CN109473963A - 一种静电防护结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种静电防护结构，包括静电防护模块、静电吸收模块；所述静电防护模块包括串联在一起的电阻和TVS管，电阻的另一端接VCC或悬空；所述静电吸收模块包括串联在一起的电阻和电容；所述静电吸收模块的电阻与静电防护模块的电阻接在静电防护模块的电阻与TVS管之间；所述静电吸收模块的电容、静电防护模块的TVS管还接地连接。本发明给被防护的半导体传感器增加一个静电吸收回路，将静电吸收，实现对半导体传感器的保护。

Description

一种静电防护结构

技术领域

本发明属于芯片技术领域，特别是涉及一种静电防护结构。

背景技术

IC芯片是将大量的微电子元器件形成的集成电路放在一块塑基上，然后做成一块芯片，而今几乎所有看到的芯片，都可以叫做IC芯片，随着科学技术的不断发展和不断进步，IC芯片已经广泛应用在我们生活的各个领域，但是IC的控制模块容易受到接入电流静电的影响，进而影响IC芯片的性能。

半个世纪以来，静电在电子行业引起的着火、爆炸等事故不胜枚举。仅美国电子行业每年因静电造成的损失就高达几百亿美元，因此，静电防护在减少损失、提升品质和消费效率方面具有重要的意义。

随着导体技术和集成电路行业的迅速发展以及广泛应用，体积小、集成度高的器件越发受市场欢迎，这种需求也导致导线间间距越来越小，内部氧化膜逐渐变薄，同时也导致器件对静电的影响十分敏锐，以至于一些微小电压就可能击穿这些电子器件。而电子产品在生产、运输、储存和转运等一系列过程中所产生的静电电压却远远超过其耐压值，这就可能造成器件的击穿或失效，影响产品的可靠性。所以必须要重视静电的防护，从根本上解决这个问题。

在电子行业中，静电放电(ESD)的能量对于传统器件的影响，不易被人们察觉。但对于因线路间距短，线路面积小而导致耐压降低、耐流容量减少的高密集元器件来讲，ESD往往会成为其致命的杀手。

静电放电还能造成更严重的问题，任何部件测试时，可能并没有发现由于静电放电所造成的器件残次，如果在后续装配工序发现器件失效，将导致返工或更换器件造成的成本增加。一旦器件在工作现场失效，其修理或更换费用，会比制造阶段发现并解决问题所需要的费用多花100倍以上。有些电子元器件受到静电放电损伤后，仅表现出产品某些性能参数的下降，但尚未达到完全失效的程度，如不进行全面地检测往往无法发现。例如数字集成电路在静电放电损伤后电流输入电平的增加，在电路功能测试时一般不会被发现；或者静电放电使产品出现可自愈的击穿或其他非致命的损害，但这种效应可以累加，从而形成潜在的隐患，在继续使用的情况下可发生致命失效，既难以预料又不可能事先筛选。

实际使用中，由于半导体指纹采集器件表面被暴露于空气中，所述用来隔离人体皮肤表面和检测电极的绝缘保护层仅是一层很薄的保护膜，而通常情况下人体最高可以携带几千伏甚至过万伏的静电电压(尤其在北方干燥的环境下这种情况十分常见)，这样，上述指纹采集过程中，静电电压也可以通过所述各板间电容而耦合至各检测电极，再经过该检测电极传导至传感器的内部工作电路，将对半导体指纹采集器件造成不可恢复的破坏。因此，如何增强静电防护功能，是半导体指纹采集器件增强市场竞争力的关键考虑点之一。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种静电防护结构，给被防护的半导体传感器增加一个静电吸收回路，将静电吸收，实现对半导体传感器的保护。

本发明提供的静电防护结构，包括静电防护模块、静电吸收模块；所述静电防护模块包括串联在一起的电阻和TVS管，电阻的另一端接VCC或悬空；所述静电吸收模块包括串联在一起的电阻和电容；所述静电吸收模块的电阻与静电防护模块的电阻接在静电防护模块的电阻与TVS管之间；所述静电吸收模块的电容、静电防护模块的TVS管还接地连接。

半导体传感器接在静电吸收模块的电阻与电容之间，电阻+TVS管的组合既有低通滤波器的功能，又有压敏电阻的功能，还有电阻串联限流的功能。而电阻+电容的组合能把静电主要能量频谱上的能量吸收掉很多。在多级防护电路图中，当静电发生时，感应过电压由两端引入，通过电阻+TVS管的组合进行防护，接着电阻+电容的组合进行防护，此时感应过电压被大大削弱，静电主要能量频谱上的能量也被吸收掉很多，到收发器的电压进一步减小，从而实现对收器的保护。

本发明包括至少两组静电吸收模块，相邻静电吸收模块的电阻串联，半导体传感器接在与其相邻的静电吸收模块的电阻与电容之间，增加对静电的吸收。

本发明包括两组静电防护模块，所述静电吸收模块位于两组静电防护模块之间，另一组静电防护模块的电阻接在与其相邻的静电吸收模块的电阻与电容之间。半导体传感器不再与静电吸收模块的电阻串联，而是接在另一组静电防护模块的电阻与TVS管之间，该组静电防护模块起到进一步防护的作用。

本发明还通过设置多通道尖端放电模块，该模块具有若干条放电通道，提高尖端放电诱发静电放电的成功率。多通道尖端放电模块，包括导线、放电尖端、接地圆环或接地圆柱；所述放电尖端与导线连接，所述导线从接地圆环的圆心或接地圆柱的轴心穿过；所述放电尖端位于接地圆环内或位于接地圆柱的径向圆环内，该径向圆环与接地圆柱的底面平行。由于在放电尖端的前端180度范围内，放电尖端与接地圆环或接地圆柱之间形成多条放电通道，大大提高放电诱发静电放电的成功率。

本发明所述放电尖端与接地圆环的圆心或接地圆柱的轴线重合或接近重合。放电尖端对应于接地圆环或接地圆柱的径向圆环，放电尖端与接地圆环的圆心或接地圆柱的轴线重合或接近重合，使得放电尖端在其前方的180度的范围内，放电尖端的自由端到接地圆环或接地圆柱的径向圆环的半圆形弧的任意一点的距离都相等或接近相等，由此形成的若干条放电通道的长度都相等或接近相等，大大提高尖端放电诱发静电放电的成功率，由于放电通道的长度相等或接近相等，放电通道不会虚设。

为进一步增加放电通道的数量，所述接地圆环或接地圆柱的径向圆环内具有多个放电尖端，多个放电尖端在接地接地圆环或接地圆柱的径向圆环的周向上均匀分布，通过均匀分布，避免相邻放电尖端之间互相干扰。

本发明所述接地圆环或接地圆柱的径向圆环内具有多个放电尖端，多个放电尖端在接地圆环或接地圆柱的径向圆环的周向上均匀分布。这种多通道尖端放电模块，通过设置多个放电尖端，各放电尖端的自由端与接地圆环或接地圆柱的径向圆环之间的最短距离相等，使得至少具有多个距离相等的放电通道，提高尖端放电诱发静电放电的成功率。

为避免相邻放电尖端之间相互干扰，所述放电尖端在接地接地圆环或接地圆柱的径向圆环的周向上均匀分布。

所述放电尖端的数量为4-8个，设置4-8个放电尖端，一方面可以保证放电通道数量，提高放电成功率，另一方面，4-8个放电尖端可以更好地在周向上分布，避免相邻放电尖端之间的相互干扰。

本发明还包括放电圆环，放电圆环与所述接地圆环或接地圆柱同圆心，所述放电圆环与导线连接，所述放电尖端设置在放电圆环上，放电尖端通过放电圆环与导线连接，通过设置放电圆环，便于放电尖端的布置。

为进一步提高尖端放电诱发静电放电的成功率，沿所述导线的长度方向，间隔设置有多组放电尖端。

为避免相互干扰，多组放电尖端在导线的长度方向上均匀分布。

本发明利用吸收静电的方式和尖端放电原理，一方面给被防护的半导体传感器增加一个静电吸收回路，另一方面在防护电极上设计放电尖端，从而提前将静电能量泄放，以减少或杜绝静电电压经由检测电极传导至内部检测电路；半导体采集器件由此获得增强的静电防护能力。本发明的放电尖端对应于接地圆环或接地圆柱的圆弧，两者之间可以形成多条放电通道，让静电电流从任意的放电通道放电，从而提高尖端放电诱发静电放电的成功率。本发明还通过设置，使得具有多条放电通道的长度相等或接近相等，避免因距离的远近而造成通道虚设。本发明可以使半导体指纹传感器件增强静电防护功能，并且易于生产实施、实施成本低。本发明能以较低的成本和较简易的实现方式来发挥静电防护作用。

附图说明

图1为本发明多通道尖端放电模块结构示意图；

图2为放电尖端到接地圆柱距离示意图一；

图3为放电尖端到接地圆柱距离示意图二；

图4为本发明复合防护电路结构示意图；

图中：1-导线；2-绝缘外壳；3-圆环尖端；4-接地圆柱；5-放电通道；6-放电圆环。

具体实施方式

实施例一：

如图1所示，本发明的多通道尖端放电模块，包括导线1，导线1上连接有若干放电尖端。接地圆柱4设置在导线1外，导线1从接地圆柱4的轴心穿过，放电尖端与接地圆柱之间具有空隙。接地圆柱4的外部封装有绝缘外壳2。放电尖端与接地圆柱4的轴心重叠或接近重叠(电子元器件尺寸较小，放电尖端近似与接地圆柱4的轴心重叠。本发明尽可能实现重叠)，如图3所示，放电尖端的前端180度范围内，放电尖端到接地圆柱4的径向圆环(与接地圆柱的底面平行)的圆弧上的各点的距离相等或接近相等。如此设置，使得在各放电尖端分别与接地圆柱4形成放电通道40(放电尖端与接地圆柱之间具体空隙，图中示出的放电通道40并非图中所绘的“线条”)，且每一个放电通道的距离都是相等的。利用放电尖端对应接地圆柱的这种布置方式，使得放电尖端前方180°范围内，皆可能为静电电弧的放电路径。由于放电通道的增加，便进而提高静电诱发放电的成功机率，使得静电电流更容易经过多条放电通道而消散，同时也能进一步提高放电尖端与接地尖端的使用寿命。从图1中可以看到，在接地圆柱的径向圆环内，设置有多个放电尖端，各放电尖端位于接地圆柱的同一个径向圆环内，放电尖端到径向圆环的距离都相等；可以设置4-8个放电尖端，放电尖端在径向圆形的周向上均匀分布。

本发明还可以这样设置：在接地圆柱的同一个径向圆环内设置多个放电尖端，各放电尖端到径向圆环的最短距离都相等，这样，也可以形成多条距离相等的放电通道，提高静电放电成功率。

如图1所示，若干放电尖端可以在接地圆柱4的周向上布置，优选均匀布置，形成一组，同时，还可以沿导线1的长度方向布置多组。本发明还可以进一步对接地圆柱4进行改进，图1中的有三组放电尖端，每组放电尖端形成圆环，可以对应于每一圆环，设置一个新的接地圆环来代替接地圆柱4，接地圆环与放电尖端形成的圆环同圆心，这样，在三组放电尖端的外部形成三组新的接地圆环，这三组新的接地圆环代替接地圆柱，也就是说，接地圆柱4被分割成若干部分。接地圆环或接地圆柱4接地。

实施例二：

如图1所示，本发明提供的多通道尖端放电模块，包括导线1，导线1上耦接有三组放电圆环6，放电圆环6在导线1的长度方向上间隔布置，优选均匀间隔布置。放电圆环6的周向上具有若干圆环尖端3，圆环尖端3优选在放电圆环6上均匀布置。放电圆环6上的放电尖端一般可设置4到8个，放电效果比较好，同时可以避免相互之间造成干扰。放电圆环6的外部套有接地圆柱4，接地圆柱4、放电圆环6的轴心与导线1重合。接地圆柱4外封装有绝缘外壳2。在放电圆环6的圆环尖端3与接地圆柱4之间形成放电通道5(放电尖端与接地圆柱之间具体空隙，图中示出的放电通道5并非图中所绘的“线条”)。如图3所示，放电尖端设置在放电圆环上，放电尖端通过放电圆环与导线1连接；在放电尖端的前端的180度范围内，放电尖端到接地圆柱4的径向圆环(与接地圆柱4的底面平行)的各个点的距离不完全相等，即放电通道5不等长。在放电圆环上设置多个放电尖端，这样，各放电尖端与径向圆环的最短距离是相等的，同样可以形成多条等距离的放电通道，提高静电放电成功率。

由于电子元器件尺寸较小，可以尽可能的将放电圆环做小，使得放电尖端与接地圆柱4的轴心接近重合，这样，放电尖端到径向圆环的各个点的距离接近相等，形成若干条接近相等的放电通道。

本发明还可以进一步对接地圆柱4进行改进，图1中的有三组放电圆环6，可以对应于每一放电圆环6，设置一个新的接地圆环来代替接地圆柱4，这样，在三组放电圆环的外部形成三组新的接地圆环，接地圆环与放电圆环6同圆心，这三组新的接地圆环代替接地圆柱，也就是说，接地圆柱4被分割成若干部分。接地圆环或接地圆柱4接地。

由于静电放电所走的路线并非全部为直线，所以容易造成放电尖端与正前方的接地部分所构成的放电通道失效，而无法顺地将静电导入接地端而消散静电。本发明的放电尖端3外套有接地圆环或接地圆柱，放电尖端3可以与接地圆环或接地圆柱形成多条放电路径；由于放电尖端3所在的放电圆环与接地圆环或接地圆柱同圆心，放电尖端3在其前端180°范围内，放电尖端与接地圆环之间形成的放电通道都是等距离的，也就是说每条放电路径的距离皆相同，而不会因为距离远近造成通道虚设。由于放电通道的增多，让静电电流从任意的放电通道放电，从而提高尖端放电诱发静电放电的成功率。

本发明提供的多通道尖端放电模块，放电圆环、放电尖端、接地圆柱都是导电的金属制成。在图1所示的结构上，导线1的左、右两端可以设计成两个引脚，左端的引脚与芯片的防护电极连接，右端的引脚接地，这样就可以将本发明提供的多通道尖端放电模块作为元器件安装在任意芯片上，实现静电防护。静电经导线导出，从放电圆环上的放电尖端经放电通道泄放。

实施例三：

本发明提供的静电防护结构包括多通道尖端放电模块、复合防护电路模块。

复合防护电路模块包括静电防护模块、静电吸收模块；静电防护模块包括串联在一起的电阻和TVS管，电阻的另一端接VCC或悬空；静电吸收模块包括串联在一起的电阻和电容；静电吸收模块的电阻与静电防护模块的电阻接在静电防护模块的电阻与TVS管之间；静电吸收模块的电容、静电防护模块的TVS管还接地连接。本发明的复合防护电路模块包括至少两组静电吸收模块，相邻静电吸收模块的电阻串联。本发明的复合防护电路模块包括两组静电防护模块，静电吸收模块位于两组静电防护模块之间，另一组静电防护模块的电阻接在与其相邻的静电吸收模块的电阻与电容之间。

如图4所示，复合防护电路模块包括两组静电防护模块和两组静电吸收模块，左侧的静电防护模块包括串联在一起的电阻R1和TVS管TVS1，电阻R1的另一端悬空或者接VCC，TVS1还接地连接；左侧的静电吸收模块包括串联在一起的电阻R2和电容C1，电阻R2的另一端接在电阻R1与TVS1之间，电容C1的另一端接地连接；右侧的静电吸收模块包括串联在一起的电阻R3和电容R2，电阻R3的另一端接在电阻R2与电容C1之间，电容C2的另一端接地连接；右侧的静电防护模块包括串联在一起的电阻R4和TVS管TVS2，电阻R4的另一端接在电阻R3与电容C2之间，TVS2还接地连接。半导体指纹传感器接在电阻R4与TVS2之间。

本发明复合防护电路模块包括电阻+TVS管的组合和电阻+电容的组合。瞬变电压消除器TVS是一种固态二极管，专门用来防护ESD瞬态电压损坏敏感的半导体器件，与传统的稳压二极管相比，TVS二极管P/N结面积更大，这一结构上的改进使TVS具有更大的高压承受能力，同时也降低了电压截止率，因而对于保护低工作电压回路的安全具有更好的效果。其中电阻+TVS管的组合既有低通滤波器的功能，又有压敏电阻的功能，还有电阻串联限流的功能，是性价比非常好的防护方式。而电阻+电容的组合能把静电主要能量频谱上的能量吸收掉很多。在多级防护电路中，当静电发生时，感应过电压由两端引入，R1与TVS1进行防护，再经过电阻R2、R3限流，C1、C2滤波后，把静电主要能量频谱上的能量吸收掉很多，到收发器的电压进一步减小，再经过R4与TVS2进行防护，此时感应过电压被大大削弱，从而实现对收发器的保护。

Claims (10)

1.一种静电防护结构，其特征在于：包括静电防护模块、静电吸收模块；所述静电防护模块包括串联在一起的电阻和TVS管，电阻的另一端接VCC或悬空；所述静电吸收模块包括串联在一起的电阻和电容；所述静电吸收模块的电阻与静电防护模块的电阻接在静电防护模块的电阻与TVS管之间；所述静电吸收模块的电容、静电防护模块的TVS管还接地连接。

2.如权利要求1所述的静电防护结构，其特征在于：包括至少两组静电吸收模块，相邻静电吸收模块的电阻串联。

3.如权利要求1或2所述的静电防护结构，其特征在于：包括两组静电防护模块，所述静电吸收模块位于两组静电防护模块之间，另一组静电防护模块的电阻接在与其相邻的静电吸收模块的电阻与电容之间。

4.如权利要求1或2所述的静电防护结构，其特征在于：还包括多通道尖端放电模块，所述多通道尖端放电模块包括导线、放电尖端、接地圆环或接地圆柱；所述放电尖端与导线连接，所述导线从接地圆环的圆心或接地圆柱的轴心穿过；所述放电尖端位于接地圆环内或位于接地圆柱的径向圆环内，该径向圆环与接地圆柱的底面平行。

5.如权利要求4所述的静电防护结构，其特征在于：所述放电尖端与接地圆环的圆心或接地圆柱的轴线重合或接近重合；或者，包括至少两个放电尖端，各放电尖端的自由端与接地圆环或接地圆柱的径向圆环之间的最短距离相等。

6.如权利要求4所述的静电防护结构，其特征在于：所述放电尖端在接地接地圆环或接地圆柱的径向圆环的周向上均匀分布。

7.如权利要求4所述的静电防护结构，其特征在于：还包括放电圆环，放电圆环与所述接地圆环或接地圆柱同圆心，所述放电圆环与导线连接，所述放电尖端设置在放电圆环上，放电尖端通过放电圆环与导线连接。

8.如权利要求4所述的静电防护结构，其特征在于：沿所述导线的长度方向，间隔设置有多组放电尖端。

9.如权利要求8所述的静电防护结构，其特征在于：多组放电尖端在导线的长度方向上均匀分布。

10.如权利要求4所述的静电防护结构，其特征在于：所述放电尖端的数量为4-8个。