CN107918680A - 一种基于指纹传感器的esd防护结构及其建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于指纹传感器的ESD防护结构及其建模方法，根据指纹传感器芯片的大小，按比例建立Ansoft Maxwell ESD防护模型，利用DC Conduction求解器和Electric Transient求解器完成求解。完善模型之后根据工艺库文件赋予相应元件材料属性，并加上边界条件以及激励源，根据需要制定求解参数，然后设定求解规范并剖分网格，系统自适应求解，最后将求解结果通过后处理器显示出来，或者通过场计算器将不能直接得到图形的数据提取出来。本发明具有金凸块结构的ESD防护模型结构，含有金网和铝网两层金属网，能顺利泄放掉ESD效应时的电流。
Description
技术领域
本发明属于一种ESD防护技术领域，特别涉及一种基于指纹传感器的ESD防护结构及其建模方法。
背景技术
随着电子自动化设计的高速发展，指纹识别越来越多的运用到人们的生活中。与此同时，对指纹传感器的要求越来越高。一个好的指纹传感器不仅要解决采集到的图像质量问题，而且也应该解决传感器可靠性问题。因此，对传感器的ESD防护的研究尤为重要。
ESD现象是指：当电子电器产品接触到可以转移电荷的物体时静电放电，对其内部电路产生影响，造成电子电器产品运行不稳定，甚至损坏。如人体接触天线或者电子电器产品的外部连接部分时，就可能发生ESD现象。
为了保护内部电路，使其免于遭受ESD现象，对电子电路会设置ESD保护防护。ESD防护结构可分为电路防护结构和独立的ESD防护结构。选择合适的ESD保护器件，最大的难点在于如何最容易地明确哪种器件可以提供最大的保护。ESD保护器件的功能是将大部分电流短路到地并将ASIC端的电压箝位到低于脉冲电压的值来实现的。
目前市面上已经存在多种ESD保护器件，属于电路防护结构。最常用的可分为三大类：聚合体、压敏电阻/抑制器和二极管。聚合体器件要求端电压达到触发电压时才击穿，而这个触发电压比箝位电压高出许多，一旦击穿后返回高阻态的过程花费时间过长。压敏电阻和抑制器是非线性的可变电阻，具有高触发电压、高箝位电压和高阻抗特性，从而使得大多数能量会到达受保护的器件，而不是分流到地。ESD保护二极管被表征为低箝位电压、低阻抗、快速导通时间和更好的可靠性。虽然低成本二极管的箝位电压低，但其高频容量和漏电流无法满足不断增长的应用需求。
发明内容
对于指纹传感器芯片，当手指干燥时产生的巨大电压无疑会给芯片带来毁灭的伤害，为了使指纹传感器能在与人体上万次的接触中保持自身的稳定性，本专利提供一种基于指纹传感器的ESD防护结构及其建模方法，以期在发生ESD现象时，降低ESD击穿电流，增大芯片的静电泄放能力
本专利的基本思路是：根据指纹传感器芯片的大小，按比例建立Ansoft MaxwellESD防护模型，利用DC Conduction求解器和Electric Transient求解器完成求解。完善模型之后根据工艺库文件赋予相应元件材料属性，并加上边界条件以及激励源，激励的添加依据为静电防护标准IEC61000-4-2 air discharge level 4，根据需要制定求解参数，然后设定求解规范并剖分网格，系统自适应求解，最后将求解结果通过后处理器显示出来，或者通过场计算器将不能直接得到图形的数据提取出来。
本发明是根据实际芯片的结构要求，在传感器阵列基础上再加上ESD防护结构。如图1所示，本专利实施例的芯片布局的框架包括：传感器矩阵sensor array、电路部分和通信接口Pad；所述电路部分包括：数字电路Digital circuist、模拟电路Analog circuit、电源Supply、控制器controller、地网gnd ring；所述传感器矩阵sensor array由传感器sensor构成，传感器矩阵sensor array区域位于芯片中间位置，周围是电路部分。
本专利提出一种基于指纹传感器的ESD防护结构，包括：具有GND WALL结构的ESD防护模型和具有金凸块结构的ESD防护模型。
进一步地，所述具有GND WALL结构的ESD防护模型结构，包括：传感器矩阵sensorarray、地网gnd ring和地环GND WALL。所述具有GND WALL结构的ESD防护模型结构的传感器矩阵sensor array由传感器构成；所述地网gnd ring包围传感器，并连接地环GND WALL。所述地环GND WALL和地网gnd ring由顶层金属铝构成，作为ESD泄放通路。
进一步地，所述具有金凸块结构的ESD防护模型结构，包括：传感器矩阵sensorarray、地网gnd ring、地环GND WALL、金网和金凸块。所述具有金凸块结构的ESD防护模型结构的传感器矩阵sensor array、地网gnd ring和地环GND WALL在同一层上，金网和金凸块在另一层；所述地网gnd ring和地环GND WALL由顶层金属铝构成，顶层金属上有钝化层，钝化层上为金网和金凸块所在层；所述具有金凸块结构的ESD防护模型结构，除了电路的通信接口、传感器矩阵sensor array和包围传感器的部分地网gnd ring外，其余部分均被金凸块覆盖；包围传感器的部分地网被金网覆盖。所述金网与金凸块相连；金网和金凸块材料为金；金凸块、金网、地网gnd ring与地环GND WALL共同构成了ESD电流泄放通路。
考虑到Ansoft Maxwell仿真软件有尺寸约束，本发明将根据芯片的实际尺寸按比例建立Ansoft Maxwell独立ESD防护模型。本专利提出一种基于指纹传感器的ESD防护结构的建模方法，包括：
步骤1、按照芯片布局的实际尺寸，按比例建立具有GND WALL结构的ESD防护模型；
步骤2、根据芯片的实际尺寸以及工艺库文件所得到的层间距与层之间的关系按比例建立Ansoft Maxwell ESD防护模型，进行计算仿真分析；
所述仿真分析的具体流程为：
S21、选择求解器，利用DC Conduction求解器和Electric Transient求解器完成求解；
S22、创建ESD模型并设置相应元件材料属性；
S23、设置边界条件与激励源；
S24、根据需要制定求解参数，然后设定求解规格并剖分网格；
S25、系统自适应求解；
所述系统自适应求解的过程为：
A251、设置自适应计算参数；
A252、检查并验证模型是否合理，修改相应错误；
A253、进行计算并求解；
A254、判断计算结果是否合理，如不合理，进一步手动细化网格，然后返回步骤A253。
S26、提取数据，绘制场图。最后将求解结果通过后处理器显示出来，或者通过场计算器将不能直接得到图形的数据提取出来。
步骤3、在具有GND WALL结构的ESD防护模型对应的芯片结构中增加金凸块以增强芯片的电流泄放能力，建立具有金凸块结构的ESD防护模型；
步骤4、返回步骤2进行建模仿真。添加的激励大小与位置与具有GND WALL结构的ESD防护模型保持一致。
进一步地，所述激励源添加激励的依据为静电防护标准IEC61000-4-2 airdischarge level 4。
本专利采用一种基于指纹传感器的ESD防护结构，该结构能极大地提高芯片ESD防护能力。其原因：一是由于独立ESD结构的存在，在人体放电模式HBM模型中，人体与芯片接触的部分为ESD防护结构，不与芯片的电路部分接触，因此ESD得击穿对电路结构影响不大；二是独立的ESD防护结构与整个芯片封装大小相近，极大地提高ESD电流泄放能力。
本专利的提供一种基于指纹传感器的ESD防护结构的建模方法，该方法基于Ansoft Maxwell进行建模仿真，能得到芯片发生ESD现象时，ESD防护结构上的电流密度的大小。
附图说明
图1是本发明实施例的芯片布局图；
图2是本发明实施例的具有GND WALL结构的ESD防护模型图；
图3是本发明实施例的仿真分析的具体流程图；
图4是IEC61000-4-2激励标准；
图5是IEC61000-4-2激励波形图；
图6是本发明实施例的具有GND WALL结构的ESD防护模型地网gnd ring的电流密度分布图；
图7是本发明实施例的具有金凸块结构的ESD防护模型；
图8是本发明实施例的具有金凸块结构的ESD防护模型地网gnd ring的电流密度分布图；
图9是本发明实施例的具有金凸块结构的ESD防护模型金网的电流密度分布图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实例，并参照附图，对本发明作进一步详细说明。
本发明是根据实际芯片的结构要求，在传感器阵列基础上再加上ESD防护结构。考虑到Ansoft Maxwell仿真软件有尺寸约束，本发明将根据芯片的实际尺寸按比例建立Ansoft Maxwell独立ESD防护模型。
本专利提出一种基于指纹传感器的ESD防护结构及其建模方法：
步骤1：按照芯片布局的实际尺寸，按比例建立具有GND WALL结构的ESD防护模型。如图1所示，本发明优选实施例的芯片布局的框架包括：传感器矩阵sensor array 10、电路部分和通信接口Pad 20。其中电路部分包括：数字电路Digital circuist 30、模拟电路Analog circuit 40、电源Supply 50、控制器controller 60、地网gnd ring 70等。其中传感器矩阵sensor array 10由传感器sensor 11构成，传感器矩阵sensor array 10区域位于芯片中间位置，周围是电路部分。
本发明提出一种具有GND WALL结构的ESD防护模型结构，包括：传感器矩阵sensorarray 10、地网gnd ring 70和地环GND WALL 80。所述传感器矩阵sensor array 10由传感器11构成；所述地网gnd ring包围传感器，并连接地环GND WALL。本实施例中，建立的传感器矩阵sensor array 10为22*4的矩阵，如图2中深色区域所示。每个传感器大小为50um*50um，相邻传感器之间的距离为5um，在此间增加宽度为3um的铝网，即在整体上形成一个包围传感器的地网gnd ring 70，延伸出去与地环GND WALL 80相连接，如图2所示。根据芯片选择的工艺库文件，GND WALL 80和gnd ring 70由顶层金属铝构成，作为ESD泄放通路。芯片走线时，GND WALL最大宽度为30um。
步骤2：根据芯片的实际尺寸以及工艺库文件所得到的层间距与层之间的关系按比例建立Ansoft Maxwell ESD防护模型，进行计算仿真分析。
如图3所示，仿真分析的具体流程为：
步骤21、选择求解器，利用DC Conduction求解器和Electric Transient求解器完成求解。
步骤22、创建ESD模型并设置相应元件材料属性。
步骤23、设置边界条件与激励源。
步骤24、根据需要制定求解参数，然后设定求解规格并剖分网格。
步骤25、系统自适应求解。所述系统自适应求解的过程为：
步骤251、设置自适应计算参数；
步骤252、检查并验证模型是否合理，修改相应错误；
步骤253、进行计算并求解；
步骤254、判断计算结果是否合理，如不合理，进一步手动细化网格，然后返回步骤253。
步骤26、提取数据，绘制场图。最后将求解结果通过后处理器显示出来，或者通过场计算器将不能直接得到图形的数据提取出来。
IEC61000-4-2静电防护标准中激励分为接触放电contact discharge和对空气放电air discharge。电极直接接触测试设备或耦合电极板的方式为接触放电，电极以一定速度向测试设备接触并最终与之接触的方式成为空气放电。由于实际操作时人体手指接触芯片的动作接近空气放电，因此在选择激励标准时选择空气放电。激励的添加依据为静电防护标准IEC61000-4-2 air discharge level 4，如图4所示；IEC61000-4-2激励标准的激励波形图如图5所示，曲线方程式如下：
其中，I(t)为放电电流，t为放电时间，参数参数在本实施例中，设置τ1＝1.1ns，τ2＝2ns，τ3＝12ns，τ4＝37ns，I1＝16.6A，I2＝9.3A，n＝1.8。
按照上述条件在模型中添加激励时，激励添加在GND WALL 80任一位置。在本实施例的设定条件下，在时间t＝0.8ns，即电流达到最大值11.77A时，仿真结果图6显示模型中电流密度最大处为900mA/μm2。根据工艺文件中提供的金属过流能力参数，30um宽的金属铝只能通过30mA/μm2的电流，因此GND WALL 80无法顺利通过900mA电流。说明，具有GND WALL结构的ESD防护模型并不能满足ESD防护的要求，需要对具有GND WALL结构的ESD防护模型进行优化。
步骤3：在具有GND WALL结构的ESD防护模型对应的芯片结构中增加金凸块以增强芯片的电流泄放能力，建立具有金凸块结构的ESD防护模型，如图7所示。该模型结构与具有GND WALL结构的ESD防护模型结构相似，该模型结构包括：传感器矩阵sensor array 10、地网gnd ring、地环GND WALL、金网90和金凸块100。
所述传感器矩阵sensor array 10、地网gnd ring和地环GND WALL在同一层上，金网90和金凸块100在另一层。地网gnd ring分为两部分，其中部分地网为包围传感器的铝网，剩余部分地网为传感器矩阵sensor array与地环GND WALL之间的铝网。地网gnd ring和地环GND WALL由顶层金属铝构成，顶层金属上有钝化层，钝化层上为金网90和金凸块100所在层。除了电路的通信接口Pad、传感器矩阵sensor array 10和包围传感器的部分地网gnd ring外，具有金凸块结构的ESD防护模型结构的其余部分均被金凸块100覆盖。包围传感器11的部分地网被金网90覆盖，如图7所示。
金凸块宽度大于顶层金属形成的GND WALL宽度。本实施例中金凸块宽度为150um，金通孔为10um*10um，相邻通孔间距为10um。金网和金凸块材料为金，金凸块100通过金通孔穿透钝化层，与顶层金属铝相连。与gnd ring相对应，在金凸块层添加宽度为3um的金网，金网矩阵同样为22*4的矩阵，延伸出去与金凸块层相连。金凸块100、金网90、地网gnd ring与地环GND WALL共同构成了ESD电流泄放通路。
步骤4：返回步骤2进行建模仿真。添加的激励大小与位置与具有GND WALL结构的ESD防护模型保持一致。
由图8、图9可知，在本实施例中，具有金凸块结构的ESD防护模型中地网gnd ring的最大电流为3.15mA/μm2，金网的最大电流为49.88mA/μm2。参考工艺文件提供的金属过流能力的参数，两层金属网均能顺利泄放掉ESD效应时的电流。
本发明实施例的详细描述和附图只是用于说明本发明，而不是限制由权利要求和其等价物定义的本发明的范围。
Claims (10)
1.一种基于指纹传感器的ESD防护结构，其特征在于，包括：具有GND WALL结构的ESD防护模型和具有金凸块结构的ESD防护模型；
所述具有GND WALL结构的ESD防护模型结构，包括：传感器矩阵sensor array、地网gndring和地环GND WALL；
所述具有金凸块结构的ESD防护模型结构，包括：传感器矩阵sensor array、地网gndring、地环GND WALL、金网和金凸块。
2.根据权利要求1所述的一种基于指纹传感器的ESD防护结构，其特征在于，所述具有GND WALL结构的ESD防护模型结构的传感器矩阵sensor array由传感器构成；所述地网gndring包围传感器，并连接地环GND WALL。
3.根据权利要求2所述的一种基于指纹传感器的ESD防护结构，其特征在于，所述地环GND WALL和地网gnd ring由顶层金属铝构成，作为ESD泄放通路。
4.根据权利要求1所述的一种基于指纹传感器的ESD防护结构，其特征在于，所述具有金凸块结构的ESD防护模型结构的传感器矩阵sensor array、地网gnd ring和地环GNDWALL在同一层上，金网和金凸块在另一层；所述地网gnd ring和地环GND WALL由顶层金属铝构成，顶层金属上有钝化层，钝化层上为金网和金凸块所在层。
5.根据权利要求4所述的一种基于指纹传感器的ESD防护结构，其特征在于，所述具有金凸块结构的ESD防护模型结构，除了电路的通信接口、传感器矩阵sensor array和包围传感器的部分地网gnd ring外，其余部分均被金凸块覆盖；包围传感器的部分地网被金网覆盖。
6.根据权利要求5所述的一种基于指纹传感器的ESD防护结构，其特征在于，所述金网与金凸块相连；金网和金凸块材料为金；金凸块、金网、地网gnd ring与地环GND WALL共同构成了ESD电流泄放通路。
7.一种基于指纹传感器的ESD防护结构的建模方法，其特征在于，包括：
步骤1、按照芯片布局的实际尺寸，按比例建立具有GND WALL结构的ESD防护模型；
步骤2、根据芯片的实际尺寸以及工艺库文件所得到的层间距与层之间的关系按比例建立Ansoft Maxwell ESD防护模型，进行计算仿真分析；
步骤3、在具有GND WALL结构的ESD防护模型对应的芯片结构中增加金凸块以增强芯片的电流泄放能力，建立具有金凸块结构的ESD防护模型；
步骤4、返回步骤2进行建模仿真；添加的激励大小与位置与具有GND WALL结构的ESD防护模型保持一致。
8.根据权利要求7所述的一种基于指纹传感器的ESD防护结构的建模方法，其特征在于，所述仿真分析的具体流程为：
S21、选择求解器，利用DC Conduction求解器和Electric Transient求解器完成求解；
S22、创建ESD模型并设置相应元件材料属性；
S23、设置边界条件与激励源；
S24、根据需要制定求解参数，然后设定求解规格并剖分网格；
S25、系统自适应求解；
S26、提取数据，绘制场图。最后将求解结果通过后处理器显示出来，或者通过场计算器将不能直接得到图形的数据提取出来。
9.根据权利要求8所述的一种基于指纹传感器的ESD防护结构的建模方法，其特征在于，所述系统自适应求解的过程为：
A251、设置自适应计算参数；
A252、检查并验证模型是否合理，修改相应错误；
A253、进行计算并求解；
A254、判断计算结果是否合理，如不合理，进一步手动细化网格，然后返回步骤A253。
10.根据权利要求8所述的一种基于指纹传感器的ESD防护结构的建模方法，其特征在于，所述激励源添加激励的依据为静电防护标准IEC61000-4-2 air discharge level 4。
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