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Protéger les Circuits Intégrés contre les ESD
Protéger les CI contre les ESD Les limites des composants intégrés Limites DC Energie (J) Tension (VHBM) Tête magnétique - 10-7 10 CMOS - 10-6 30 Bipolaire RF - 10-5 100 Bipolaire (faible puissance) - 10-4 300 Diode RF (en direct) - 10-3 1000 Bipolaire ( moyenne puissance) - 10-2 3000 Diodes de puissance, Zener - 10-1 10000 Bipolaire (forte puissance) - 100 30000 SCR (thyristor discret) - 101 100000 Type de Composant protééger les CI 1. Pourquoi prot Protéger les Circuits Intégrés contre les ESD Philippe DESCAMPS Spec. PHILIPS: 2000 VHBM, 200 VMM, 1000 VCDM 3 Protéger les CI contre les ESD Protéger les CI contre les ESD Les limites et contraintes de nos circuits et technologies SOMMAIRE 1. Introduction: Pourquoi protéger les circuits intégrés • Nombre de pads: # 10 à > 500 => multiples chemins ESD 2. Les mécanismes de conduction dans les semiconducteurs • Tensions d’alimentations 1.2V (CMOS avancé) à 5.5 (BiCMOS mature) et voir plus pour les procédés BCD. 4. Les composants de protection 5. Les stratégies de protection SOMMAIRE 6. Conclusion 2 protééger les CI 1. Pourquoi prot 3. Les modes de défaillance Protéger les CI contre les ESD • Tensions limite d’utilisation des composants: de Vcc+25% à 10, 20 ou 30V (fonction des composants, des procédés et du layout) • Consommations max des produits: plusieurs 100mA à environ 100µA • Fréquences d’utilisation: quelques MHz à plus de 10 GHz 4 Protéger les CI contre les ESD L’évolution des technologies Profondeur de jonction (µm) Epaisseur d'oxyde Tox (nm) Volume de dissipation de puissance PDV (µm^3) Densité de courant de 2nd claquage Jt2 (mA/µm) 10 1 0,1 0,01 0,001 0,1 1 10 Dimensions caractéristiques (µm) Paramètres influençant la robustesse ESD des CI: • Paramètres de procédés: dopages, silicure,… (potentiellement tout!) • Paramètres de conception: layout et schémas électriques (potentiellement tout!) 5 méécanismes de conduction 2. Les m Echelle relative protééger les CI 1. Pourquoi prot 100 Protéger les CI contre les ESD 6 3. Les modes de ddééfaillance méécanismes de conduction 2. Les m Protéger les CI contre les ESD 7 8 Protéger les CI contre les ESD 9 4. Les composants de protection 4. Les composants de protection Protéger les CI contre les ESD 11 Protéger les CI contre les ESD Protéger les CI contre les ESD Cahier des charges des protections ESD • Prendre en compte les différents chemins de décharges ESD • Ne pas affecter la fonctionnalité du circuit en conditions normales de fonctionnement • Écrêter les hautes tensions • Évacuer le courant de décharge • Se déclencher rapidement • Occuper un minimum de place • Ne pas induire d ’étape supplémentaire dans le procédé de fabrication des composants 10 4. Les composants de protection 4. Les composants de protection • Lutter contre les décharges positives et négatives 12 Protéger les CI contre les ESD Protéger les CI contre les ESD I 13 ESD device 4. Les composants de protection CIRCUIT A PROTEGER ESD device 4. Les composants de protection IESD V VMAX CAS N° 2 15 Protéger les CI contre les ESD Protéger les CI contre les ESD I I V VMAX CAS N° 1 14 ESD device CIRCUIT A PROTEGER ESD device CIRCUIT A PROTEGER 4. Les composants de protection ESD device IESD ESD device 4. Les composants de protection IESD V VMAX CAS N° 3 16 Protéger les CI contre les ESD Protéger les CI contre les ESD I I CAS N° 3 (suite) 17 CIRCUIT A PROTEGER ESD device ESD device V VMAX 4. Les composants de protection 4. Les composants de protection CIRCUIT A PROTEGER ESD device IESD ESD device IESD V VMAX CAS N° 3 (suite) 19 Protéger les CI contre les ESD Protéger les CI contre les ESD I I V VMAX CAS N° 3 (suite) 18 ESD device CAS N° 4 20 Protéger les CI contre les ESD 21 23 Protéger les CI contre les ESD 22 stratéégies de protection 5. Les strat Protéger les CI contre les ESD 4. Les composants de protection V VMAX stratéégies de protection 5. Les strat 4. Les composants de protection Protéger les CI contre les ESD CIRCUIT A PROTEGER ESD device CIRCUIT A PROTEGER 4. Les composants de protection ESD device IESD ESD device 4. Les composants de protection IESD 24 Protéger les CI contre les ESD 25 stratéégies de protection 5. Les strat stratéégies de protection 5. Les strat Protéger les CI contre les ESD 27 Protéger les CI contre les ESD 26 stratéégies de protection 5. Les strat stratéégies de protection 5. Les strat Protéger les CI contre les ESD 28 Protéger les CI contre les ESD 29 stratéégies de protection 5. Les strat stratéégies de protection 5. Les strat Protéger les CI contre les ESD 31 Protéger les CI contre les ESD Protéger les CI contre les ESD CONCLUSION • Des composants robustes aux ESD existent dans toutes les technologies. Malgré tout, l’amélioration de la tenue aux ESD des circuits reste un enjeu: • Aucune réelle simulation de cet aspect de la fiabilité n’est possible pour garantir la robustesse finale au moment de la conception. • Les solutions ESD restent toujours un compromis entre les performances fonctionnelles et économiques du circuit et sa robustesse aux ESD. 30 6. Conclusion stratéégies de protection 5. Les strat • Un design de circuit ‘auto-protégé’ n’est souvent pas compatible avec l’aspect fonctionnel du circuit. • Il en est de même pour l’utilisation de composants de protection ESD ‘parfaits’ (très robustes) • La tenue aux ESD reste à vérifier sur silicium. 32
