静电放电保护器件评价方法、装置及计算机可读存储介质与流程

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种静电放电保护器件评价方法、装置及计算机可读存储介质。

背景技术：

随着静电放电(electrostaticdischarge,esd)保护器件广泛应用于各种模拟集成电路、射频集成电路和混合信号集成电路芯片中，其自身的热稳定性变得尤为关键。尽管esd保护器件拥有良好的电学特性，但是它在依靠单个器件或器件组合泄放瞬态高电压、大电流静电脉冲时，会引起esd保护器件自身的晶格温度急剧升高。esd保护器件在短暂时间和有限空间内发热产生一定的热量，将引起被保护核心电路的电学参数漂移，降低核心电路的额定安全工作范围，导致被保护核心电路的功能失效，发生不可逆转的热溃散。这种由esd保护器件耗散功率引起的器件温度升高的机理称为保护器件电热效应。电热效应对esd保护器件和被保护核心电路影响大，危害芯片的正常工作。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种静电放电保护器件评价方法、装置及计算机可读存储介质，用以解决现有技术电热效应对esd保护器件和被保护核心电路影响大，危害芯片的正常工作的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种esd保护器件评价方法。该方法适用于栅极接地n沟道场效应晶体管结构的esd保护器件，该方法包括：

根据所述esd保护器件的热导率、体密度、散热表面积和环境温度确定所述esd保护器件的自热热阻；

根据所述自热热阻评价所述esd保护器件的热稳定性。

如上所述的方面，进一步提供一种实现方式，还包括：

将所述esd保护器件的有源区等效为平行六面体，根据所述平行六面体确定所述热导率、所述体密度和所述散热表面积。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，根据所述esd保护器件的热导率、体密度、散热表面积和环境温度确定所述esd保护器件的自热热阻包括：

结合能量守恒定律，根据所述esd保护器件的导热率、体密度、散热表面积和环境温度确定所述esd保护器件的自热热阻。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，

所述根据自热热阻评价所述esd保护器件的热稳定性包括：

自热热阻随消散功率变化的幅度越小，所述esd保护器件的热稳定性越高。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，

所述根据所述esd保护器件的热导率、体密度、散热表面积和环境温度确定所述esd保护器件的自热热阻包括：

其中，rth为自热热阻，m为所述esd保护器件的质量，

m＝ρv0

ρ为体密度，v0等于所述散热表面积乘以所述esd保护器件的厚度，为热流量，

α为所述esd保护器件的导热率，cp为热容，β为系数，t为时间。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，

所述esd保护器件的厚度为固定常数。

另一方面，本发明实施例提供了一种esd保护器件评价装置。该装置适用于栅极接地n沟道场效应晶体管结构的esd保护器件，该装置包括：

确定单元，用于根据所述esd保护器件的热导率、体密度、散热表面积和环境温度确定所述esd保护器件的自热热阻；

评价单元，用于根据所述自热热阻评价所述esd保护器件的热稳定性。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述确定单元还用于，将所述esd保护器件的有源区等效为平行六面体，根据所述平行六面体确定所述热导率、所述体密度和所述散热表面积。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述确定单元还用于，结合能量守恒定律，根据所述esd保护器件的导热率、体密度、散热表面积和环境温度确定所述esd保护器件的自热热阻。

另一方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，包括计算机可读指令，当计算机读取并执行所述计算机可读指令时，使得计算机执行如前述任意一方面所述的方法。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：

通过本发明实施例，基于自热热阻可以有效的对esd保护器件进行热稳定性评价，结合esd保护器件的热稳定性的评价，可以优化该esd保护器件，使得该esd保护器件能够更有效的保护电路，提升电路的稳定性。

【附图说明】

图1为本发明实施例所提供的一种esd保护器件评价方法的流程示意图；

图2为本发明实施例所提供的一个示例；

图3为本发明实施例所提供的另一个示例；

图4为本发明实施例所提供的另一个示例；

图5为本发明实施例所提供一种esd保护器件评价装置的功能方块图。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。

针对现有技术中所存在电热效应对esd保护器件和被保护核心电路影响大问题，本发明实施例提供了如下解决思路：提供一种评价方式，以对esd保护器件的热稳定性进行评价，以便采取相应的措施，减少电热效应对esd保护器件和被保护核心电路的影响。

在该思路的引导下，本方案实施例提供了以下可行的实施方案。

实施例一

本发明实施例给出一种esd保护器件评价方法。

具体的，请参考图1，其为本发明实施例所提供的一种esd保护器件评价方法的流程示意图，该方法适用于栅极接地n沟道场效应晶体管结构的esd保护器件，如图1所示，该方法包括以下步骤：

s110，根据esd保护器件的热导率、体密度、散热表面积和环境温度确定esd保护器件的自热热阻。

其中，根据能量守恒原理，根据esd保护器件的导热率、体密度、散热表面积和环境温度可以确定esd保护器件的自热热阻。

在计算esd保护器件的导热率、体密度和散热面积时，可以将esd保护器件的有源区等效为平行六面体，根据该平行六面体计算该esd保护器件的导热率、体密度和散热面积。

在一个示例中，图2示出了基于栅极接地n沟道场效应晶体管结构(ggnmos)的esd保护器件有源区200结构示意图。随着器件特征尺寸进入深亚微米量级，esd保护器件体积非常小，esd保护器件有源区发热范围可以等效为一个平行六面体。结合图2所示，该保护器件有源区的长、宽、高(厚度)分别为b、a、c。厚度由芯片制造厂的工艺水平和材料性质所决定，一般为固定常数，esd保护器件有源区的热源还可以进一步等效为一个矩形热源单元。由于等效矩形热源单元的尺寸在亚微米范围，可以认为矩形单元内外温度基本保持热均衡，可以使用矩形单元中心位置的温度来表示该有源发热区的温度。

正常工作时，esd保护器件处于静止状态，温度为已知的t0。当esd事件发生时，保护器件钳制高电压，泄放大电流，内部将产生热量，其功率为q0，同时esd保护器件外表面的部分面积as暴露在温度为tf的芯片管壳内，该tf即为环境温度，芯片和管壳之间的表面换热系数为α，保护器件导热区的物体体积为v0。esd保护器件内部热量产生过程遵循能量守恒定律：

进入esd保护器件的热量与esd保护器件本身所产生的热量的和，等于流出esd保护器件的热量与esd保护器件内贮存热量的变化的和。即：

hi+hg＝ho+hs

式一

其中，hi是进入esd保护器件的热量，即esd事件产生的热量，通常为人体放电模型(hbm)电压与电流的乘积，一般为一个常数。

hg是esd保护器件按产生随时间变化的热能，可以根据式二计算得到。

hg＝q0e^-βt

式二

其中，β为微分方程系数，t为时间。

ho是esd保护器件瞬间传出的热量。可以根据式三计算得到。

ho＝αas(tj-tf)

式三

其中，tj为esd保护器件内部瞬时峰值温度。

hs是esd保护器件内贮存热量的变化率。

其中，m为静电放电保护器件的质量，ρ为体密度，v0等于散热表面积as乘以静电放电保护器件的厚度，cp为热容。

将式二、式三和式四，代入式一得到：

另外，θ＝tj-tf，结合式五得到：

其中，为热流量，θ为温差。

当初始条件：t＝0，t0＝tf时，结合式六，得到：

根据jedec标准no.51-1，esd保护器件自热热阻定义为：

将上述各种参数代入公式八得到esd保护器件自热热阻最终表达式为：

在另一个示例中，当esd保护器件外部输入0.6w的脉冲激励时，根据公式九可以求得esd保护器件的自热热阻，如图2所示。

s120，根据自热热阻评价esd保护器件的热稳定性。

自热热阻随消散功率变化的幅度越小，esd保护器件的热稳定性越高。

可以设定自热热阻的阈值，判断在设定条件下，自热热阻是否始终小于阈值，当自热热阻始终小于阈值时，确定该esd保护器件符合要求。

或者，可以设定温度阈值，可以根据自热热阻，判断在设定条件下，esd保护器件的温度的变化是否始终小于阈值，当esd保护器件的温度始终小于阈值时，确定该esd保护器件符合要求。

通常esd事件发生时，保护器件立即启动将注入的高电压钳制在安全工作区范围内，大电流经过泄放电路进入芯片衬底。在该过程中，产生的热局限在器件的有源区内，自热热阻很小，保护器件具有较好的热稳定性。但是当esd脉冲激励随着时间逐渐衰减时，保护器件内部的电导调制效应和电热耦合机制发生作用，构成保护器件各种材料层的物理属性发生微观变化，将部分电能转化为热能，导致保护器件温度急剧升高，自热热阻不断增大，直至接近不可逆的热失效状态。例如，结合图2所示，当耗散功率为0.6w时，对应的自热热阻是79.78℃/w，随着耗散功率随时间常数的快速减小，保护器件内部电热效应发生作用，部分电能转换成热能，在狭小的有源发热区无法将热能迅速传导出去，自热热阻逐渐升高，在耗散功率衰减到0.1w时，对应的自热热阻已攀升至478.7℃/w，因此，图2反映的esd保护器件自热热阻随耗散功率变化曲线符合esd保护器件工作原理中热阻和功耗的变化关系。

在一个示例中，根据上述方法对ggnmos保护器件和fox保护器件做对比评价。图3给出了结合式9得到的传统的fox保护器件和ggnmos保护器件在相同esd脉冲激励(0.6w)条件下的温度分布曲线。从温度分布图中可以看出，在esd保护器件工作期间，传统的fox保护器件的中心区域温度与保护器件两侧温度相差120℃，而采用ggnmos结构的保护器件，温度分布曲线比较平缓，其中心区域最高温度与保护器件两侧的温度差仅为90℃。此外，ggnmos保护器件的最高结温为135℃，与fox保护器件的最高结温相比下降了41℃。因此，观察曲线可以看出，使用ggnmos结构的esd保护器件其温度分布特性幅值变化小且逐渐平缓，自热热阻减小，热稳定性更高。

需要说明的是，s110～s120的执行主体可以为esd保护器件性能评价装置，该装置可以位于本地终端的应用，或者还可以为位于本地终端的应用中的插件或软件开发工具包(softwaredevelopmentkit，sdk)等功能单元，本发明实施例对此不进行特别限定。

可以理解的是，所述应用可以是安装在终端上的应用程序(nativeapp)，或者还可以是终端上的浏览器的一个网页程序(webapp)，本发明实施例对此不进行限定。

本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

通过本发明实施例，基于自热热阻可以有效的对esd保护器件进行热稳定性评价，结合esd保护器件的热稳定性的评价，可以优化该esd保护器件，使得该esd保护器件能够更有效的保护电路，提升电路的稳定性。

实施例二

基于上述实施例一所提供的一种esd保护器件评价方法，本发明实施例进一步给出实现上述方法实施例中各步骤及方法的装置实施例。

请参考图5，其为本发明实施例所提供一种esd保护器件性能评价装置的功能方块图。如图5所示，该装置适用于栅极接地n沟道场效应晶体管结构的esd保护器件，该装置包括：

确定单元501，用于根据所述esd保护器件的热导率、体密度、散热表面积和环境温度确定所述esd保护器件的自热热阻；

评价单元502，用于根据所述自热热阻评价所述esd保护器件的热稳定性。

可选地，确定单元501还用于，将所述esd保护器件的有源区等效为平行六面体，根据所述平行六面体确定所述热导率、所述体密度和所述散热表面积。

可选地，确定单元501还用于，结合能量守恒定律，根据所述esd保护器件的导热率、体密度、散热表面积和环境温度确定所述esd保护器件的自热热阻。

可选地，所述根据自热热阻评价所述esd保护器件的热稳定性包括：自热热阻随消散功率变化的幅度越小，所述esd保护器件的热稳定性越高。

由于本实施例中的各单元能够执行图1所示的方法，本实施例未详细描述的部分，可参考对图1的相关说明。

本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

通过本发明实施例，基于自热热阻可以有效的对esd保护器件进行热稳定性评价，结合esd保护器件的热稳定性的评价，可以优化该esd保护器件，使得该esd保护器件能够更有效的保护电路，提升电路的稳定性。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机装置(可以是个人计算机，服务器，或者网络装置等)或处理器(processor)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。