（微电子学与固体电子学专业论文）基于cpld控制的esd信号发生器.pdf

兰州人学硕f j 学位论文 摘要 人体在同常生活中通过接触、感应、吸附而带电。当带电的人手碰触电子 元器件或者集成电路( i c ) 时，人体的静电得以释放，其产生的高压脉冲信号 可造成电子系统的永久性失效。特别是在集成电路( i c ) 领域，由于器件的特 征尺寸的持续减小，使器件本身的栅极耐压减小，而外界的静电积累却没有减 少。所以e s d 的影响显得更加突出。研究e s d 放电模型，设计符合实际情况 的静电放电发生器对我们深入了解放电机理、测试半导体电子产品抗e s d 能 力以及提出器件和芯片的e s d 保护方法具有蕈要的意义。 本文依据i e e e 有关e s d 测试的相关标准，利用常见的电子元器件设计并 制做了用于e s d 测试的高压脉冲发生器。本文的核心工作是利用a l t e r a 公 司c p l d 器件作为核心控制单元、一体式行刚扫变压器作为直流高压源、串联 s c r 作为高压丌关设计并制作了一种新型的e s d 静电脉冲发生器。测试结果 表明，这种电压发生器可以最高产生8 k v 的电压脉冲，整个放电脉冲周期为 1 5 0 n s 左右，脉冲上升时间为1 0 - 2 0 n s ，符合i e e es t dc 6 2 ，3 8 1 9 9 4 的e s d 人 体模型标准。并且本装置可以产生预设最大9 9 9 次脉冲个数。必要情况下在自 动脉冲计数放电时，每次放电的时| 日j 间隔也是可凋的。因为本装置的大部分原 件都是常见的半导体元器件，制作方便成本较小，且易于操作。 关键词：静电放电( e s d ) 电压发生器；静电放电( e s d ) 人体模型；c p l d ； 可控硅( s c r ) 高压丌关 兰州人学硕f j 学位论文 a b s t r a c t i nt h ed a y - t o d a ya c t i v i t i e s ，t h eh u m a nb o d yc a ng e tt h ec h a r g et h r o u g hc o n t a c t ， s e p a r a t i o n ，a n dt h ef r i c t i o np r o c e s s w h e np e o p l eu s et h e i rf i n g e r s ，w h i c ha r ec h a r g e d w i t he l e c t r o n st ot o u c ha ne l e c t r i c a ld e v i c eo re l e c t r i c a ls y s t e m ，t h ee l e c t r o s t m i c d i s c h a r g et h r o u g ht h ep a t hb e t w e e nh u m a nb o d ya n de l e c t r i c a ld e v i c e t h e r ea r eh i l g h v o l t a g ep u l s ea n dh i g hc u r r e n tp u l s ef o r c e do ne l e c t r i c a ld e v i c ew h e ne l e c t r o - s t a t i c d i s c h a r g e ( e s d ) h a p p e n s t h e s eh i g hv o l t a g ea n dc u r r e n ti sf a t a l t ot h ee l e c t r i c a l d e v i c e ，w h i c ht a k ep e r p e t u i t yd e s t r o y st o e l e c t r i c a ld e v i c e a st e c h n o l o g yi n i n t e g r a t e dc i r c u i t ( i c ) c o n t i n u e st os c a l e ，t h ed i a g n o s t i cs i z eh a sb e e nd e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y a sar e s u l t ，t h eg a i no fm o s f e th a sl o w e rr e v e r s ev o l t a g et o l e r a n c e t h e r e f o r e ，e s db e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ta n dn e e d st ob eh a n d l e da sak e y p r o b l e mi nt h ei cc h i p s m a n u f a c t u r e da n du s i n g a sd e s c r i b e da b o v e ，t og od e e pi n t o t h em e c h a n i s mo fe s d ，a n df i n dn e wm e t h o dt op r o t e c te l e c t r i c a ld e v i c ef r o me s d ， t h es t u d yo ne s dm o d e la n dd e s i g no ft h ee s dv o l t a g eg e n e r a t o ra r ee x t r a o r d i n a r i l y s i g n i f i c a n t i nt h i st h e s i s ，ah i g hv o l t a g eg e n e r a t o rf o re s dt e s t i n gi sd e s i g n e dw i t ho r d i n a r y e l e c t r o n i cd e v i c ea c c o r d i n gt oi e e es t a n d a r d t h em a i nw o r km e n t i o n e di nt h i st h e s i s i sd e s i g no fan e we l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ( e s d ) g e n e r a t o rb a s e do nc p l d t h e d e s i g ni n c o r p o r a t e sac p l da s t h ek e yc o n t r o l l e r , f l y - b a c kt r a n s f o r m e ra sh i g h v o l t a g ed cs o u r c ea n ds e r i a lc o n n e c t i o no fs c r a sh i g hv o l t a g es w i t c h a n dr e s u l t s s h o wt h a t ，t h eg e n e r a t o re x p r e s s e di nt h i sp a p e rh a sr e a c h e di t sl i m i t e dv o l t a g ea t8 k v d u r i n gt h ew h o l e2 0 0 n sd i s c h a r g ec i r c l e ，s e t u pt i m ei sl e s st h a n2 0 n s ，w h i c ha c c o r d w i t hi e e es t dc 6 2 ，3 8 - 19 9 4 a d d i t i o n a l l y , t h i sg e n e r a t o rp r o d u c e sh i g hv o l t a g e a u t o m a t i c a l l yf o rc e r t a i nt i m e s t h e s et i m e sa r el e s st h a n9 9 9 ，w h i c hd e p e n do nt h e n u m b e rs e tb yc o s t u m e r i fi t sn e c e s s a r y ，e v e r yi n t e r v a lb e t w e e nt w od i s c h a r g ep u l s e s i sa l t e r a b l e s i n c et h ec o m p o n e n t so ft h i si n s t r u m e n ta r ee a s yt og e t ，a n dt h ep r i c ei s p r e t t yl o w s ot h ee n t i r eg e n e r a t o ri si n e x p e n s i v ea n df r i e n d l yt oo p e r a t e k e y w o r d s ：e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ( e s d ) ；h u m a nb o d ym o d e l ( h b m ) ；c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) ；s e m i c o n d u c t o rc o n t r o l l e dr e c t i f i e r ( s c r ) 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独 立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发 表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经注明引 用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研 成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：2 乃：! j 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权 归属兰州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的 规定，同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和 电子版，允许论文被查n g l 借阅；本人授权兰州大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复 制手段保存和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或 与该论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州 大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：盘垄盐 屠y 场届磊：毖 日期：妒! 堑： 兰州人学硕l j 学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 c m o s 集成电路制造工艺技术己经进入纳米时代，随着超大规模集成电路工 艺的高速发展，特征尺寸已经缩小到深亚微米阶段，大大提高了集成电路的性能 及运算速度，同时降低了单个芯片的制造成本。 随着特征尺寸的降低，导致了器件对外界电磁干扰敏感度也大大提高，使静 电放电( e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ) 对器件可靠性的危害变得越来越显著。一方面， 集成电路对静电放电的防护能力随着特征尺寸的减小而降低，使得c m o s 器件 对静电变得更加敏感，因e s d 而损伤的情形更加严重。许多新发展起来的特种 器件( 如功率m o s 器件、微波场效应器件) 也大多属于静电敏感器件。而且在同 等静电保护措施下，先进的工艺容易使得器件e s d 防护能力下降，就算把器件 的尺寸加大，其e s d 耐压值也不会被升高，同时由于器件尺寸增大导致芯片面 积也增大，其对静电放电的承受能力却反而下降。另一方面，静电放电破坏的产 生多是山于人为因素所形成，但义很难避免。 电子器件或系统在制造、生产、组装、测试、存放、搬运等的过程中，静电 会累积在人体、仪器、贮存设备等之中，甚至电了器件本身也会累积静电，而人 们在不知情的情况下，使这些物体相互接触，囚而形成放电路径，使得电子器件 或系统遭到静电损伤。随着集成电路工艺的进步，c m o s 器件的抗击穿电压降低， 但是外界的积累的静电量却没有变化，这样静电放电( e l e c t r os t a t i cd i s c h a r g e ) 弓i 起的c m o s 集成电路失效越来越多。掘统计，在集成电路：r = 业中由于e s d 引起 的损失高达2 5 。图1 1 给出了静电损伤的实物图l j 培j 。 根据现阶段研究比较成熟的静电放电模型制造的静电放电发生器，是静电研 究、测试和电予设备f = p , i - 。检验的重要工具。静电放电电流属于宽带信号，其高频 成分很丰富，上升时间小于1 0 n s 。因此静电放电模拟器内部电路及外部回路的 分布参数对其放电电流波形存在较大影响，同一批生产的静电放电模拟器也会存 在一定的差异。国际电工委员会制定了相应的测试标准舰定静电放电模拟器放电 方式为接触式放电和窄气放电两科，并且还舰定静电放电模拟器在交付使用f j _ f 必 = 州 学鲠 位论空 缄对其放电电流波形进行校验 a 金属损伤或熔断b 梳状淀积击穿 c结损伤d栅氧损伤 幽i l 静电损伤的实物幽 l 。 目前各国对易发生静电放电危害场合所使用的仪器设备都制定了严格的防 静电标准。国际电t 委员会在i e c 6 1 0 0 0 - 4 2 标准中详细规定了设备对静电放电 ( e s d ) 抗扰度测试的具体要求，而静电放电模拟器成为测试的关键设备，其中的 放电回路是| 殳各的核心。由于静电放电模拟嚣放电回路的结构形成的分柑参数对 设备的性能影响很大，所l = 王放电回路的设计有定的难度。 国际电工委员会在i e c 6 1 0 0 0 4 2 标准中规定，静电放电模拟器是将储能电 容、放电回路电阻按集总参数设计的模拟器，但在这样的放电回路中，无论分布 参数如何考虑，其放电电流都不能满足标准中规定的要求。另外，使用高采样率 示波器实测静电放电模拟器由r 分m ，参数的存在，放电电流产生一定的寄生振 荡。为了进一步的优化静电放电模拟器的设计，使其在静电研究、测试和检验等 兰州人学硕f j 学位论文 工作中发挥重要的作用，放电回路的进一步研究是很有必要的。 1 2 本论文所做的主要工作 本论文主要完成以下几个方面的工作： 1 总体阐述静电放电的产生机理，放电模型，以及其对现代电子系统的危害。 2 基于人体放电模型，参照i e e es t dc 6 2 ，3 8 1 9 9 4 标准，设计了一种新型的 静电放电( e s d ) 信号发生器，设计并绘制了各个部分的电路图及版图。最终制 作出实物装置。 3 利用最新型的静电放电( e s d ) 信号发生器对常见的半导体器件进行测试 来验证其放电波形及器件仿静电放电( e s d ) 的能力。 1 3 本论文各部分的主要内容 论文共分为血章，结构安排如下： 第一章绪论 概述了静电放电( e s d ) 的原理与其产生的影响以及困际上的一些标准，介 绍了本论文的主要工作和写作安排。 第二章静电放电( e s d ) 的模型分析 主要讲述了静电放电( e s d ) 的人体模型( h u m a n b o d ym o d e l ，h b m ) ， 机器模型( m a c h i n em o d e l ，m m ) ，器件充电模型( c h a r g e d d e v i c em o d e l ，c d m ) 和电场感应模型( f i e l d i n d u c e dm o d e l ，f i m ) 。 第三章新型静电放电( e s d ) 信号发，l 器的没计过程。 主要分三个部分：( 1 ) 直流高压电源。( 2 ) 可控硅( s c r ) 高压月：关控制放 电电路。( 3 ) c p l d 程序功能实现及程序编写。 第四章用此静电放电( e s d ) 信号发，t 器测试常见的半导体器件的测试结 果及结果分析。 主要给出了空载、二极管、三极管和带保护电路的马克西姆公司m a x 3 4 4 3 e 芯片，并对结果进行分析。 第血章结论与腱望 p i 顾论文丰要工作，并总结全部r 作内容，展望未来： 作的研究方向和重点。 兰州人学颁l ：学位论文 第二章静电放电( e s d ) 的模型分析 2 1 人体放电模型( h u m a n b o d ym o d e l ，h b m ) ： 静电放电( e s d ) 的人体放电模型( h b m ) 是指因人体在地上走动摩擦或其他 因素在人身体上已经积累了静电，然后再去碰触芯片时，人体上的静电便会经由 芯片的管脚而进入芯片的内部，再经由其他的引脚放电到地去。如图2 1 所示。 此放电的过程会在几百纳秒的时间内产生数安培的瞬问放电电流，此电流会把芯 片内部的晶体管或者m o s 管烧毁【9 l 。 不同h b m 静电电压相对产生的瞬间放电电流与时问的关系显示于图2 2 。 对一般商用i c 芯片的2 k v 静电放电( e s d ) 电压而言，通过实验分析发现其瞬 i 日j 放电电流的尖峰值大约是1 3 3 安培，放电持续时问大约为2 0 0 纳秒，这样的 电流很容易造成j 芯片内部管子的热烧毁和金属熔融。 图2 i ：h b m 模删示意图 e sdc ur r en t s 图2 2 ：住不同h b m 静电l u 压卜，其静电放电之电流j 0 时间的关系 有关于e s d 的h b m 模型已有工业测试的标准，为现今各困用米判断i c 器件e s d 可靠度的。重要依据。主要有以下标准： 4 兰州人学硕l ? 学位论文 ( 1 ) m i l s t d 8 8 3 cm e t h o d3 0 1 5 7 ( 2 ) e s da s s o c i a t i o ns t m 5 1 2 0 01 ( 3 ) a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c sc o u n c i la e c - q10 0 0 0 2 一r e v c ( 4 ) e l a j e d e cs t a n d a r dj d 2 2 a1 1 4 b ( 5 ) i e e es t dc 6 2 3 8 1 9 9 4 其中应用广泛的m i l s t d 一8 8 3 cm e t h o d3 0 1 5 7 标准中规定人体的等效电 容定为1 0 0 p f ，人体的等效放电电阻定为1 5 k f 2 ，如图2 3 所示： r1 5 k q 图2 3 ：t e s ts t a n d a r d ：m il s t d 一8 8 3 cm e t h o d3 0l5 7 表2 1 ：人体放电模式( h b m ) 的l ：业标准测耐压能力等级分类 c l a s s i f i c a t i o n s e n s i t i v i t y c l a s s10t o1 9 9 9v o l t s c l a s s22 0 0 0t o3 9 9 9v o l t s c l a s s34 0 0 0t ol5 9 9 9v o i t s 2 2 机器放l 乜模型( m a c h i n em o d e l ，m m ) 静电放电( e s d ) 机器模型是指集成电路在制造和使用的过程中，制造设备 本身的静电通过集成电路芯片的管脚放电1 10 1 。这种模型的通用测试标准为 e i a j i c 1 2 1 中的方法2 0 ，模型示意图如2 4 所示，表2 2 是其耐压等级分类图： 5 兰州大学礤士学位论文 m a r k i n g 窘 jt ” 围2 4 ：机器模帮示意图 表2 2 ：机器放电模帮的耐笨能力等级分类 c l a s ss t r e s sl e v e l s ( v ) m 00 5 0 m l5 0 - 1 0 0 m 21 0 0 - 2 0 0 m 32 0 0 - 4 0 0 m 44 0 0 8 0 0 m 5 8 0 0 机器放电的起因是制造设备上边积累的静电，机器设备大都是由金属制造 的，其等效电阻为0 n ，但是他的等效电容为2 0 0 p f ，从而其放电过程更短，在 数纳移之内就有几安培的瞬间放电电流产生。有关2 k vh b m 和2 0 0 vm m 的放 电电流比较如图25 所示： 分析上图发现虽然人体放电模式电压高达2 k v 而机器放电模式只有2 0 0 v ， 但是后者的放电电流却比前者太的多，由此可见，机器放电模式相对于 体模式 对集成电路芯片的影响更大。 ! h 学顿 论立 畸姜 幽25 ：人体放电模型自机器放电模型放电电流比较 2 3 器件充电模型( c h a r g e d d e v i c em o d e l ，c d m ) 浚放电模型是指集成电路芯片因为摩擦或者其他原因在i c 内部积累了静 电，但是在这个积累过程中i c 并未损伤。当带有静电的i c 在操作过程中它的 引脚接触到余属或是地时，i c 内部的静电便会经由接触的管脚从内部流出来， 造成的放电现象。这种静电放电模式用器件充电模型( c d m ) 柬表示l 。器件 充电模型可能的成因及放电的情形如图2 , 6 所。这种放电模式的放电时间更短， 只有几纳秒放电的过程更加难以仿真，因为l c 内部积累的静电也会因为l c 本 身对地的等效电容而改变。同时i c 摆放的角度和位雹以及i c 所用的封装形式都 会造成不同的等效电容。 幽2 6 ( a ) 带电l c 管脚接触刮地形成放电 b ) 带电的c 瞥脚经由接地的金屈l ：凡放电 兰州 学颤t 学位论立 鲥27z 器竹放电模型( c d m ) 替敢电路幽 图27 为器件放电模型( c d m ) 的示意图和等效图。图2 8 为2 0 0 0 vh b m ， 2 0 0 vm m 和1 0 0 0 vc d m 的放电电流比较。其中，1 0 0 0 vc d m 的放电电流在不 到l n s 的时间里便已达到约15 a 的剑锋值，放电的总时间在l o n s 以内。所以相 比m m ，c d m 类型的静电放电模式对i c 柬说更加有害。 神 t 5 量。 一 口 1 “嗍 r _ 艄 ，_ r。名_ 由- 悯 凹28 ：2 0 0 0 vh b m ，2 0 0 vm m 和l 0 0 0 v c d m 放电电流比较 2 4 电场感应模型( f i e l d i n d u c e dm o d e l ，f i m ) 当一个器件处于静电场中，其表面将感应出电荷，这就是电场感应模型的静 电荷来源。如果器件内部由于外电场的作用下积累了静电荷，而它的某个管脚又 与盒属或地接触器件就会放电，这就是电场感应模型。当c m o s 器件处于静 电场中其栅介质两侧会感应出电势差。如果这个电势差足够大就可以击穿氧化 层。这种模型的放电类似于c d m ，差别仅在于c m d 的电荷是由于摩擦等其他 兰h 大学硕学位论文 途径柬的，而f i m 的电荷是由电场感应积累的。所以也有将f i m 称作场致器件 充电模型( f i e l d - i n d u c e d c h a r g e d d e v i c e m o d e l ，f c d m ) ，其放电规律同c d m 。 2 5 静电放电的测试 2 5 1z a p m m t e r 测试 现有的z a 加l a 咖r 测试仪器有多种，常用的有n 四m ok e y t e k 公司生产的 z a p m a s t e r 测试系统。本仪器相对应的测试标准为g j b 5 4 8 a - 3 0 1 5 。短路测试波形 要求上升时间小于i o t a s ，下降时间大约1 5 0 - 2 2 0 n s ，每次测试在管脚正负测试三 次，测试时间间隔为i s 。2 0 0 0 v 的h b m 电压相当于1 3 3 a 的尖峰电流。z a p m s t e r 测试仪器中判决器件e s d 失效有三种模式：包络线失效( e n v ) ，开路失效( o e ) 和短路失效( s g ，12 + 1 4 1 。 2 5 2 电子枪测试 和z a p m a s t e r 一样，电子枪e s d 测试是另外一种后端检验型测试。电子枪 测试通常在芯片组装成整机电子产品之后进行系统纽的终端e s d 测试，目前常 用的测试标准是 e c 6 1 0 0 0 - 4 2 ，淘5 试模式分为接触式放电( c o a t a c td i s c h a r g e ) 和空 间放电( a i rd i s c h a r g e ) 。图2 9 是电子枪的示意结构图，电子枪的e s d 等效电容 为1 5 0 p f ，等效e s d 电阻是3 3 0 f l 。商用产品的系统缴空间放电标准般是1 5 k v 。 兰州人学硕 ：学位论文 5 0 m 1 23 3 0 f l r v vv 高压直流源 一 ( b ) 图2 9 ：( a ) 电子枪实物图( b ) 电子枪等效图 2 5 3t l p 测试 在实际生产中对器件的e s d 性能进行更为精确的测试的时候需要用到t l p 测试，这对研发新型的e s d 保护器件和保护方法有重要意义f 1 5 - 】。因为e s d 是 瞬态现象，通常发生在1 0 0 n s 的范围内，传统的d c 测试已经不能得剑准确的数 据了，特别是在大电流范围内有明湿的自加热效应发生。 三种基本的e s d 模型，h b m ，m m 和c d m 的脉冲上升时间是在小于l n s 到3 0 n s 的范围内。这就意味着d c 测试设备不能再现这些现象，会给出错误的 器件响应。因此，由m a l o n e y 和k h u r a n a 提出的传输线脉冲( t r a n s m i s s i o nl i n e p u l s i n g ，t l p ) 测试技术被广泛的用于e s d 相关参数的测量。图2 1 0 中显示了三 种t l p 系统，分别足t l p 5 0 0 f 2 ，t l p 5 0 f 2 和v f t l p 一5 0 f 2 系统。 ( a ) o 兰州大学硕 ：学位论文 ( b ) 图2 1 0 ：( a ) t l p 5 0 0 q 系统，( b ) t l p 5 0 1 2 系统，( c ) v f t l p 5 0 f l 系统 基本的操作过程如下，在丌关a 断丌时传输线由高压d c 电压源预充电或 者在v f t l p 中是连接到电压源。然后闭合丌关，存储在传输线中的能量通过电 阻和电缆网络对被测器l ：t ：( d e v i c eu n d e rt e s t ，d u t ) 放电。这种放电在大多数情况 下可以被很好地模拟为一个常数的电流脉冲，它的周期由传输线的长度单独决 定。在t l p 5 0 0 f l 系统中，5 0 f 2 的电阻用来匹配传输线，5 0 0 f 2 的电阻用束给通 常情况下1 5 j i 值很低的d u t 提供一个恒定电阻，还可以借助示波器进行电流计算。 在t l p 一5 0 0 f 2 系统中，重新设计了与网络匹配的电阻，所以输入脉冲和反射脉冲 都得到了一个匹配的5 0 f l 负载，d u t 也得到了一个几近完荚的方波。v f t l p 一5 0 f 2 系统中，用了更好的传输线设胃和史准确的匹配电缆，所以在任何地方都可以满 足严格的5 0 q 的匹配要求。 2 6 静电放电的防护 集成电路中静电放电( e s d ) 引起的损伤一卜要有以下两个方面：一种是电流过 邑l i 囹lf一匦矗t 蚀一 。吁 兰州人学硕 j 学位论文 大而引起的热失效，包括p n 结损伤和烧坏( 包括接触孔) 、扩展区电阻、多晶电 阻烧坏或损伤；一种是由于过大的电压直接引起的介质层击穿( 包括栅氧化层击 穿和电容击穿) ，或者说是电失效。热失效是由于局部电流集中而形成较大的热 量，使器件局部金属互连线熔化或芯片出现热斑从而引起二次击穿。电失效是由 于保护不当使较大的电压直接加到脆弱的薄氧化层上，引起介质击穿或表面击 穿。e s d 防护的手段总结起来有以下几种【1 8 _ 2 0 1 ： ( 1 ) 外部因素：加强制造、封装、测试、组装及运输等环境的静电放电防 护，减少静电来源。在大规模的i c 生产中要建立一整套静电防护体系。其中最 基本的防护措施包括抗静电包装材料的使用和空气电离器的使用来中和电荷；操 作人员要佩带防静电腕带，脚、趾带箍，穿着防静电工作服及防静电鞋、袜，使 用运送单个晶圆的隔离包；在工厂中设立静电保护区( e p a ，e l e c t r o s t a t i cp r o t e c t e d a r e a ) ，在该区内配备防静电地板、工作台和良好的接地引线，e p a 内的所有人员、 材料、工作面需连接到公共地以确保电位相等。 ( 2 ) 片# - ( o f f - c h i p ) e s d 防护。片外e s d 保护器件常见的有陶瓷电容、齐 纳二极管、肖特基二极管、m l v ( m u l t i l a y e rv a r i s t o r ，多层变阻器) 和 t v s ( t r a n s i e n tv o l t a g es u p p r e s s e r 瞬念电压抑制器1 。m l v 是一种基于z n o 压敏陶 瓷材料，其工作原理是利用压敏电阻的非线性特性，当过电压出现在压敏电阻i 的 两极m ，压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值，从而实现对后级电 路的保护( 图2 1 1 ) 。m l v 在很多领域得到了广泛的应用，如手机、机顶盒、复印 机的片外e s d 保护。另外一种片外保护电路是t v s ( 图2 1 2 ) 。t v s 通常并联于 被保护电路，当瞬态电压超过电路的正常工作电压时，二极管发生雪崩，为瞬念 电流提供通路，使内部电路免遭超额电压的击穿或超额电流的过热烧毁。 ( 3 ) 片上( o n c h i p ) e s d 防护。片上e s d 防护就是在芯片罩集成e s d 防护 单元，当静电信号到来的时候能够保护内部电路免遭烧毁，相比于片外e s d 防 护电路，片内e s d 防护电路的优点是：直接而且显著增强e s d 防护能力节省板 兰州大学碰学位论文 唯嚣：= 冀：黑 ，。 m 口j r c sd 岫c o 咄b o nv c u m 凹2t 2 t v s 的内部结构幽 级空间，从而减少系统成本并降低设计与抽线的复杂度。虽然从目前情况来看， 片上集成e s d 防护电路的难度相当大：工艺的进步使集成电路的栅极氧化层厚 度越来越薄，i c 自身的e s d 防护能力降低，先进工艺使传统的片上e s d 防护措 施效果减弱。但是片上e s d 防护单元的设计，对电子产品抗击e s d 伤害有着至 芙重要的作用。 兰州人学硕 ：学位论文 第三章新型静电放电( e s d ) 信号发生器的设计 3 1 新型静电放电( e s d ) 发生器的设计思想及功能 基于第二章对静电放电( e s d ) 四种放电模型的讨论，人体放电模式是最常 见一种，也是造成集成电路芯片损坏的最主要冈素。我们的静电放电( e s d ) 电 压发生器针对人体放电模型来设计。 充电电阻 人体模型电阻 图3 1 ：人体放电模型等效电路 高压开关 待测器件 图3 1 为人体静电放电模趔，模拟的是人体与金属部件接触释放人体存储的 电荷的过程。根据放电对象的不同，h b m 又叮分为b o d y f i n g e r 模型和b o d y m e t a l 模型。它们的区别也在于放电电容和放电电阻的大小。国内外一些标准舰定了人 体模型的放电电容和放电电阻，但是由于对e s d 放电过程的研究不深入的原因， 这螳标准所规定的放电电阻月、放电电容c 参数相差较大，几种常用的人体模型 的参数在表3 1 中给出。 通常认为人体静电电容为l o o p f - - 3 0 0 p f ，放电电阻约为几百欧姆，放电时 i b j 常数为几十纳秒。现在商业e s d 发生器大部分采用电容为1 5 0 p f 串联3 3 0 q 电| 5 h 的b o d y m e t a l 模型作为e s d 测试模型，许多文献也给出了这种模型参数所 得到的放电电流波形图。 表3 1 国内外典型e s d 模型参数 时f h j 常数 机构 电容p f 电阻胞 r c f 、 l e cl0 0 0 4 215 0 3 3 04 9 5 e n 610 0 0 2 415 03 3 04 9 5 弓 一 一 一 ； 一焉 兰州人学硕l ? 学位论文 e c m a15 03 3 04 9 5 e i a1 0 0 5 0 05 0 n e m a 1 0 01 5 0 01 5 0 m i l s t d8 8 3 b1 0 01 5 0 01 5 0 d o d h d 1 0 0 1 5 0 01 5 0 b k 2 6 3 e l a6 01 0 0 0 06 0 0 s a e3 0 0 5 0 0 01 5 0 0 m i l s t d 1 5 1 25 0 05 0 0 02 5 0 0 g j b 7 3 65 0 05 0 0 02 5 0 0 从上表可以发现常见的人体模型放电电容电阻标准中三类为主流：( 1 ) 1 5 0 p f 3 3 0 q 。( 2 ) 1 0 0p f 1 5 0 0 q 。( 3 ) 5 0 0p f 5 0 0 0 q 。商用的信号发生器大多以 ( 1 ) 即b o d y m e t a l 标准制作。很少采用标准( 2 ) 即b o d y f i n g e r 制作的产品。 本文采用人体放电模型之中的b o d y f i n g e r 模型作为实验模型，设计和调试一种 新型的e s d 发生器。同时给出这种模型的放电电流图。 按照自，j 边提出的标准设计出的静电放电( e s d ) 发生器包括的功能有： ( 1 ) 按照链箍的输入电压值控制放电电压大小并且控制l e d 显示器显示电 压数值。设计放电电压最大达到8 k v 。 ( 2 ) 按照键盘输入的脉冲次数控制放电脉冲的个数和l e d 数字显示脉冲个 数。设计放电脉冲次数最大达到9 9 9 次。 根据以上提出的功能要求，电路设计分为三部分： ( 1 ) 直流高低压电源部分：产生三路电源分别为5 v ，2 4 v ，8 k v ，高压部 分通过变压器隔离升压。 ( 2 ) 高压滤波r t l 路：山若f 电阻电容组成，目的是为了对电源电路输出的 高压进行滤波，去除高频部分。 ( 3 ) 高压放电电路：由若干继电器以及继电器控制电路和高e 丌关组成， 完成高压放电功能。 ( 4 ) 高压大小、脉冲个数控制电路( c p l d ) ：选用a l t e r a 公司 e p m l 2 7 0 t 1 4 4 c 5 n 型号c p l d 作为控制- 毪元控制放电电压大4 , 年1 1 放电脉冲个数 兰州人学硕f ：学位论文 以及l e d 显示。根据以上功能设计的总体电路结构如下图3 2 所示： c p l d 控制信号 吏支 5一7 幸率 妻妻 i 圭丰、 寸 vv v uuuuu 5 7 - 滤波 除卜一t七卜份卜一盼卜r i 电容 1 0 0 p f i 一 | i | | |j i | | |1 1| |1 | 、 e i 符寓k 砖沽直匿前由n r 图3 2 ：总体结构图 本章中以下各节将对电路的各个构成部分进行详尽的说明。 3 2 直流高低压电源 t - _ ) 1 2 d 1 l 、j i 么、 f 羔 弋 厂i 5 v 一 、厂= 2 4 v _ j ! 7 上 一= u 例 = ，丫t 一 图3 3 ：电源部分电路图 直流高爪源如图3 3 所示。电源部分采用比较成熟的线形稳k 技术。2 2 0 v 市电经变压器t 1 、t 2 变厂匿，再分别 | 8 个1 n 5 4 0 8 整流( 整流桥) 二极管整流 电容滤波之后，经u l ( 7 8 0 5 塑封t o 2 2 0 ) 和u 2 ( 7 8 2 4 金封t o 3 ) 两个稳压 集成块稳i j i 得剑稳定的5 v 、2 4 v 两组电源。5 v 提供c p l d 控制板电源，2 4 v 供 j 兰州人学硕l ：学位论文 给继电器使用。在电源板上还装有升压装置，分别为彩电行输出回扫变压器t 3 、 震荡管0 2 、限流电阻r 3 和滤波电容c 1 。 行输出变压器( 俗称高压包) 是电视机、监视器中的核心器件。它又叫逆程 变压器或回扫变压器( 也俗称高压包) ，一般用f b t 表示。它与普通的变压器的 区别就是它的初级、次级绕组线圈和高压绕组线圈都封装在绝缘的环氧树脂里 面，构成了一体，有时也叫一体化行回扫变压器。它罩面的高压绕组线圈采取分 段绕制，这样就节省了大量的空i 、日j 。行输出变压器的主要优点是体积小，可靠性 高，输出的直流高压稳定，使显示器的高压调整率得到显著改善。因此，它可以 大大减少显示器在亮度变化的引起光栅幅度的变化。所谓高压调整率就足指显像 管电子束电流变化时，显像管阳极高压变化大小的百分比。通常要求高压调整率 在1 0 以内，这时光栅幅度的变化很小。降低行输出高压整流管的内阻足改善高 压调整率。如果高压内阻太大，在电子束电流强弱变化时高压将跟随波动电子束 电流增大时高压降低，电子束速度随之降低，在同样的偏转磁场强度下，电子束 偏转幅度将增大；在电子束电流减少时高压升高，电子束速度提高，在同样的偏 转磁场强度下偏转幅度会减小。也就是说当图像在亮暗画面转换时，图像幅度将 随着变化。一体化输出变压器高妪凋整率一般不大于1 0 。行输出变压器在行扫 描期间( 即行输出管截止时) ，初级线圈有很高的感应电压，通过变压器耦合作 用，在次级线罔中分别感应出不同的电压。高压线圈获得高压脉冲，经整流滤波 得剑显像管所需要的阳极高压2 2 3 4 k v ( 1 4 2 1 i n 阳极高压逐渐增高) 、聚焦电 压、加速极电压。 行输出回扫变压器产生的高压和稳定性完全满足我们高压直流源的需要。另 外在震荡管的栅极加有控制电路c p l d 产生的矩形脉冲控制震荡管工作在丌关 状态，从而激励蛔扫变压器在次级产生高压。 3 3 高压滤波电路设计： 图3 4 ：高乐滤波电路 1 7 兰州人学硕i j 学位论文 如图3 4 为高压滤波电路的设计。由于行回扫变压器次级输出电压是不稳定 的交流电压，而我们需要的是直流高压电源，故需要对此高压进行整流和滤波处 理。在行输出变压器中带有整流装置，所以可以省去整流电路，行输出变压器内 部还带有滤波电容在2 7 0 0 3 0 0 0 p f 左右，为了提高高压的稳定性，我们在外部增 加了高压滤波部分。此部分是由c 1 c 5 五个高压滤波电容并联而成，滤波电容 的选取霞要的一个考量是电容的耐压值，从彩电行输出回扫变压器输出点电压高 达2 0 3 0 k v ，所以必须使用耐压绝对高的电容。单个高耐压的大电容值不容易得 到，我们采用了五个3 0 0 0 p f 3 0 k v 电容的并联。 为了避免高压放点打火，在高压电容的引脚端进行了高压硅脂的的涂敷。 r 1 、r 2 是对后边放电电路的充电电阻，这两个电阻的大小关系到两次充电时间 的长短，可以调整r l 的大小来控制两次放电之问的时问间隔。实验中我们选择 7 0 m q ，并接入三个s c r 的条件下两次放电的时间问隔约为1 0 m s ，即1 s 中放电 1 0 0 次。 3 4 高压放电电路设计 3 4 1 电路功能介绍 高压放电电路把直流高压电源产生的卣流高压通过定时丌通与关断，达到对 人体充电模型电容电阻体系放电的目的【2 1 。2 5 1 。所以高，放电电路应该包括：硬件 电路控制部分( 控制放电电压大小) 、高压丌关、人体放电模型电容，电阻。另 外，考虑到整个功能的设计还要对放电脉冲进行计数控制，在高压放电电路中还 应该有对当日，j 放电波形的采样电路。 3 4 2 关键器件的选型 ( 1 ) 高压丌关的选择：现在商、l k 化等大部分的e s d 发生器放电丌关是使用 高压继电器，它具有放电时| 口j i 口j 隔可控，和电压波形i 二升沿短的优点，但足成本 高、寿命短、耐压有限、不容易提高放乜电j = k 也是它致命的缺点。而使用串连 s c r 固态丌关可以极大的降低成本并且还有以下优点： a 无运动零部件，无机械磨损，无动作噪卢，无机械故障，可靠性高； b 无燃弧触点，无触点i 日j 的火花、电弧，无触点抖动和磨损，对外干扰小； c 丌天速度迅速，动作时f u j 可达1 0 。s 以下； 兰娴大学硕士学位论文 d 灵敏度高，控制功率小，可达1 0 3 w 以下，能很好地与1 t l 、c m o s 电 路兼容； e 抗冲击振动性能优良，容易实现“零”压切换； f 一般用绝缘材料灌封成全封闭整体，所以具有良好的防潮、防霉、防腐性 能，防爆性能也极佳； g 半导体器件作为开关工作，寿命长； h 耐压可以通过调整串联的数量可以很好的得到控制。 半导体可控整流器【施2 7 1 ( s e m i c o n d u c t o rc o n t r o l l e