SE9900502A0 - Gnistgap för elektrostatiskt urladdningsskydd för integrerad krets för hög spänning - Google Patents

Abstract

SAMMANDRAG En gnistgapsammansattning med elektroder Atskilda frAn bindningsmellanlagg och integrerade kretsen. Elektroderna ar i kontakt med ett flertal resistorer for reducering av spanningar och dissipation av energi som upplevs under elektrostatisk urladdning (ESD) som annars skulle skada integrerade kretsen.

Description

Gnistgap for elektrostatiskt urladdningsskydd for integrerad krets for hOg spanning Foreliggande uppfinning avser en krets med ett gnistgap for elektrostatiskt urladdningsskydd for en integrerad krets for hog spanning och i synnerhet, avser foreliggande uppfinning ett gnistgap i en plastsammansattning som ar kapabelt att stA emot hog spanning och som kan dissipera den.

Under Arens lopp, efter uppfinningen av integrerade kretsar, har ett okande antal funktioner for hogspanningskretsar integrerats pi integrerade kiselkretsar. Fore detta implementerades funktioner for integrerade kretsarmeddiskreta komponenter eller utformade som hybridmoduler. Dessa tvA teknologier ar dyra for en given krets jamfort med en integrerad krets.

FOreliggande uppf inning ger ett alternativ till existerande arrangemang som ar kapabel att isolera kansliga komponenter kretsen frAn skador frAn statisk urladdning som kan vara i storleksordningen av kilovolt.

Ett viktigt drag vid implementering av hOgspanningsfunktionalitet pa en integrerad halvledarkrets ar att isolera karnkretsen bakom hogvardesresistorerna, vanligtvisresistoreravpolykisel. Tyvarr uppstAr ett problem nar chipet utsatts for elektrostatiska urladdningar, ESD, eftersom resistansen som erbjuds av resistorerna ar mycket hOgre an utresistansen for ESDurladdningen. Detta orsakar en avsevard spanning att upptrada pA integrerade kretsen. Eftersom ESD-spanningar är typiskt ett fatal kilovolt kan skador pA faltoxiden pA kretsen uppstA. Ett synnerligen svArt problem uppstAr nar ett inputmellanlagg mAste bare upp bade positiva och negativa hOga spanningar vid normal drift. Under dessa omstandigheter ar det osannolikt att ett lampligt diodpar pA chipet kan undanhAlla drift spanningarna och skydda halvledarchipet frAn ESD-skador. 41.‘ ..• : : • ••• ••••• :: • •• ••• foe ••• ••• •• ••••• ,,•"•: ••••••:••:••••::• ."."*: •••• • I princip kan en enkelt gnistgap anvandas for att ge skydd mot antingen en polaritetspuls och aven hAlla undan kretsspanningar. Ett gnistgap kan gdras sã att det arbetar rid mindre an 1000V i en integrerad krets, som kan vara tillrackligt for att skydda faltoxiden.

Emellert id tillkomer ytterligare en komplikation f ran kommersiella behovet att anvanda plastinkapsling fOr kiselchipet.

Foreliggande uppfinning erbjudersAlundaettgnistgapsomanvands i en plastforpackning, och en skyddsanordning for anvandning vid en ESD-spanning av ungefar 2 kV (human body model, HBM).

Ett syfte med fOreliggande uppfinning är att erbjuda en 15 forbattradgnistgapsarmansattningsomOverkommerbegransningarna tidigare kand teknik.

Ytterligare ett syfte med foreliggande uppfinning är att erbjuda en gnistgapsammansattning, innefattande: -ett fOrsta elektrokonduktivt bindningsmellanlagg med en elektrod; -ett andraelektrokonduktivtbindningsmellanlaggmed en elektrod, varje elektrod av varje mellanlagg är i Atskilt fOrhAllande till andra elektroden; 25 -Atminstone ytterligare ett elektrokonduktivt material everliggande och isolerande sagda forsta bindningsmellanlagg och elektrod och sagda andra bindningsmellanlagg och elektrod; och -ett gnistgap i sagda ytterligare material mellan isolerade mellanlagg och elektroder.

Ytterligare ett syfte med ett utforingsexempel av foreliggande uppfinningaratt erbjuda en gnistgapsammansattning innefattande: -ett elektrokonduktivt bindningsmellanlagg med en elektrod, sagda riBllanlagg innefattande ett lager av elektrokonduktivt material darover; •o••• • •• •• •••• ::•• : • " 1, • tl•VI% •• • •••• • • ••■•• • • •• •• • •• ••• • ••• : :•• : ett lager av ett andra elektrokonduktivt material i elektrisk kommunikation med sagda elektrod; atminstone ett gnistgap i sagda lager av andra materialet; och ettflertalindividuellaresistorsektionerintegrerademedsagda andra material och angransande sagda gnistgap for reducering av spanning i sagda gap fran en elektrostatisk urladdning.

Salunda har uppfinningen beskrivits generellt och hanvisning kommer nu att gOras till bifogade ritningar som illustrerar foredragna utfOringsexempel och i vilka: figur 1 ar en schematisk representation av ett tidigare kant gnistgap; 'figur 2 är en schematisk representation av ett gnistgap som anvander polykisel; figur 3 dr en schematisk representation av ett gnistgap enligt ett utforingsexempel av foreliggande uppfinning; och figur 4 ar en schematisk representation av ett gnistgap enligt ytterligare ett utforingsexempel av fOreliggande uppfinning.

Lika hanvisningsbeteckningar anvanda i texten avser motsvarande element.

Figur 1 visar ett tidigare kant gnistgapsarrangemang, generellt betecknat med siffran 10 med gnistgapet betecknat med siffran 12, elektroden 13 och bindningsmellanlagg 15. Sadana arrangemang har inte visat sig vara framgangsrika for ESD-skydd i integrerade kretsar av ett antal skal. For det forsta är breakdownspanning for sadana arrangemang for labg. FOr det andra anvands i elektroderna 14 ofta aluminium som tenderer att smalta och som da bildar en Oppen krets eller ledande spar pa integrerade kretsen efter en ESD-urladdning.

Vidare, nar submicronprocesser dimensioner dar det kan vara mojligt for elektriska faltet att dra isar atomer utan behov av impactjonisering (avalanche). Detta kan leda till gnistgap med lAga spanningar.

Avseende anvandning av metall I gnistgapet ar plast fordelaktigare med beaktande av att anvandning av polykisel gnistgapet reducerar smaltning och krympning avsevart i motsats till vanligtvis anvanda aluminium eller aluminiumlegeringar, som anvands i exemplet i figur 1. UtfOringsexemplet som visas i figur 2 tillhandahAller ett lager 16 av polykisel med ett gnistgap med isolerade elektroder 20 Atskilda frAn gapet 18. Lagret av polykisel är placerat under bindningsmellanlagget for att undvika speciella kontakter med polykisel. Det har vidare upptackts att genom fOrstorning aktiva delen av gnistgapet genom att anvanda kvadratiska andar, dissiperas varmen Over en stOrre yta och en avsevart reducerad okning i temperatur realiseras sAlunda vilket akar formAgan for gnistgapet att hantera effekt. Utforingsexemplet i figur 2 kombinerar storre ytan ochmaterialet av polykisel. 20 Med hanvisning nu till exempel 3 visas ytterligare ett utforingsexempel av foreliggande uppf inning. Genom att inkorporera en distribuerad polykiselresistans ± formen av ett flertal integrerade resistorsektioner 24 angransande aktivadelen av gnistgapet, betecknat med siffran 22 i detta exempel, visar sig tre fordelar, namligen: dissipationen sprids mer uniformt Over gnistgapet och I resistorn av polykisel, det sker en reduktion av effekt som dissiperas i gnistgapet; och resistorn separerar och isolerar varmekansligt aluminium mot polykiselkontakt pa bindningsmellanlagget franmycketvarmadelen av gnistgapet for att sAlunda undanroja bildning av ett ledande spArformation, etc.

Det har visat sig att cm polykisel anvands pA bindningsmellanlaggen 15, blir anordningen mer robust. Det svAraste problemet är att finna ett medel for att f. aktivitet •• • • •• • • : • • •• • ••• • • ••• • •• •••• • ••• • •• • •• • • • • •• • ••• • • • •• : • • •••• •••• • • • • • • • gnistgapet i plastforpackningen.

Experimentella resultat indikerar att vissa konfigurationer av gnistgap visar sig ge tillracklig lokal spanning i granssnittet mellan plast och polykisel fOr att ge tillracklig delaminering for att en gnista skall skapas. Energin som ken dissiperas utan att orsaka en hog lackstrtim ar emellertid lagre an fOr den for ett oppet luftgap.

For att kompensera for den relativt laga prestandan avseende energidissipationenbliranvandningenavballastresistorermycket viktig.

Figur 4 visar medelst exempel ett praktiskt gnistgap som innefattar tva gnistgap utformade med ett flertal resistorer av polykisel. Arrangemanget som visas är for en process med en breakdownspanning fOr faltoxiden frail resistorn 26 av polykisel av 1,000 V. Resistansen for skivan av polykisel är 20 ohm per ruta. Detta arrangemang innefattar ett andra lager 28 av polykisel med en resistans av 400 ohm/ruta. Till skillnad fran normalt inputskydd, maste nastan all ESD-energi absorberas i chipet (ej visat). Emellertid maste inte serieresistanser hallas vid ett minimum och resistorerna 24 ar har utformade att generera spanning i granssnittet mellan plast och polykisel, dissipera energi, sanka spanningen och separera kontaktelektroderna fran heta zonen i gnistgapet 22.

Arrangemanget och vardet pa resistorerna beror pa elektriska parametrarna for processen som anvands for integrerade kretsen.

For detta syfte är figur 4 ett skraddarsytt exempel for en specifik process. Andre ganska olika arrangemangkan anvandas for att dra fordel av tekniker son presenteras har och fOr att tillmotesga olika processdetaljer. Systemet son visas innefattar tva parallella och identiska natverk av resistorer 24 och, av bekvamlighetsskal, kammer endast ett natverk att beskrivas.

Nar en ESD upptrader mellan mellanlagget 15 och spanningsskenan 30, halls htiga spanningenbortamedelstpolyresistorn 26, som har en hogre breakdown till substratet an endast polyresistorer 24. Polyresistorn 26 leder via fOrsta uppsattningen resistorer 24 till gnistgapet 22, vilket sammanbryter och ESD-strOmmen gar genom andra polyresistorn 24 till spanningsskenorna 30. Spanningen delas Over de tre resistorerna, vilka absorberar energinochbegransarenergin somdissiperarignisturladdningen. For denna specifika implementering, sanks grovt raknat halften av ESD-spanningen Over resistorerna, sã att for en ESD-urladclning pa 2 kV, drabbas output frail kretsresistorn mindre an 1 kV. Avlagsna anden av ingangsresistor med Mgt varde är skyddad av en konventionell skyddsdiod (ej visad).

Sarskilda geometrin for resistorerna och gnistgapet är utbildade for att beframja mekanisk spanning under inkapsling pa grund av olik termisk expansion mellan resistor och plasten sá att en liten kavitet utbildas vid gnistgapet. Son ett alternativ kan metall med en hogre smaltpunkt an aluminium anvandas istallet for polykisel.

Utformningen av formen for polykislet ar empirisk och kan troligtvis forbattras. Emellertid visar sig konventionella geometrier vara ineffektiva. Bade den resistiva delen av strukturen, som genererar mekanisk spanning och andarna visar sig vara viktiga. Godtyckligt lager av polykisel eller godtyckligt ledande lager med tillrackligt hog smaltpunkt kan anvandas fOr gnistgapstrukturen.

De ideer som skisseras i denna ansokan kan anvandas vid godtycklig kiselintegrerad krets som kraver skydd not en hog spanning.

Den kan aven anvandas vid godtycklig typ av integrerad krets. synnerhet da den anvander endast konduktiva lager. som är vanliga vid godtyckliga integrerade kretsar (exv, MOS III/V exv galliumarsenid, kiselkarbid, bipolar).

Det är mojligt att anvandning kan finnas utanfOr integrerade kretsar, dar mycket fint definierade gnistgap behovs. En sadan tillampning kan vara ett externt skyddssystemmonterat i en modul med multipla chip.

Mikromekaniska integrerade kretsar är en kommande teknologi som tillkommerupptacktenavESD-skador. Dessasma komponenter kommer att vara mycket mottagliga for ESD, men i manga fall kommer det inte att finnas elektroniska kretsar for att tillhandahalla skyddsdioder. Det skulle vara enkelt och kostnadseffektivt att integrera ett lateralt gnistgap i dessa anordningar.

Uppsattningar av gnistgap kan anvandas i detektorer av karnpartiklar, genom att anvanda jonisering for att trigga gapet och ge information avseende position, intensitet och tid.

Aven om utforingsexempel av.uppfinningen har beskrivits ovan är den inte begransad dartill och det kommer att vara uppenbart for fackmannenatt atskilliga modifieringar utgor del avforeliggande uppfinning i den man de inte avlagsnar sig fran andemeningen, beskaffenheten och omfanget av anspraksgjorda och beskrivna 25 uppfinningen.

Is ••• I. • ••• :• .00/ •• • • •• •••:: •• • •• 1.1 • • • • Li• • • •• • •••• •••• .• •

Claims (10)

PATENTKRAV

1. Gnistgapsammansattning, innefattande: -ett forsta elektrokonduktivt bindningsmellanlagg med en elektrod; -ett andra elektrokonduktivt bindningsmellanlagg med en elektrod, varje elektrod av varje mellanlagg är i ftskilt forhallande till andra elektroden; -Atminstone ytterligare ett elektrokonduktivt material over/iggande och isolerande sagda forsta bindningsmellanlagg och elektrod och sagda andra bindningsmellanlagg och elektrod; och -ett gnistgap i sagda ytterligare material mellan isolerade mellanlagg och elektroder.

2. Gnistgapsammansattning enligt krav 1, kannetecknad tiara v, att sagda ytterligare elektrokonduktiva material innefattar atminstone ett partiellt konduktivt lager av materialet.

3. Gnistgapsammansattning enligt krav 2, kannetecknad dara v, att sagda ytterligare elektrokonduktiva material innefattar ett material med en smaltpunkt hogre an aluminium.

4. Gnistgapsammansattning enligt krav 2, k annetecknad dara v, att sagda material innefattar polykisel.

5. Gnistgapsammansattning enligt krav 2, kannetecknad dara v, att sagda ytterligare material innefattar ett flertal individuella resistorsektioner integrerade med varje isolerat mellanlagg och elektrod for styrning av elektrostatiska energin i sagda gnistgap.

6. Gnistgapsammansattning enligt krav 1, kannetecknad dara v, att sammansattningen är kombinerad med en integrerad krets.

7. Gnistgapsammansattning innefattande: -ett elektrokonduktivt bindningsmellanlagg med en elektrod, sagda mellanlagg innefattande ett lager av elektrokonduktivt material darover; -ett lager av ett andra elektrokonduktivt material i elektrisk kommunikation med sagda elektrod; -Atminstone ett gnistgap i sagda lager av andra materialet; och -ett flertalindividuellaresistorsektionerintegrerademedsagda andra material och angransande sagda gnistgap for reducering av spanning i sagda gap frAn en elektrostatisk urladdning.

8. Gnistgapsammansattning enligt krav 7, k annetecknad dara v, att sagda andra material vidare innefattar medel for anslutning till kraftskenor.

9. Gnistgapsammansattning enligt krav 7, kannetecknad dara v, att sagda lager av forsta materialet och sagda lager av andra materialet uppvisar olika resistansvarde.

10. Gnistgapsammansattning enligt krav 7, kannetecknad dara v, att Atminstone ett av sagda fOrsta material och sagda andra material innefattar polykisel. SAMMANDRAG En gnistgapsammansattning med elektroder Atskilda frAn bindningsmellanlagg och integrerade kretsen. Elektroderna ar i kontakt med ett flertal resistorer for reducering av spanningar och dissipation av energi som upplevs under elektrostatisk urladdning (ESD) som annars skulle skada integrerade kretsen. (Figur 2) ••• TIDIGARE KAND TEKNIK