12

1.4.4从数字CMOS工艺向数模混合CMOS工艺的映射 13

1.4.5从体硅CMOS工艺向绝缘衬底上的硅（SOI）工艺的映射 13

1.4.6 ESD设计——由CMOS向RF CMOS工艺的映射 14

1.5 ESD芯片结构和ESD测试标准 15

1.6 ESD测试 15

1.6.1 ESD质量鉴定测试 16

1.6.2 ESD测试模型 16

1.6.3 ESD特性测试 17

1.6.4 TLP测试 17

1.7 ESD芯片结构和ESD备用电流通路 18

1.7.1 ESD电路、I/O和核心 18

1.7.2 ESD信号引脚电路 19

1.7.3 ESD电源钳位网络 20

1.7.4 ESD轨间电路 21

1.7.5 ESD设计和噪声 22

1.7.6内部信号通路的ESD网络 23

1.7.7跨区域ESD网络 23

1.8 ESD网络、顺序和芯片结构 24

1.9 ESD设计综合——无闩锁的ESD网络 25

1.10 ESD设计思想——器件之间的缓冲 27

1.11 ESD设计思想——器件之间的镇流 28

1.12 ESD设计思想——器件内部的镇流 29

1.13 ESD设计思想——分布式负载技术 29

1.14 ESD设计思想——虚设电路 30

1.15 ESD设计思想——电源去耦 31

1.16 ESD设计思想——反馈环去耦 31

1.17 ESD版图和布局相关的思想 32

1.17.1设计对称 32

1.17.2设计分段 33

1.17.3 ESD设计思想——利用空白空间 34

1.17.4 ESD设计综合——跨芯片线宽偏差（ACLV） 34

1.17.5 ESD设计思想——虚设图形 36

1.17.6 ESD设计思想——虚设掩膜 36

1.17.7 ESD设计思想——邻接 37

1.18 ESD设计思想——模拟电路技术 38

1.19 ESD设计思想——线邦定 38

1.20设计规则 38

1.20.1 ESD设计规则检查（DRC） 39

1.20.2 ESD版图和原理图（LVS） 39

1.20.3电学电阻检查（ERC） 39

1.21总结和结束语 40

习题 40

参考文献 41

第2章 ESD架构和平面布局 46

2.1 ESD平面布局设计 46

2.2外围I/O设计 46

2.2.1焊盘限制的外围I/O设计结构 47

2.2.2焊盘限制的外围I/O设计结构——交错I/O 48

2.2.3核心电路限制的外围I/O设计结构 49

2.3在外围I/O设计结构中集成ESD电源钳位单元 50

2.3.1外围I/O设计结构中在半导体芯片拐角处集成ESD电源钳位单元 50

2.3.2在外围I/O设计结构中集成ESD电源钳位单元——电源焊盘 51

2.4在外围I/O设计结构中集成ESD电源钳位单元——主/从ESD电源钳位单元系统 51

2.5阵列I/O 53

2.5.1阵列I/O——片外驱动模块 54

2.5.2阵列I/O四位组结构 55

2.5.3阵列I/O成对结构 56

2.5.4阵列I/O——全分布式 57

2.6 ESD架构——虚设总线结构 59

2.6.1 ESD架构——虚设VDD总线 59

2.6.2 ESD架构——虚设接地（Vss）总线 60

2.7本地电压电源供给结构 61

2.8混合电压结构 62

2.8.1混合电压结构——单电源供给 62

2.8.2混合电压结构——双电源供给 63

2.9混合信号结构 65

2.9.1混合信号结构——二极管 66

2.9.2混合信号结构——CMOS 66

2.10混合系统结构——数字和模拟CMOS 67

2.10.1数字和模拟CMOS结构 67

2.10.2数字和模拟平面布局——模拟电路布局 68

2.11混合信号结构——数字、模拟和RF结构 70

2.12总结和结束语 71

习题 71

参考文献 73

第3章 ESD电源网络设计 75

3.1 ESD电源网络 75

3.1.1 ESD电源网络——ESD设计关键参数 75

3.1.2 ESD和备用通路——ESD电源网络电阻的作用 75

3.2半导体芯片阻抗 78

3.3互连失效和动态导通电阻 79

3.3.1互连动态导通电阻 79

3.3.2钛/铝/钛互连失效 80

3.3.3铜互连失效 82

3.3.4互连材料的熔点 83

3.4互连连线和通孔指南 83

3.4.1针对人体模型（HBM） ESD事件的互连连线和通孔指南 84

3.4.2针对机器模型（MM） ESD事件的互连连线和通孔指南 84

3.4.3针对充电设备模型（CDM） ESD事件的互连连线和通孔指南 85

3.4.4针对人体金属模型（HMM）和IEC 61000-4-2 ESD事件的互连连线和通孔指南 85

3.4.5连线和通孔的ESD指标 86

3.5 ESD电源网络电阻 86

3.5.1电源网络设计——ESD电源网络输入电阻 87

3.5.2 ESD输人到电源网络连接——沿ESD总线的电阻 88

3.5.3电源网络设计——ESD电源钳位到电源网络电阻评估 88

3.5.4电源网络设计——电阻评估 90

3.5.5电源网络设计分布表示 92

3.6电源网络版图设计 94

3.6.1电源网络设计——电源网络的开槽 94

3.6.2电源网络设计——电源网络的分割 94

3.6.3电源网络设计——芯片边角 95

3.6.4电源网络设计——金属层堆叠 96

3.6.5电源网络设计——连线槽和编织状电源总线设计 96

3.7 ESD规格电源网络的注意事项 97

3.7.1充电设备模型标准电源网络和互连设计注意事项 97

3.7.2人体金属模型与IEC标准电源网络和互连设计注意事项 97

3.8电源网络设计综合——ESD设计规则检验方法 99

3.8.1电源网络设计分析——应用ESD虚拟设计级的ESD DRC方法 99

3.8.2电源网络设计综合——应用ESD互连参数化单元的ESD DRC方法 99

3.9总结和结束语 102

习题 102

参考文献 104

第4章 ESD电源钳位 106

4.1 ESD电源钳位 106

4.1.1 ESD电源钳位的分类 106

4.1.2 ESD电源钳位的设计综合——关键设计参数 107

4.2 ESD电源钳位的设计综合 108

4.2.1瞬时响应频率触发元件及ESD频率窗口 108

4.2.2 ESD电源钳位频率设计窗口 109

4.2.3 ESD电源钳位的设计综合——电压触发的ESD触发元件 109

4.3 ESD电源钳位设计综合——ESD电压钳位分流元件 110

4.3.1 ESD电源钳位触发条件与分流单元失效 111

4.3.2 ESD钳位元件——宽度缩放 111

4.3.3 ESD钳位元件——导通电阻 112

4.3.4 ESD钳位元件——安全工作区域 113

4.4 ESD电源钳位问题 113

4.4.1 ESD电源钳位问题——上电与断电 113

4.4.2 ESD电源钳位问题——误触发 113

4.4.3 ESD电源钳位问题——预充电 113

4.4.4 ESD电源钳位问题——充电延迟 114

4.5 ESD电源钳位设计 114

4.5.1本地的电源供给RC触发MOSFET ESD电源钳位 114

4.5.2非本地的电源供给RC触发MOSFET ESD电源钳位 114

4.5.3改良的反相器级反馈的ESD电源钳位网络 115

4.5.4 ESD电源钳位设计综合——正向偏置触发的ESD电源钳位 117

4.5.5 ESD电源钳位设计综合——IEC 61000-4-2响应的ESD电源钳位 117

4.5.6 ESD电源钳位设计综合——对预充电与充电延迟不敏感的ESD电源钳位 117

4.6 ESD电源钳位设计综合——双极型ESD电源钳位 118

4.6.1应用齐纳击穿触发元件的双极型ESD电源钳位 119

4.6.2应用双极型晶体管BVCEO击穿触发元件的双极型ESD电源钳位 119

4.6.3应用BVCEO双极型晶体管触发及可变触发串联二极管网络的双极型ESD电源钳位 120

4.6.4应用频率触发元件的双极型ESD电源钳位 120

4.7 ESD电源钳位主/从系统 122

4.8总结和结束语 123

习题 123

参考文献 124

第5章 ESD信号引脚网络的设计与综合 127

5.1 ESD信号引脚结构 127

5.1.1 ESD信号引脚网络的分类 127

5.1.2 ESD信号器件的ESD设计综合——关键设计参数 129

5.2 ESD输入结构——ESD和引线焊盘布局 129

5.2.1 ESD和引线焊盘的布局与综合 129

5.2.2引线焊盘间的ESD结构 130

5.2.3分离I/O和引线焊盘 131

5.2.4分离与焊盘相邻的ESD 132

5.2.5 ESD结构部分位于焊盘下方 133

5.2.6 ESD结构位于焊盘下方和焊盘之间 134

5.2.7 ESD电路和RF焊盘集成 134

5.2.8引线焊盘下的RF ESD信号焊盘结构 137

5.3 ESD设计综合和MOSFET的布局 139

5.3.1 MOSFET关键设计参数 139

5.3.2带有硅化物阻挡掩膜版的单个MOSFET 142

5.3.3串联共源共栅MOSFET 142

5.3.4三阱MOSFET 143

5.4 ESD二极管的设计综合和版图 144

5.4.1 ESD二极管的关键设计参数 144

5.4.2双二极管网络的ESD设计综合 146

5.4.3二极管串的ESD设计综合 147

5.4.4背靠背二极管串的ESD设计综合 148

5.4.5差分对ESD设计综合 148

5.5 SCR的ESD设计综合 150

5.5.1单向SCR的ESD设计综合 151

5.5.2双向SCR的ESD设计综合 154

5.5.3 SCR的ESD设计综合——外围触发元器件 154

5.6电阻的ESD设计综合和布局 154

5.6.1多晶硅电阻设计布局 154

5.6.2扩散电阻设计布局 155

5.6.3 p扩散电阻设计布局 155

5.6.4 n扩散电阻设计 157

5.6.5埋置电阻 158

5.6.6 n阱电阻 159

5.7电感的ESD设计综合 160

5.8总结和结束语 161

习题 161

参考文献 163

第6章 保护环的设计与综合 165

6.1保护环的设计与集成 165

6.2保护环的特性 165

6.2.1保护环的效率 165

6.2.2保护环理论——广义双极型晶体管的视角 167

6.2.3保护环理论——逃逸概率的视角 167

6.2.4保护环——注入效率 168

6.3半导体芯片划片槽保护环 169

6.4 I/O到内核保护环 170

6.5 I/O到I/O保护环 171

6.6 I/O内部保护环 172

6.6.1 I/O单元内部保护环 172

6.6.2 ESD到I/O的片外驱动保护环 172

6.7 ESD信号引脚保护环 173

6.8保护环元件库 175

6.8.1 n沟道MOSFET保护环 175

6.8.2 p沟道MOSFET保护环 177

6.8.3 RF保护环 180

6.9混合信号电路保护环——数字到模拟 180

6.10混合电压保护环——从高压到低压 181

6.11无源和有源保护环 183

6.11.1无源保护环 183

6.11.2有源保护环 183

6.12槽隔离保护环 184

6.13硅穿孔保护环 186

6.14保护环DRC 187

6.14.1内部闩锁和保护环设计规则 188

6.14.2外部闩锁保护环设计规则 188

6.15 保护环和计算机辅助设计方法 189

6.15.1内置的保护环 189

6.15.2 p-cell保护环 189

6.15.3保护环p-cell的SKILL代码 191

6.15.4保护环电阻计算机辅助设计检查 199

6.15.5保护环调整的后处理方法 200

6.16总结和结束语 201

习题 201

参考文献 203

第7章 ESD全芯片设计——集成与结构 207

7.1设计综合与集成 207

7.2数字设计 207

7.3定制设计和标准单元设计 207

7.4存储器ESD设计 208

7.4.1 DRAM设计 208

7.4.2 SRAM设计 211

7.4.3非挥发性RAM ESD设计 213

7.5微处理器ESD设计 214

7.5.1具有5～3.3V接口的3.3V微处理器 214

7.5.2具有5～2.5V接口的2.5V微处理器 216

7.5.3具有3.3～1.8V接口的1.8V微处理器 216

7.6专用集成电路（ASIC） 217

7.6.1 ASIC ESD设计 217

7.6.2 ASIC设计门阵列标准单元I/O 218

7.6.3多电源轨ASIC设计系统 218

7.6.4具有电压岛的ASIC设计系统 219

7.7 CMOS图像处理芯片设计 221

7.7.1长/窄标准单元的CMOS图像处理芯片设计 222

7.7.2短/宽标准单元的CMOS图像处理芯片设计 222

7.8混合信号结构 223

7.8.1混合信号结构——数字和模拟 223

7.8.2混合信号结构——数字、模拟和RF 223

7.9总结和结束语 225

习题 226

参考文献 227