CN102255301A

CN102255301A - 一种改进片外esd保护电路射频性能的连接结构

Info

Publication number: CN102255301A
Application number: CN2011100075786A
Authority: CN
Inventors: 高怀; 杨涛; 张晓东; 王钟; 王寅生
Original assignee: SUZHOU YINGNUOXUN TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SUZHOU YINGNUOXUN TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2011-11-23

Abstract

本发明公开了一种改进片外 ESD 保护电路射频性能的连接结构，包括片外 ESD 保护电路和键合线，所述键合线包括第一键合线和第二键合线，所述第一键合线和第二键合线头尾相接串联在信号传输线中，将信号传输线分隔成第一传输线和第二传输线两段，所述片外 ESD 保护电路的输入端口连接在第一键合线和第二键合线的连接点上。本发明能够在不改变 ESD 保护电路本身寄生参数、不降低 ESD 保护电路抗静电能力的前提下，消除现有的 ESD 保护解决方案所导致的波陷问题，提高 ESD 保护电路箝位电压的稳定性，改善 ESD 保护电路对系统阻抗匹配的影响，拓展片外 ESD 保护电路的应用频率范围。

Description

一种改进片外ESD保护电路射频性能的连接结构

技术领域

本发明涉及用于射频领域的片外ESD保护电路。

背景技术

静电荷在自然界中时刻都存在，当两个具有不同静电电位的物体互相靠近或者直接接触时，两个物体之间会发生静电荷的转移，形成电流，这个过程就是静电放电（ESD，Electro-Static discharge）过程。ESD持续时间很短，典型数量级从10ns到100ns；放电电流大，变化范围从1安培到几十安培。在集成电路（IC）的整个生命周期中，从制造、封装、运输、装配甚至在完成的IC产品中，都时刻面临着静电放电的冲击，ESD是所有IC失效中最为普遍的因素，若不采取措施，ESD将对集成电路或者电子产品造成难以估量的损坏。

减轻由于ESD引起的IC失效通常有两种方法：一是在IC产品的制造、生产、运输、测试、使用等任何作业过程中，确保正确的操作和接地，也就是说从源头上防止ESD事件的发生；另一种方法是在IC的电源端口、信号输入输出端口附近增加保护电路，当IC遭受ESD冲击时，能够把ESD大电流旁路，使其不经过核心电路，并将电压钳位在较低的水平。由于ESD事件的产生多是人为因素：ESD管理不规范、工作人员操作的不确定性或者用户使用的不确定性等，很难做到从源头上避免ESD所造成的破坏，因此在IC的电源端口、信号输入输出端口端附近增加有效的ESD保护电路尤为重要。

保护电路的工作原理是：当ESD事件来临时，ESD保护电路能够及时开启，泄放ESD大电流，并且将电压钳位在较低的水平，从而避免核心电路受到大电流或者高电压的影响而失效；当核心电路正常工作时，ESD保护电路关闭，ESD保护电路的寄生参数在核心电路正常工作时保持透明，不影响核心电路的性能。因此需要从抗静电能力和ESD保护电路射频性能两个方面衡量ESD保护电路的性能优劣。ESD保护电路可以用一电容（C _ESD ）来等效，一般为几pF，甚至只有零点几pF，当ESD保护电路应用于较低频率时，ESD保护电路关闭时相当于开路，不会对核心电路的性能产生影响。然而，当ESD保护电路应用于射频（RF）甚至更高频率时，其寄生参数已经明显影响到RF电路的性能，如果不考虑ESD保护电路导致的寄生效应，则会破坏RF电路的阻抗匹配，导致RFIC性能包括增益、反射系数、线性度、功率、以及噪声系数严重恶化。因此，在设计RF-ESD保护电路时，首先需要确保ESD保护电路具有良好的射频性能。

现有的射频系统输入、输出端口ESD保护的解决方案是：在端口附近的50Ω传输线上直接加载ESD保护电路，如图1所示。这种解决方案具有操作简单、易于实现的特点。但是由于芯片本身寄生参数与封装键合线（bonding wire）的寄生电感串联连接在一起，等效为一串联谐振回路并联在信号传输通路上，串联谐振回路会在某一频率谐振，此时回路阻抗最小，一部分信号会直接通过ESD保护电路传输到地，致使信号产生波陷。如果射频系统的工作带宽包括ESD保护电路的谐振频率时，会严重影响电路的阻抗匹配，降低电路的输出功率、增益、效率等射频性能。此外，由于键合线串联在ESD保护电路支路上，当ESD电流通过ESD保护电路之路泄放到地时，键合线的寄生电感阻抗会导致ESD保护电路支路箝位电压不稳定。

发明内容

本发明目的是：针对现有的应用于射频系统的片外ESD保护电路的不足，提出了一种利用键合线改进片外ESD保护电路射频性能的连接结构，能够在不改变ESD保护电路本身寄生参数、不降低ESD保护电路抗静电能力的前提下，消除现有的ESD保护解决方案所导致的波陷问题，提高ESD保护电路箝位电压的稳定性，改善ESD保护电路对系统阻抗匹配的影响，拓展片外ESD保护电路的应用频率范围。

本发明的技术方案是：一种改进片外ESD保护电路射频性能的连接结构，包括片外ESD保护电路和键合线，所述键合线包括第一键合线和第二键合线，所述第一键合线和第二键合线头尾相接串联在信号传输线中，将信号传输线分隔成第一传输线和第二传输线两段，所述片外ESD保护电路的输入端口连接在第一键合线和第二键合线的连接点上。

进一步的，所述的一种改进片外ESD保护电路射频性能的连接结构，所述片外ESD保护电路是二极管串结构的ESD保护电路，或达林顿结构的ESD保护电路，或是分布式ESD保护电路。

进一步的，所述的一种改进片外ESD保护电路射频性能的连接结构中，所述键合线是金属键合线。优选的，采用金键合线。

本发明的优点是：能够在不改变ESD保护电路本身寄生参数、不降低ESD保护电路抗静电能力的前提下，能够提高ESD保护电路的射频性能，消除了现有的ESD保护解决方案所导致的波陷问题；拓展了片外ESD保护电路的应用频率范围；能够提高ESD保护电路箝位电压的稳定性；能够使片外ESD保护电路在所需要的频点上从两个端口看进去都具有50Ω的阻抗，与50Ω射频系统完美匹配，并且在该频点附近的频带内与50Ω射频系统也具有较好的阻抗匹配度。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为现有技术的普通ESD保护电路的连接结构示意图；

图2为本发明的片外ESD保护电路的连接结构示意图；

图3为本发明的片外ESD保护电路的连接结构的等效电路原理图；

图4为本发明的片外ESD保护电路的连接结构的阻抗匹配特性图；

图5为采用本发明的片外ESD保护电路的连接结构下信号衰减特性与现有技术的ESD保护电路的连接结构下信号衰减特性对比图；

图6为采用本发明的片外ESD保护电路的连接结构下信号反射损耗特性与现有技术的ESD保护电路的连接结构下信号反射损耗特性对比图。

其中：1 片外ESD保护电路；2 第一键合线；3 第二键合线；4 第一传输线；5 第二传输线。

具体实施方式

实施例：系统的任何一端口都需要ESD保护电路，以防止静电破坏，主要有电源端口、信号输入端口、信号输出端口。其中电源端口不涉及信号的传输，对ESD保护电路的要求较低，仅仅需要考虑ESD保护电路的抗静电能力。信号输入端口和信号输出端口为信号传输通路的起始端和末尾端，因此不仅要求片外ESD保护电路具有高的抗静电能力，还要求其具有良好的射频性能。

如图2所示，以输入端口处ESD保护电路的工作过程作为实施例，射频系统默认为50Ω系统。片外ESD保护电路改进的连接结构为：第一键合线2（bonding wire）和第二键合线3头尾相连地串联在50Ω的信号传输线中，片外ESD保护电路1的一端接地，输入端口（即片外ESD保护电路唯一的输入焊盘）连接在两根键合线的连接点上，使片外ESD保护电路并联在信号传输线和地之间，片外ESD保护电路1的输入端口通过第一键合线2和第一传输线4相连，通过第二键合线3和第二传输线5相连。由于该连接结构并没有改变片外ESD保护电路本身的结构和特性，且键合线具有很高的耐压值和电流承载能力，所以本片外ESD保护电路的连接结构并不会降低ESD保护电路的抗静电能力。

本片外ESD保护电路改进的连接结构的等效电路原理图如图3所示。其中L _B 为键合线的寄生电感、C _ESD 为片外ESD保护电路的寄生电容。本连接将键合线所产生的寄生电感转移至信号的传输通路上，消除了片外ESD保护电路支路上的寄生电感，因此消除了现有ESD保护解决方案所导致的波陷。

由于所述的连接结构消除了ESD保护电路支路上的键合线寄生电感阻抗，因此解决了键合线寄生电感阻抗导致ESD保护电路支路箝位电压不稳定的缺陷，提高了ESD保护电路箝位电压的稳定性。

该片外ESD保护电路的连接结构可以等效为三阶匹配网络结构，通过合理设计键合线的物理参量，可使所述片外ESD保护电路在所需要的频点上从输入端口、输出端口两个端口看进去都具有50Ω的阻抗，与50Ω射频系统完美匹配，并且在该频点附近的频带内与50Ω射频系统也具有较好的阻抗匹配度。图4为所需频点上的阻抗匹配特性图，50Ω阻抗经过串联键合线后，阻抗变化趋势如图中的曲线1所示；经过并联ESD保护电路后，阻抗变化趋势如图中的曲线2所示；再经过串联键合线后，阻抗变化趋势如图中的曲线3所示，通过调整键合线物理参量，阻抗最后又变换为50Ω。因此该片外ESD保护电路结构能够与50Ω射频系统完美匹配。相对于现有技术的片外ESD保护电路连接结构，该连接结构降低了信号通过时的损耗和衰减，改善了ESD保护电路的阻抗匹配度，拓展了片外ESD保护电路的应用频率范围。

该片外ESD保护电路连接结构亦等效为三阶低通滤波结构。三阶低通滤波结构相对于串联谐振结构具有更高的截至频率。采用本发明的片外ESD保护电路的连接结构下信号衰减特性与现有技术的ESD保护电路的连接结构下信号衰减特性对比图如图5所示，采用本发明的片外ESD保护电路的连接结构下信号反射损耗特性与现有技术的ESD保护电路的连接结构下信号反射损耗特性对比图如图6所示，其中曲线m1是现有技术的ESD保护电路的连接结构下的信号特性曲线，m2为本发明的片外ESD保护电路的连接结构下的信号特性曲线。观察对比可知，相对于采用现有技术的ESD保护电路的连接结构对信号传输的影响，采用本发明的片外ESD保护电路的连接结构可以使信号经由片外ESD保护电路结构时，信号的衰减明显减小，信号的反射损耗明显降低。因此，利用键合线改善片外ESD保护电路射频性能的连接结构能够在不影响抗静电能力的前提下提高ESD保护电路的射频性能，拓展ESD保护电路的应用频率范围，确保ESD保护电路在宽频带内不影响信号的传输。

所述片外ESD保护电路可以是二极管串结构ESD保护电路，也可采用达林顿结构ESD保护电路；可以是单独一个ESD保护电路，也可以是分布式ESD保护电路，即多级ESD保护电路。

所述键合线一般为金键合线，也可选择其他金属键合线。键合线的电感参数主要有键合线介电常数、两端点距离、键合线拱高等参数确定，可以采用并联键合线等方法降低键合线的等效电感。

当信号输入端口遭受ESD事件时，由ESD事件产生的高电压和大电流通过传输线和键合线迅速传输到ESD保护电路的输入焊盘处，当输入焊盘处电压达到ESD保护电路的开启电压时，ESD保护电路开启工作，ESD保护电路将电压箝位到一定数值，并泄放由ESD事件产生的大电流，这样就避免了系统遭受ESD事件所产生的破坏。ESD保护电路的开启电压、箝位电压、泄流能力可以通过合理设计来调节。

当系统正常工作、没有ESD事件产生时，信号从50Ω输入端口进入，沿传输线信号通路传输，经过片外ESD保护电路中的键合线到达50Ω射频系统。根据匹配网络以及滤波器的知识可知，所述该片外ESD保护电路连接结构等效为三阶低通滤波结构，亦为三阶T型匹配网络结构。三阶低通滤波结构相对于串联谐振结构具有更高的截至频率；通过合理设计键合线的物理参量，三阶T型匹配网络结构可以使片外ESD保护电路在所需要的频点上从两个端口看进去都具有50Ω的阻抗（如图3中的端口阻抗Z ₁ 和Z ₂ ），与50Ω射频系统完美匹配，并且在该频点附近的频带内与50Ω射频系统也具有较好的阻抗匹配度。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及说明书内容所作的简单的变换，皆应仍属于本发明覆盖的保护范围。

Claims

1.一种改进片外ESD保护电路射频性能的连接结构，包括片外ESD保护电路（1）和键合线，其特征在于：所述键合线包括第一键合线（2）和第二键合线（3），所述第一键合线（2）和第二键合线（3）头尾相接串联在信号传输线中，将信号传输线分隔成第一传输线（4）和第二传输线（5）两段，所述片外ESD保护电路（1）的输入端口连接在第一键合线（2）和第二键合线（3）的连接点上。

2.根据权利要求1中所述的一种改进片外ESD保护电路射频性能的连接结构，其特征在于：所述片外ESD保护电路（1）是二极管串结构的ESD保护电路，或达林顿结构的ESD保护电路，或是分布式ESD保护电路。

3.根据权利要求1中所述的一种改进片外ESD保护电路射频性能的连接结构，其特征在于：所述键合线是金属键合线。

4.根据权利要求3中所述的一种改进片外ESD保护电路射频性能的连接结构，其特征在于：所述键合线是金键合线。