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集成電路可靠性設(shè)計范文1

關(guān)鍵詞：超大規(guī)模集成電路；系統(tǒng)級；寄存器傳輸級；邏輯級；晶體管級；可靠性評估

中圖分類號：TP311文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)01-0204-03

An Overview of the Reliability Evaluation of Very Large Scale Integrated Circuits

ZHU Xu-guang

(Department of Computer Science and Technology, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Abstract: To meet the high performance requirements of SoC (System on Chips), the density and complexity of VLSI is increasing contin? ually, and these have negative impacts on circuit reliability. Hence, accurate reliability estimation of VLSI has become an important issue. This paper has introduced the problems and the existing reliability techniques of reliability estimation based on the early achievements. Fi? nally, this paper described the further work, the deficiency and difficulties of the current work combined with the author’s working.

Key words: VLSI; system level; register transfer level; logic level; transistor level; reliability evaluation

超大規(guī)模集成(very large-scale integrated, VLSI)電路及其相關(guān)技術(shù)是現(xiàn)代電子信息技術(shù)迅速發(fā)展的關(guān)鍵因素和核心技術(shù)，對國防建設(shè)、國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著巨大的推動作用。人們對信息技術(shù)產(chǎn)品(主要指數(shù)字計算系統(tǒng))的依賴程度越來越大，這直接牽涉到人們的生活質(zhì)量，甚至關(guān)系到人類生命、財產(chǎn)的安全問題。因此，當(dāng)前人們在應(yīng)用這些產(chǎn)品的同時，必然會提出更高的要求，即除了傳統(tǒng)意義上的要求和標準以外，還提出了更重要的評價體系---系統(tǒng)所提供服務(wù)的“可靠性”標準問題[1]。

目前，軍事電子、航空航天、工業(yè)、交通、通訊，乃至普通人的個人生活都對VLSI電路和系統(tǒng)提出了越來越高的可靠性要求，而同時隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，尤其是深亞微米、納米工藝的應(yīng)用、電路規(guī)模不斷擴大，特征尺寸不斷縮小，電路密度不斷提高，給芯片的可靠性帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。因此，對VLSI電路的高可靠性研究變得越來越重要。可靠性技術(shù)研究一般包括可靠性設(shè)計與模擬、可靠性試驗與評估、工藝過程質(zhì)量控制、失效機理與模型研究，以及失效分析技術(shù)等五個主要的技術(shù)方向。

傳統(tǒng)上對VLSI電路可靠性的研究主要是針對制造過程的，內(nèi)容包括成品率計算模型、缺陷分布模型、軟(硬)故障影響的可靠性模型、電路的串?dāng)_與延遲、電路可靠性與成品率的關(guān)系等。在集成電路制造過程中，由于各種工藝擾動會不可避免地在硅片上引入缺陷，從而引起集成電路結(jié)構(gòu)的局部畸變。這些局部畸變可能改變電路的拓撲結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致集成電路成品率下降。因此，缺陷的幾何模型、粒徑分布是影響成品率的重要因素之一。另外，在深亞微米和納米工藝下，軟故障的干擾越來越嚴重，相關(guān)的研究包括軟故障影響下導(dǎo)線可靠性模型、故障關(guān)鍵面積計算等。已有的研究表明可靠性和成品率存在正相關(guān)關(guān)系，其正相關(guān)性需要考慮線寬、線間距等版圖的幾何信息和與工藝相關(guān)的缺陷粒徑分布等參數(shù)。面向制造過程的可靠性研究準確性好但存在較大的計算開銷。

于是在制造出集成電路產(chǎn)品后，通過篩選和可靠性試驗估計其可靠性，并采用加速壽命試驗確定產(chǎn)品的平均壽命。如果發(fā)現(xiàn)可靠性不滿足要求，就要從設(shè)計和工藝角度進行分析，并加以改進。長期以來，評價器件質(zhì)量和可靠性的方法分為三類[2]：（1）批接收抽樣檢驗，檢驗該批產(chǎn)品是否滿足產(chǎn)品規(guī)范要求；（2）可靠性壽命試驗，評價產(chǎn)品的可靠性水平；（3）從現(xiàn)場收集并積累使用壽命數(shù)據(jù)，評價相應(yīng)產(chǎn)品的使用質(zhì)量和可靠性。

近年來，VLSI電路集成度不斷提高，同時可靠性水平也迅速提高，傳統(tǒng)的評價方法暴露出了各種各樣的問題，如批接收抽樣檢驗方法因分辯能力有限而不能有效區(qū)分高水平產(chǎn)品質(zhì)量之間的區(qū)別；可靠性壽命試驗方法因要求的樣本數(shù)太多而導(dǎo)致成本上升；基于現(xiàn)場數(shù)據(jù)收集的方法因存在“滯后性”而不能及時對產(chǎn)品質(zhì)量進行評價等，這就促使人們開始研究新的評估技術(shù)。

當(dāng)前對可靠性研究主要的數(shù)學(xué)模型有[3]：可靠性框圖模型、故障樹模型、馬爾科夫模型、Petri網(wǎng)模型、狀態(tài)空間分解模型及概率模型等。

雖然這些模型較好的解決了一系列的問題，但是在對VLSI電路進行分析時，由于沒有涉及到電路的具體邏輯結(jié)構(gòu)，也就是說只是粗略的分析了一下電路的可靠性，這是不夠準確的，當(dāng)然也是具有現(xiàn)實參考價值的。

在下一步工作中，作者將深入到電路的具體邏輯層和現(xiàn)實的環(huán)境當(dāng)中，對其進行更加深入和具體的研究，以便給出更加準確和 更有價值的計算值。

1不同層面可靠性評估

對數(shù)字VLSI電路進行模型化或設(shè)計描述,按照抽象級別由高到低大致可以分為行為級、寄存器傳輸級、邏輯級、電路級、晶體管級。目前，可靠性評估方法的研究主要集中在電路邏輯級以上，通過故障注入或模擬的方法分析信號可靠性。

一般而言，電路可靠性分析基于抽象級別越高，時間開銷越少，能用于大規(guī)模電路或者處理器系統(tǒng)的評估，但是由于遠離物理實現(xiàn)，準確性低。反之，分析的抽象級別越低，必然考慮低層實現(xiàn)中的缺陷分布，環(huán)境因素等參數(shù)，越接近芯片制造的真實過程，所以更加準確，但是存在一個普遍問題是耗時大，無法用于復(fù)雜電路。

1.1行為級可靠性評估

在高層測試可以及早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤，便于及時修改，減少設(shè)計成本，縮短研發(fā)時間。當(dāng)前集成電路高層測試所面臨的最大困難是：缺少能準確描述高層故障實際類型的故障模型，并且模型的評估方式也較單一。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對高層故障模型的研究已做了許多有益的工作，如：模仿軟件測試的覆蓋方法(包括狀態(tài)覆蓋、語句覆蓋、分枝覆蓋等)、基于電路結(jié)構(gòu)提出的故障模型等。這些故障模型在處理某類電路時都表現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢，但是并非對所有類型電路都有效。這也表明，當(dāng)前高層故障模型依然不夠成熟；高層故障模型與門級網(wǎng)表中的SA(固定型故障模型)故障之間的關(guān)系依然不清晰；模型的評估也有待于改進?，F(xiàn)存的故障模型中，比較成功的有：傳輸故障模型[4]，變量固定型模型[5]。對模型的評估，常用的方法是覆蓋率評估，一般分為兩步，如圖1所示：(1)依提出的故障模型作測試生成，得到測試向量；(2)將測試向量在門級網(wǎng)表作模擬，計算其對SA故障的覆蓋率。另外還有一些是考慮電路的可觀測性的測試生成與評估方法[6]。總之，這些評估方法，都是基于對SA故障覆蓋率的計算。

圖1兩個高層故障模型評估

1.2邏輯級可靠性評估

正如上文所述，評估方法所對應(yīng)的電路抽象級別越高，其準確性則越低。而同一抽象層次上不同類型的方法相比，解析方法最為省時。邏輯級的解析模型方法相對準確，且易于理解和操作。

由于邏輯電路對差錯具有一定的屏蔽作用，作為瞬時故障的軟差錯并非一定會導(dǎo)致電路鎖存錯誤內(nèi)容或者輸出錯誤結(jié)果，因此，建立概率模型來評估邏輯級電路可靠性是合理的。

邏輯級概率模型通過計算發(fā)生在電路邏輯門或線節(jié)點差錯傳播到原始輸出的概率來衡量其失效率，考慮了電路的拓撲結(jié)構(gòu)和傳播路徑信息，并與組成電路的各個門類型和連接方式有關(guān)，如圖2所示，目前典型的方法包括：計算單個輸出節(jié)點軟差錯率的TP方法[7]，通過計算差錯傳播率表征電路軟差錯率的EPP方法[8]，以及通過概率轉(zhuǎn)移矩陣模型評測整個電路可靠度的PTM方法[9]。其中，TP方法和EPP方法只計算部分電路的失效率，而PTM可以度量整個電路的可靠性。但是，未經(jīng)優(yōu)化的TP、PTM算法的計算時空開銷較大，只能適用于小規(guī)模電路?；赑TM方法具有良好的完備性，并且模型簡單而準確，為解決其因時空復(fù)雜度大而不能直接用于大規(guī)模電路的問題，文獻[2]對PTM方法進行了深入的研究，并提出了合理的改進方法。

1.3晶體管級可靠性評估

超深亞微米下的CMOS電路可靠性是由MOSFET的微觀失效機制來決定的,對CMOS電路可靠性的評估和改善應(yīng)該在失效模式分析和對基本物理失效機制正確理解的基礎(chǔ)上進行。因此在對電路可靠性進行評估時，需要進行下面四方面的工作：

1)對MOSFET柵氧層退化機制進行建模。MOSFET中熱載流子注入效應(yīng)、負偏置溫度不穩(wěn)定性、柵氧可靠性的經(jīng)時擊穿效應(yīng)這三種失效機制是影響到超大規(guī)模CMOS電路長期工作可靠性的最主要因素。它們都是由氧化層陷阱電荷作用或界面態(tài)積累作用而導(dǎo)致了柵氧層作用的退化而造成器件特性的退化。

2）對產(chǎn)生局部氧化層損傷的MOSFET器件行為進行建模。MOSFET中的HCI和NBTI效應(yīng)都會對器件的主要I-V特性參數(shù)產(chǎn)和程度不同的影響。

3）在電路長時工作條件下，對器件柵氧層退化進行仿真。正常的電路中器件一般都是處在AC應(yīng)力條件下，要對電路的可靠性進行準確的評價，必須先要能夠?qū)C應(yīng)力下MOSFET長時間工作后的器件性能進行評價。

4）評價處于失效應(yīng)力作用下的整體電路的性能。

電路可靠性研究的一個重要部分集中在器件級設(shè)計[10]，其包括：對失效機制更好的理解和建模；圓片級測試結(jié)構(gòu)的革新以改善可靠性控制；阻止器件退化的結(jié)構(gòu)的研究。其中，器件退化對電路性能的影響受到了更多的關(guān)注。在設(shè)計階段預(yù)測電路可靠性的方法有著非常大的價值。隨著可靠性仿真技術(shù)的逐漸成熟，芯片的可靠性設(shè)計概念被提上了日程。對最終的電路可靠性評價在IC設(shè)計階段完成，大大降低了芯片設(shè)計風(fēng)險。圖3為晶體管級電路的結(jié)構(gòu)。

圖3晶體管級電路結(jié)構(gòu)圖

從以上可知，可以從不同層面來對VLSI電路進行可靠性評估，不同層面的可靠性評估有其不同的優(yōu)勢與不足。較低層次的可靠性分析通常比較準確，但是其功耗和時間開銷大，只能對中小型電路進行分析。高層次的可靠性分析由于遠離物理實現(xiàn)，準確性低，但是可處理性好。根據(jù)作者的研究認為，兼顧準確性和可處理性是對可靠性研究的突破點，這就要將電路的不同層次間相互映射，以盡可能貼近電路的真實行為。從而在電路的設(shè)計階段就能夠比較準確地估計其可靠性，盡早調(diào)整改進，避免出現(xiàn)因結(jié)構(gòu)設(shè)計上的不足而導(dǎo)致的芯片缺陷，從而提高芯片的可靠性和成品率，縮短芯片的設(shè)計和生產(chǎn)周期。

2結(jié)論

由IBM、Sony、Motorola等多家知名半導(dǎo)體公司最新研究進展表明，可靠性問題始終伴隨著半導(dǎo)體器件與大規(guī)模集成電路的發(fā)展和應(yīng)用，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，VLSI電路的可靠性問題變得越來越突出。加強對半導(dǎo)體器件與集成電路的可靠性分析、模擬、評估和改進已經(jīng)成為超大規(guī)模集成電路發(fā)展中的重要課題。目前VLSI電路的可靠性研究得到廣泛的關(guān)注，對越來越多的失效模式和機理進行了研究，并且從理論和實踐上不斷提出了改進方法，這些研究成果為可靠性增長提供了評價標準與依據(jù)。

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集成電路可靠性設(shè)計范文2

【關(guān)鍵詞】電子產(chǎn)品；電子系統(tǒng)；電源開關(guān)；可靠性；設(shè)計原則；研究

0.前言

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平不斷提升，電子產(chǎn)品的換新?lián)Q代也十分迅速，人們生活水平的提高，各個企業(yè)的競爭壓力不斷加劇，對于各類電子產(chǎn)品的質(zhì)量、可靠性等均有了較高的要求。電源開關(guān)是電子系統(tǒng)中極為重要的構(gòu)成部分，且運行時間長，其可靠性直接關(guān)系到電子產(chǎn)品的質(zhì)量。一般國際認為可靠性是在一定的環(huán)境條件中，及規(guī)定的時間內(nèi)，完成相應(yīng)功能的能力，該內(nèi)容適應(yīng)性較為廣闊，包括系統(tǒng)、設(shè)備、單元。其中故障的出現(xiàn)具有較大的隨機性，而需要在設(shè)計的過程中即考慮到其可靠性的因素，對其的研究是十分有必要的。

1.合理選擇電路拓撲

開關(guān)電源的拓撲形勢較為豐富，一般常見的類型包括單端反激式、正激式、雙單端正激式、雙管正激式、雙正激式、半橋式、推挽式、全橋式等。其選擇推挽式或者全橋拓撲時，可能會產(chǎn)生單向偏磁飽和的現(xiàn)象，損害到開關(guān)管，而半橋電路能夠自動抗不平衡，因此不會出現(xiàn)開關(guān)管損壞的情況。雙單端正激式、中單端正激式、單端反激式、推挽式的開關(guān)管的承壓能力是輸入電壓的兩倍，在使用過程中如果是以60%降額使用，開關(guān)管的選型存在一定的困難。雙管正激式、半橋電路開關(guān)管的承壓能力有限，一般是電源的最大輸入電壓，按照60%降額使用，開關(guān)管的選用范圍較為廣闊。如果是進行高可靠性工程中，應(yīng)選擇雙管正激式和半橋電路開關(guān)管，質(zhì)量較為良好[1]。

2.校正功率因數(shù)

開關(guān)電源在運行過程中會產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)造成一定的污染，其周圍的設(shè)備也會受到較大的影響，甚至損害到設(shè)備，影響其正常使用，或者在使用三相四線制的過程中，電流較大，容易出現(xiàn)事故，需要選擇功率因素校正能力的開關(guān)電源，保障其運行的安全性。

3.合理的供電方式

根據(jù)供電形式的不同，可以將供電方式分為兩個不同的類型，即集中式供電系統(tǒng)和分布式供電系統(tǒng)，二者的性質(zhì)、特點、適應(yīng)情況等均有較大的差異。其中分布式供電系統(tǒng)供電單元與負載的距離較近，優(yōu)化了動態(tài)響應(yīng)特性，且供電較為穩(wěn)定，在傳輸過程中電能的損耗較少，效率良好，可靠性較高，也具有擴展功率的特點，因此一般電子系統(tǒng)會才采用分布式供電系統(tǒng)，設(shè)備的可靠性要求高也能夠達到標準[2]。

4.控制策略的制定

針對不用的情況 ，需要合理選擇電源開關(guān)的控制措施，才能到達良好的可靠性效果。如果電源的功率較小，一般情況下會采用電流型PWM控制，相較電壓型控制，其能夠逐周期對電流實施有效的限制，控制速度更快，且不會出現(xiàn)過流損壞開關(guān)管的問題，降低過載，防止出現(xiàn)短路的問題，且環(huán)路穩(wěn)定，容易補償，紋波也較小，并電網(wǎng)電壓調(diào)整率良好，瞬態(tài)響應(yīng)效率高。實踐證明，電流控制的50W開關(guān)電源，其輸出紋波約為25mV，電壓控制性開關(guān)電源比電壓控制型開關(guān)電源性能更加優(yōu)越。由于開關(guān)損耗的影響，硬開關(guān)技術(shù)開關(guān)頻率一般不會超過350kHz，軟開關(guān)技術(shù)則是以諧振為基本原理，大幅度減少了開關(guān)的損耗，并能夠提高開關(guān)頻率，并達到兆赫級水平。運用了軟開關(guān)技術(shù)的變換器，其具有較多的優(yōu)點，包括開關(guān)損耗低、恒頻控制、儲能元件尺寸良好的適應(yīng)性、控制范圍較為廣闊、負載的范圍較大等，但是其有存在一定的局限性，即其無法應(yīng)用于中小功率電源中，中小電源一般采用PWM技術(shù)，只能應(yīng)用于功率較大的電源中[3]。

5.元器件的選用

元器件的各項質(zhì)量、性能等對于開關(guān)電源的可靠性有著直接的決定作用，在選擇時需要嚴格遵循一定的原則，才能夠在保障開關(guān)電源的質(zhì)量，具體原則有以下幾點：①嚴格做好質(zhì)量控制元器件的質(zhì)量因素引起的開關(guān)電源的失效與工作應(yīng)力沒有直接的關(guān)系，因此需要選擇質(zhì)量良好的元器件，元器件在使用前需要進行嚴格的檢驗，將質(zhì)量不達標的排除掉；②按照規(guī)范嚴格篩選元器件 相較鍺半導(dǎo)體器件，硅半導(dǎo)體器件性能更加良好，因此應(yīng)選擇硅半導(dǎo)體器件。盡量選擇集成電路，減少分立器件的數(shù)量，電路更加簡單，也能夠降低故障風(fēng)險。開關(guān)管應(yīng)選擇金氧半場效晶體管，其驅(qū)動電路更加簡單，損耗也更少。輸出整流管應(yīng)使用二極管，其軟恢復(fù)性較為良好。金屬封裝、陶瓷封裝、玻璃封裝的器件相較塑料封裝的器件質(zhì)量更加良好，因此需要避免使用塑料封裝的器件。一般情況不使用繼電器，如果條件限制，需要使用繼電器，應(yīng)選擇接觸良好的密封繼電器。一般不使用電位器，如果需要保留電位器，需要對其實施同封處理。由于有高頻電流通過，容易升溫，需要吸收電容器與開關(guān)管和輸出整流管的距離不宜過大，且該類電容器需要屬于高頻，且損耗少，并能夠耐高溫。③應(yīng)用環(huán)境因素 由于鋁電解電容在特殊的情況下，其外殼會被腐蝕，容量不穩(wěn)定、漏電流增加等問題，包括潮濕的環(huán)境、鹽霧環(huán)境等，因此如果是處于艦船中，或者環(huán)境較為潮濕的情況下，盡量避免使用鋁電解電容。在航天電子設(shè)備的電源中，在空間粒子的轟擊下，電解質(zhì)會被分解，因此也不適合于鋁電解電容的使用[4]。

6.設(shè)置保護電路

電子系統(tǒng)的開關(guān)電源需要在較為復(fù)雜的條件下穩(wěn)定的運行與工作，并出現(xiàn)荷載電壓過大、過低、短路故障、高溫、浪涌沖擊等情況，因此需要設(shè)置不同的保護電路，使之能夠適應(yīng)不同的運行環(huán)境，能在各種惡劣環(huán)境下可靠地工作，提升器運行的穩(wěn)定性。

7.開關(guān)電源的損耗

元器件在工作過程中會出現(xiàn)損耗，運行了較長時間后，損耗較為嚴重會造成元器件的失效，該現(xiàn)象屬于自然損耗老化，工作應(yīng)力對其沒有影響。鋁電解電容持續(xù)長時間處于高頻條件下運行，會使得電解液逐漸損失，容量也會隨之下降，如果電解液的損失量達到40%，容量則會減少20%；如果電解液的損耗量達到90%，容量則會減少40%，在該情況下，電容器芯子已處于干涸狀態(tài)，失去了使用功能[5]。

8.總結(jié)

電源開關(guān)作為電子系統(tǒng)中極為重要的構(gòu)件，其需要長時間的連續(xù)運行，且面臨著較為復(fù)雜的運行環(huán)境。電源開關(guān)的特殊性，其無法進行相應(yīng)的檢修，而僅僅只能日常維護，因此其也較為容易出現(xiàn)各種故障，直接影響到電子產(chǎn)品的正常使用，需要進行可靠性設(shè)計。本文僅從一般的角度分析了電源開關(guān)的可靠性設(shè)計，在實踐的設(shè)計活動中還需要設(shè)計人員結(jié)合實際的要求，不斷的提升設(shè)計水平，保障電源開關(guān)的可靠性，提升電子產(chǎn)品的質(zhì)量，給企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益及社會效益。[科]

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集成電路可靠性設(shè)計范文3

【關(guān)鍵詞】RS-485；可靠性；低功耗

1.引言

RS-485網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)廣泛的用于工業(yè)控制，儀器儀表，機電一體化產(chǎn)品[1]以及發(fā)射控制系統(tǒng)等武器裝備領(lǐng)域。RS-485網(wǎng)絡(luò)采用平衡驅(qū)動及差分接收方式來驅(qū)動總線，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的物理層連接。具有抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、通訊距離遠等優(yōu)點[2]。

但RS-485網(wǎng)絡(luò)如果在抗干擾、自適應(yīng)、功耗設(shè)計等方面處理不當(dāng)，常會導(dǎo)致系統(tǒng)功耗增加甚至系統(tǒng)癱瘓等故障。如何提高可靠性并降低功耗越來越得到人們的關(guān)注。本文從提高發(fā)射控制系統(tǒng)RS-485網(wǎng)絡(luò)可靠性和降低功耗兩個方面進行分析，并提出了相應(yīng)的合理解決辦法。

2.RS-485網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計

2.1 傳輸線阻抗匹配

在RS-485網(wǎng)絡(luò)通信過程中，阻抗不連續(xù)和阻抗不匹配都可能會導(dǎo)致信號反射，反射的信號會觸發(fā)接收器輸入端的比較器，使接收器產(chǎn)生錯誤的信號，降低通信可靠性。

2.2 失效保護

RS-485接口采用差分方式傳輸信號[3]，RS-485標準規(guī)定接收器的輸入門限為±200mV，即差分輸入端A電平比B電平高+200mV，輸出為邏輯“1”，反之，則輸出為邏輯“0”，這樣能夠提供比較高的噪聲抑制能力。在總線空閑、開路或短路的情況下，會將總線置于第三態(tài)，使得A和B之間的電壓差在-200mV～+200mV之間甚至趨近于0V，導(dǎo)致接收器輸出狀態(tài)不確定，既可能輸出邏輯“1”，也可能輸出邏輯“0”。為了避免上述情況，必須采取一定措施提供網(wǎng)絡(luò)失效保護功能。

增加失效保護電阻僅對總線開路時有效，并不能解決總線短路時可能出現(xiàn)的問題。在實際應(yīng)用中采用包含內(nèi)置失效保護電路的低功耗收發(fā)器，如MAXIM公司的MAX3080、MAX3471系列產(chǎn)品可以同時解決總線開路和短路時的失效保護問題，而且省去了外部失效保護電阻，也有利于降低系統(tǒng)功耗。

2.3 瞬態(tài)保護和抗靜電沖擊

發(fā)射控制系統(tǒng)的RS-485網(wǎng)絡(luò)周邊環(huán)境中還存在著許多高頻瞬態(tài)干擾。一般在切換大功率感性負載如電機、變壓器、繼電器等或閃電過程中都會產(chǎn)生幅度很高的瞬態(tài)干擾，如果不加以適當(dāng)防護就會損壞RS-485通信接口。對于這種瞬態(tài)干擾可以采用隔離或旁路的方法加以防護。

（1）隔離保護方法。這種方案實際上將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離接口中的電隔離層上，由于隔離層的高絕緣電阻，不會產(chǎn)生損害性的浪涌電流，起到保護接口的作用。實現(xiàn)隔離保護通常有兩種方式：一是采用高頻變壓器、帶隔離的DC-DC、光耦等元件實現(xiàn)接口的電氣隔離以達到保護接口的目的；二是使用片內(nèi)已集成了光耦的二次集成芯片如MAX1480等。

（2）旁路保護方法。這種方案利用瞬態(tài)抑制元件（如TVS、MOV、氣體放電管等）將危害性的瞬態(tài)能量旁路到大地，優(yōu)點是成本較低，缺點是保護能力有限，只能保護一定能量以內(nèi)的瞬態(tài)干擾，持續(xù)時間不能很長。而且需要有一條良好的連接大地的通道，實現(xiàn)起來比較困難。實際應(yīng)用中是將上述兩種方案結(jié)合起來靈活加以運用。

另一個需要考慮的問題就是抗靜電放電（ESD）沖擊。由于人體在接觸集成電路引腳時產(chǎn)生的靜電放電可能高達幾十千伏，會使工作中的器件產(chǎn)生閉鎖而不能運行甚至損壞器件[4]。所以在實際應(yīng)用中，要盡量選用帶靜電放電保護的器件，如MAX1487E、MAX487E等，可以有效保護器件在安裝和使用過程中可能受到的靜電放電沖擊。

3.RS-485網(wǎng)絡(luò)低功耗設(shè)計

3.1 選用低功耗CMOS驅(qū)動器

由于數(shù)據(jù)發(fā)送期間會大幅增加收發(fā)器的功耗，因此應(yīng)盡量使收發(fā)器處于接收狀態(tài)，以降低功率消耗。當(dāng)收發(fā)器處于空閑時，采用驅(qū)動器關(guān)閉功能，可以使功率消耗最低。

3.2 通過軟件實現(xiàn)短報文發(fā)送

數(shù)據(jù)發(fā)送期間收發(fā)器的功耗會大幅增加，通過軟件實現(xiàn)短報文發(fā)送數(shù)據(jù)，盡量使收發(fā)器長時間處于接收狀態(tài)，使發(fā)送占空比最短，可以有效降低系統(tǒng)功耗。

報文長度越長，占用總線時間越長，同時消耗功率越高。以MAX1483為例，如果以200kbit/s速率來傳送數(shù)據(jù)時，不同報文長度、不同發(fā)送頻率下，器件消耗的電流差異明顯。表2給出了不同報文長度、不同發(fā)送頻率與電流消耗之間的關(guān)系。

當(dāng)報文長度越短、發(fā)送頻率越低，器件消耗的電流越?。欢鴪笪拈L度越長、發(fā)送頻率越高，器件消耗的電流越大。

3.3 取消終端匹配電阻

終端匹配電阻可以消除因阻抗不匹配而產(chǎn)生的干擾，不過其代價是增加功耗。在短距離、低速率數(shù)據(jù)傳輸時，為降低功耗，可以采取不加終端匹配電阻的方法。如果信號的上升時間至少比信號在電纜通道單方向傳輸延遲時間長4倍，可以保證數(shù)據(jù)信號到達接收器之前反射信號消失，則可以采用不加終端電阻的方法。

4.結(jié)論

RS-485網(wǎng)絡(luò)具有抗干擾能力強、支持多節(jié)點通訊、傳輸距離長、結(jié)構(gòu)簡單等諸多優(yōu)良的特性。在發(fā)射控制系統(tǒng)的RS-485網(wǎng)絡(luò)設(shè)計上充分利用上述方法，并在硬件、軟件設(shè)計上進行分析、計算和優(yōu)化，則可以為RS-485網(wǎng)絡(luò)提供周全的保護措施，并進一步提升系統(tǒng)整體性能，建立一個可靠性高、功耗低的發(fā)射控制系統(tǒng)RS-485網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻

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[3]王麗萍，劉永強，趙富強，楊輝.電氣裝置中485電路及其可靠性設(shè)計[J].微計算機信息，2009，25（1-2）：274-276.

集成電路可靠性設(shè)計范文4

[關(guān)鍵詞]Plc設(shè)備 可靠性設(shè)計

[中圖分類號]TP273[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2010)03-0020-01

目前采用PLC集中自動控制,應(yīng)用PLC可使機電設(shè)備的生產(chǎn)效率大幅提高,同時也可為機電設(shè)備的故障診斷帶來極大的方便,PLC應(yīng)用的深度和廣度已成為一個國家工業(yè)先進水平的重要標志。

90年代,隨著工控編程語言IEC61131-3的正式頒布,PLC開始了它的第三個發(fā)展時期,在技術(shù)上取得新的突破。PLC在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上,從傳統(tǒng)的單機向多CPU和分布式及遠程控制系統(tǒng)發(fā)展;在編程語言上,圖形化和文本化語言的多樣性,創(chuàng)造了更具表達控制要求、通信能力和文字處理的編程環(huán)境;從應(yīng)用角度看,除了繼續(xù)發(fā)展機械加工自動生產(chǎn)線的控制系統(tǒng)外,更發(fā)展了以PLC為基礎(chǔ)的DCS系統(tǒng)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(SCADA)、柔性制造系統(tǒng)(FMS)、安全連鎖保護系統(tǒng)(ESD)等,全方位地提高了PLC的應(yīng)用范圍和水平。

1 PLC具體應(yīng)用

1.1 PLC系統(tǒng)設(shè)備選型

可編程邏輯控制器(PLC)多數(shù)是工作在復(fù)雜惡劣的環(huán)境中,這不僅對PLC本身,而且對現(xiàn)場檢測機構(gòu)、供電設(shè)備等設(shè)備的可靠性也提出嚴格的要求。在選擇控制設(shè)備時要注意以下幾點:要選擇技術(shù)指標先進、質(zhì)量優(yōu)、環(huán)境適應(yīng)性強和抗干擾能力強、可靠性好的機型,以保證PLC能在強干擾惡劣環(huán)境中長期可靠地運行;根據(jù)實際要求選擇具有完善的輸入、輸出功能的模塊,以使系統(tǒng)能靈活處理模擬量、數(shù)字量和開關(guān)量;具有完善的軟件系統(tǒng),以 實現(xiàn)過程檢測、執(zhí)行、控制、報警以及圖形畫面顯示打印等功能。

國內(nèi)開始研制PLC產(chǎn)品是上世紀70年代中期,當(dāng)時上海、北京、西安、廣州和長春等地的不少 科研單位、大專院校和工廠,總計20多家單位都在研制和生產(chǎn)PLC(絕大多數(shù)都是小型PLC)。特別值得一提的是國家科委和原機械工業(yè)部在儀器儀表重點課 題攻關(guān)專項中組織了“六五”、“七五”、“八五”的可編程序控制器子項攻關(guān),由部屬北京機械工業(yè)自動化研究所負責(zé),先后研制開發(fā)了MPC-10、MPC- 20、MPC-85型PLC。這幾種型號的PLCI/O點數(shù)為256～512,并可擴展到1024點,開創(chuàng)了國內(nèi)研制大型PLC的先河,先后在注塑機、恒 溫室、鍋爐控制、汽車壓力機生產(chǎn)線上獲得了應(yīng)用。

1.2 I/O端的可靠性設(shè)計

可編程邏輯控制器(PLC)內(nèi)部用光電耦合器、輸出模塊中的小型繼電器和光電可控硅等器件來實現(xiàn)對外部開關(guān)量信號的隔離,PLC的模擬量I/O模塊一般也采取了光電耦合的隔離措施。這些器件除了能減少或消除外部干擾對系統(tǒng)的影響外,還可以保護CPU模塊,使之免受從外部竄入PLC的高電壓的危害,因此一般沒有必要在PLC外部再設(shè)置干擾隔離器件。如果PLC輸入端的光電耦合器不能有效地抵抗干擾,可以用小型繼電器來隔離易受干擾的用長線引入PLC輸入端的開關(guān)量信號。光電耦合器中發(fā)光二極管的工作電流僅數(shù)毫安,而小型繼電器的線圈吸合電流為數(shù)十毫安,強電干擾信號通過電磁感應(yīng)產(chǎn)生的能量一般不可能使隔離用的繼電器吸合。

繼電器輸出模塊的觸點工作電壓范圍寬,導(dǎo)通壓降小,與晶體管型和雙向可控硅型模塊相比,承受瞬時過電壓和過電流的能力較強,但是動作速度較慢。系統(tǒng)輸出量變化不是很頻繁時,一般選用繼電器型輸出模塊。PLC輸出模塊內(nèi)的小型繼電器的觸點很小,斷弧能力很差。斷開直流電路要求較大的繼電器觸點,接通同一直流電路可用較小的觸點,選擇外接的繼電器時,應(yīng)仔細分析是否用PLC來控制接通或斷開外部回路。

當(dāng)輸入端或輸出端接有感性元件時,為提高系統(tǒng)工作的可靠性,使干擾降到最低,可在兩端并聯(lián)續(xù)留二極管(DC電路)或阻容電路(AC電路),以抑制電路斷開時產(chǎn)生的電弧對PLC的影響。當(dāng)接近開關(guān)、光電開關(guān)這一類兩線式傳感器的漏電流較大時,可能會出現(xiàn)錯誤的輸入信號,可以在輸入端并聯(lián)旁路電容,以減少輸入阻抗。

2 PLC的特點

2.1 配套齊全,功能完善,適用性強

PLC發(fā)展到今天,可以用于各種規(guī)模的工業(yè)控制場合。除了邏輯處理功能以外,現(xiàn)代 PLC多具有完善的數(shù)據(jù)運算能力,可用于各種數(shù)字控制領(lǐng)域。近年來PLC的功能單元大量涌現(xiàn),使PLC滲透到了位置控制、溫度控制,CNC等各種工業(yè)控制 中。加上PLC通信能力的增強及人機界面技術(shù)的發(fā)展,使用PLC組成各種控制系統(tǒng)變得非常容易。

2.2 可靠性高,抗干擾能力強

高可靠性 是電氣控制設(shè)備的關(guān)鍵性能。PLC 由于采用現(xiàn)代大規(guī)模集成電路技術(shù),采用優(yōu)質(zhì)的電子元件與合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計,內(nèi)部電路采取光電隔離、數(shù)字濾波、故障診斷等硬件措施,具有很高的可靠性。一 些使用冗余CPU的PLC的平均無故障工作時間很長。從PLC的機外電路來說,使用PLC構(gòu)成控制系統(tǒng),和同等規(guī)模的繼電接觸器系統(tǒng)相比,電氣接線及開關(guān) 接點已減少到數(shù)百甚至數(shù)千分之一,故障也就大大降低。此外,PLC帶有硬件故障自我檢測功能,出現(xiàn)故障時可及時發(fā)出警報信息。在應(yīng)用軟件中,應(yīng)用者還可以 編入器件的故障自診斷程序,使系統(tǒng)中除PLC以外的電路及設(shè)備也獲得故障自診斷保護,使得整個系統(tǒng)具有極高的可靠性。

3 如何判斷模擬量信號的故障

PLC診斷模擬量故障的過程,實質(zhì)就是將在相應(yīng)A/D通道讀到的檢測信號的模擬量的實際值與系統(tǒng)允許的極限值相比較的過程。如果比較的結(jié)果是實際值遠離極限值,則表明機電設(shè)備對應(yīng)的受監(jiān)控部位處于正常狀態(tài),如果實際值接近或達到極限值,則為不正常狀態(tài)。判斷故障發(fā)生與否的極限值根據(jù)實際系統(tǒng)相應(yīng)的參數(shù)變化范圍確定,利用PLC的模擬量設(shè)定開關(guān)可精確設(shè)置該極限值。

當(dāng)模擬量的實際值達到模擬量設(shè)定開關(guān)的設(shè)定值,PLC還能按照一定的邏輯關(guān)系啟動開關(guān)量模塊上的輸出位,或者從PLC的通訊口主動發(fā)起通訊,從而輸出故障診斷的結(jié)果,并據(jù)此實現(xiàn)對機電設(shè)備的控制。

集成電路可靠性設(shè)計范文5

單片機系統(tǒng)的可靠性是由多種因素決定的，其中系統(tǒng)抗干擾性能是可靠性的重要指標之一。抗干擾就是針對干擾產(chǎn)生的性質(zhì)、傳播途徑、侵入的位置和侵入的形式，采取相應(yīng)的方法消除干擾源，抑制干擾傳播途徑，減弱電路或元件對噪聲干擾的敏感性，使單片機系統(tǒng)能在線正常、穩(wěn)定地運行。

一、單片機應(yīng)用系統(tǒng)的主要干擾渠道分析

所謂干擾就是疊加在有用信號上的不需要的信號，是影響路正常工作的另一種噪聲。干擾以某種電信號的形式，通過一的渠道，混入有用信號中侵入單片機系統(tǒng)，造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。在各種實際環(huán)境中，干擾總是存在的，這些干擾降低了電子系統(tǒng)準確性甚至破壞其可靠性。

1.外部環(huán)境所產(chǎn)生的干擾

(1)單片機控制系統(tǒng)是為工業(yè)控制而設(shè)計制造的，經(jīng)常工作于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。在實際的生產(chǎn)現(xiàn)場，存在著大量的電磁干擾信號，對單片機控制系統(tǒng)的正常工作造成極大的危害，甚至有可能帶來系統(tǒng)誤操作甚至失控的危險。

(2)測控通道引入的干擾。通過與系統(tǒng)連接的測控通道及與其他主機連接的相互通道引入的干擾信號也會對系統(tǒng)的正常工作造成有害影響。

2.干擾對單片機應(yīng)用系統(tǒng)的作用部位

(1)輸入系統(tǒng)。它將使模擬信號失真、數(shù)字信號出錯，單片機據(jù)這種輸入信息作出的反應(yīng)必然是錯誤的。

(2)輸出系統(tǒng)。將使各輸出信號混亂，不能正常反映系統(tǒng)的真實輸出量，從而導(dǎo)致一系列嚴重后果。

(3)CPU系統(tǒng)。CPU得到錯誤的數(shù)據(jù)信息，使運算操作數(shù)據(jù)失真導(dǎo)致結(jié)果出錯，并將這個錯誤一直傳遞下去，形成一系列錯誤。

二、應(yīng)用系統(tǒng)硬件的抗干擾措施

單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路是由如下幾個部分構(gòu)成的：信號檢測部分；信號處理及控制部分；控制信號驅(qū)動部分；系統(tǒng)交互部分；顯示部分。由此可見一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的成分是相當(dāng)復(fù)雜的，從各種類型的傳感器到名目繁多的各種繼電器接觸器、電磁閥，從類型繁多的集成電路到各種各樣的耦合器件、執(zhí)行部件、顯示器件等。抗干擾主要有以下措施：

1.抑制電源干擾采取交流穩(wěn)壓器保證供電的穩(wěn)定性，防止電源的過壓和欠壓。使用隔離變壓器濾掉高頻噪聲，低通濾波器濾掉工頻干擾。用開關(guān)電源并提供足夠的功率余量，主機部分使用單獨的穩(wěn)壓電路。

2.過壓保護電路。在輸入輸出通道上應(yīng)采用過壓保護電路，以防引入高電壓，傷害微機系統(tǒng)。過壓保護電路由限流電阻和穩(wěn)壓管組成，限流電阻選擇要適宜，太大會引起信號衰減，太小起不到保護穩(wěn)壓管的作用。穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值的選擇以略高于最高傳送信號電壓為宜，太低將對有效信號起限幅效果，使信號失真。

3.采用差動放大輸入、輸出信號。干擾信號多數(shù)是共模信號，為了抑制干擾，可利用差動放大器，雙端輸出信號。接收時，利用差動放大電路將信號轉(zhuǎn)為單端信號。這種方法對遠距離信號輸送的抗干擾很有效。

4.減少系統(tǒng)連接中各工作部件之間的干擾。利用雙絞線來解決單片機控制系統(tǒng)中信號的長線傳輸問題。雙絞線抗干擾能力強，實踐證明，雙絞線能使各個小環(huán)路的電磁感應(yīng)干擾相互抵消；由于其分布電容為幾十皮法，距離信號源近，可以起到積分作用，對電磁場有一定抑制效果。必要時輸入、輸出供電分別采用NB、NB模塊隔離，以避免各個部分相互干擾。

5.配置去藕電容。數(shù)字電路信號電平轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生很大的沖擊電流，并在傳輸線和供用電源內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的壓降，形成嚴重的干擾。為了抑制這種干擾，在電路中可適當(dāng)配置去耦電容，即去耦電路。其作用一方面提供和吸收集成電路開門瞬間的充放電能量，另一方面濾掉集成電路的高頻噪聲。主要在集成電路的電源端與地線端加接電容，電路布線的時候去耦電容盡量靠近集成電路的電源輸入端，對于微機控制系統(tǒng)，去耦電容值一般取0.01～0.1μF，且一般應(yīng)選用高頻特性好的獨石電容或瓷片電容作去耦電容。

三、軟件的抗干擾措施

1.數(shù)據(jù)采集誤差的軟件抗干擾的措施

由于數(shù)據(jù)采集時干抗性質(zhì)、后果的不同，采用的方法也不盡一致。在最常用的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，為了消除傳感器通道中的干擾信號，我們最常用數(shù)字濾波方，可濾掉大部分由輸入信號干擾而引起的輸出控制錯誤。最常用的方法有算術(shù)平均值法、比較舍取法、中值法、一階遞推數(shù)字濾波法等。

（1）算術(shù)平均值法。算術(shù)平均值濾波法就是對一點的數(shù)據(jù)連續(xù)采樣多次，計算其平均值，以平均值作為該點的采樣結(jié)果。對一般流量測量，可取N=8-10；對壓力等測量可取N=3-4。

（2）比較取舍法。比較取舍法是對每個采樣點連續(xù)采樣幾次，根據(jù)所采數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，確定取舍辦法。當(dāng)控制系統(tǒng)測量的個別數(shù)據(jù)存在偏差時，為了剔除個別錯誤數(shù)據(jù)，可采用比較舍取法。

（3）中值法。對采樣點連續(xù)采集多個信號取中值作為采樣結(jié)果。

具體選取何種方法，必須根據(jù)信號的變化規(guī)律選擇。對開關(guān)量采用多次采集的辦法來消除開關(guān)的抖動。

2.程序失常時軟件抗干擾的對策

（1）軟件冗余。CPU取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)。當(dāng)單片機受干擾出現(xiàn)錯誤時，程序便脫離正常軌道“亂飛”。當(dāng)亂飛到某雙字節(jié)指令，若取指令時刻落在操作數(shù)上，誤將操作數(shù)當(dāng)作操作碼，程序?qū)⒊鲥e；若“飛”到了三字節(jié)指令，出錯機率更大。因此，在關(guān)鍵地方人為地插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫，便稱為“指令冗余”。通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的空操作指令NOP，這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上，由于NOP的存在，可避免后面的指令被當(dāng)作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌。此外，對系統(tǒng)流向起重要作用的指令如RET、RET I、LCALL、LJM P、JC等指令之前插入兩條NOP，也可將亂飛程序納入正軌，確保這些重要指令的執(zhí)行。

（2）建立軟件陷阱。所謂“軟件陷阱”，就是在程序中加入的一組用于攔截彈飛程序的程序段。它強行將程序轉(zhuǎn)向一個特定的地址，該地址放有出錯處理程序。如果將出錯處理程序的入口標號命名為“ERR”的話，通常軟件陷阱由以下三句話組成：NOP，NOP，LJMP ERR。一旦彈飛的程序被攔截，立刻轉(zhuǎn)向錯誤處理程序。軟件陷阱可安排在四個地方：一是未使用的中斷向量區(qū)。干擾可使未使用的中斷開放并激活中斷，在這些地方設(shè)置軟件陷阱就能及時捕獲到錯誤中斷；二是未使用的ROM空間。在其中每隔一段設(shè)置一個陷阱可將彈飛至該區(qū)域的出錯程序捕獲；三是表格。儲存在EPROM中的表格后安排軟件陷阱可在一定程序上防止軟件彈飛；四是程序區(qū)。一般程序中不能任意安排軟件陷阱，但是在正常程序中會有一些跳轉(zhuǎn)指令，在這些指令后使用軟件陷阱可捕獲到彈飛到跳轉(zhuǎn)指令的操作數(shù)上的出錯程序。

（3）設(shè)立自檢程序。在單片機的特定部位或某些內(nèi)存單元設(shè)狀態(tài)標志，在開機后的程序運行中不斷循環(huán)測試，以保證系統(tǒng)信息存儲、傳輸、運算的高可靠性。

（4）采用“看門狗”（watchdog）技術(shù)。WATCHDOG即程序監(jiān)視跟蹤定時器，它實質(zhì)上是一個可由CPU復(fù)位的定時器。它的工作原理如同圖1所示的兩個計時周期不同的定時器T1和T2。T1和T2是兩個時鐘源相同的定時器，設(shè)T1=1.0s，T2=1.1s，而用T1定時器的溢出脈沖P1同時對T1和T2定時器清零，只要T1定時器工作正常，則定時器T2永遠不可能計時溢出。當(dāng)T1定時器不再計時，定時器T2則會計時溢出，并產(chǎn)生溢出脈沖P2。旦產(chǎn)生溢出脈沖P2，則表明T1出了故障。這里的T2即是WATCHDOG。利用溢出脈沖P2并進行巧妙的程序設(shè)計，可以檢測系統(tǒng)的出錯，而后使“飛掉”的程序重新恢復(fù)運行。

集成電路可靠性設(shè)計范文6

關(guān)鍵詞：ESD；襯底觸發(fā)；柵耦合；TLP

中圖分類號：TN47 文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）02-0115-04

隨著CMOS工藝技術(shù)的發(fā)展進入到深亞微米階段，片上ESD防護設(shè)計已成為集成IC可靠性設(shè)計的關(guān)鍵.一般民用HBM耐壓標準為2 kV，測試電壓抬升率為2 kV/10 ns.軍用HBM耐壓標準參照美軍軍標MIL-STD-883Gmethod 3015.7，HBM耐壓標準為4 kV以上，測試電壓抬升率4 kV/10 ns.[1]深亞微米工藝下器件耐壓能力的降低，向設(shè)計高ESD防護能力器件提出了挑戰(zhàn).本文旨在設(shè)計一種觸發(fā)電壓低于10 V，HBM耐壓達到軍用標準的MOS ESD防護器件.

GGMOS防護器件由于和COMS工藝兼容，設(shè)計簡單，可移植性強，已成為目前通用集成電路中最常用的ESD防護器件.隨著集成電路工藝技術(shù)不斷發(fā)展，器件特征尺寸不斷縮小，金屬氧化物半導(dǎo)體的柵氧厚度越來越薄，晶體管耐壓能力降低，對片上ESD防護結(jié)構(gòu)也提出了更低觸發(fā)電壓的要求.典型GCMOS單元采用柵耦合電容技術(shù)可降低典型GGMOS觸發(fā)電壓，提高泄放能力.但隨著柵耦合電壓的提高，典型MOS防護器件的耐壓能力降低[2]，因此，同時達到高耐壓等級與低觸發(fā)電壓成為典型MOS ESD防護結(jié)構(gòu)設(shè)計中一大難題.文獻[3-4]研究表明，對GGMOS結(jié)構(gòu)襯底端進行電流注入能在降低其觸發(fā)電壓的同時提高其二次擊穿電流It.本文所設(shè)計結(jié)構(gòu)在此基礎(chǔ)上，同時利用柵耦合電容技術(shù)，設(shè)計柵電壓控制模塊，減小柵電壓對MOS管耐壓能力的影響，在降低了GGMOS結(jié)構(gòu)觸發(fā)電壓的同時，保證了該結(jié)構(gòu)的高耐壓能力，完成了一種改進型片上低觸發(fā)電壓高耐壓NMOS ESD防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計.

1低觸發(fā)、高耐壓NMOS ESD防護結(jié)構(gòu)原

理分析

1.1結(jié)構(gòu)分析

圖1為柯明道教授等人利用襯底觸發(fā)技術(shù)于2003年提出的ESD泄放結(jié)構(gòu)“襯底觸發(fā)GGMOS”剖面圖[3].采用對MOS晶體管回滯擊穿的泄放機制，泄放電流主要為體電流i1與i2.[5-6]

該結(jié)構(gòu)利用電容耦合ESD電壓信號抬升主泄放管MN2/MN3襯底電位，對襯底注入電流i0與i3，同時MN2/MN3柵極接地，使其在正常工作時關(guān)閉，防止漏電.研究發(fā)現(xiàn)，隨著注入電流的增加，二次擊穿電流It也得到相應(yīng)提升.[4]

該結(jié)構(gòu)主要泄放機制仍然為擊穿主泄放管MN2/MN3漏極與襯底間PN結(jié)，因而典型工藝下觸發(fā)電壓較高，且通過襯底的泄放能力有限.為了取得更低觸發(fā)電壓、更高泄放能力的MOS泄放結(jié)構(gòu)，本文在此結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將原本接地的主泄放管柵端接入R0與C0構(gòu)成的觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)，利用電容耦合抬升主泄放管柵極電位[7]，使其在高壓下處于微導(dǎo)通狀態(tài).圖2為本文改進型結(jié)構(gòu)的剖面示意圖.改進主要集中在A和B兩處，將泄放管MN3與MN2的柵極接入觸發(fā)電路，并在觸發(fā)電路中增加鉗位管mn0，限制柵極電位上升的幅度.

主泄放管MN2/MN3的微導(dǎo)通，使泄放能力更強的溝道也成為ESD能量的泄放通道，增加了溝道泄放電流i4與i5，從而增強該結(jié)構(gòu)的泄放能力.同時，由于處于微導(dǎo)通狀態(tài)的MOS管具有更低的擊穿電壓，從而使抬升柵電位后的結(jié)構(gòu)具有更低的觸發(fā)電壓[8].但是，主泄放管柵電位的抬升，也增加了端口正常工作時的漏電.同時，主泄放管的柵電位的過度爬升會降低主泄放管二次擊穿點電流從而降低其耐壓能力[3].為了盡量減小漏電，保證泄放管的耐壓能力，需要合理設(shè)計柵端電位的抬升量，使正常工作信號輸入時，柵電位抬升較小，減小漏電； 而在ESD信號輸入時，柵電位抬升較大，使主泄放管導(dǎo)通.同時需加入鉗位機制限制柵端電位的上升，結(jié)合抬升襯底電位可提高MOS管二次擊穿電流It這一特征[4].可適當(dāng)增加注入襯底的電流量來抵消抬升柵電位對主泄放管耐壓能力的影響，最終使得該結(jié)構(gòu)在達到較低觸發(fā)電壓的同時，還能保持較高的耐壓能力.

1.2主要電路設(shè)計

電位抬升單元是本文電路設(shè)計的重點，忽略MN0/MN1管與主泄放管MN2/MN3寄生，該電位抬升電路如圖3（a）所示為一階高通電路.

3結(jié)論

本文采用柵耦合技術(shù)，使所提出的ESD結(jié)構(gòu)在CSMC HJ018工藝典型擊穿值10 V之前即觸發(fā).同時，利用抬升襯底電位可提升二次擊穿電流It這一特點，成功彌補了柵耦合MOS ESD泄放結(jié)構(gòu)二次擊穿點低的缺點，在降低ESD泄放結(jié)構(gòu)觸發(fā)電壓的同時保持較高二次擊穿電流，在CSMC HJ018工藝下完成了一款觸發(fā)電壓低于10 V，HBM防護等級達到4 kV軍用級別的NMOS ESD防護結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了柵耦合技術(shù)在MOS ESD泄放結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用.

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