低漏电低电容静电保护器件( LLEPD-LC05 )芯片研发关键技术与特点研究

洪旭峰

摘要：逐渐发展的通信电子领域的当中，随着应用的发展需要，先进的瞬态电压保护器件应运而生，也就是静电保护器，其能够广泛应用到手持信号传输设备当中，进而经过近年来的发展，促使静电保护器装置成为了电子设备的重要组成部分，随着电子电路逐渐提升的运算速度以及低功耗需求等，电子电路的各种组成器件更是面临着较大的考验，针对于不同的使用需求，需要静电保护器提供保护的同时，还不能因为其寄生效应，影响应用电路的性能，因此，本文将基于静电保护器件( LLEPD-LC05 )芯片的研发技术与特点进行研究，从而实现对低漏电以及低电容的高频适用效果。

关键词：静电保护器件；研发技术；低漏电；低电容

引言：作为国内外经济发展建设以及社会整体进程当中的关键行业，电子元器件行业的发展如火如荼，尤其是近年来在创新的互联网技术应用之下，形成了更加明显的前进动力，应用环境的复杂化更容易受到静电干扰，而核心运算的电子器件的耐静电能力往往不足，轻者导致电子产品卡顿，严重的将会造成电子产品的功能错误及损坏，而为了能够解决这一问题，促使电子元器件行业能够为人们始终提供更加良好的使用效果，需要应用到静电保护器件装置起到一定的防护作用，随着科学技术的发展，信息化通讯时代的发展要求静电保护器件装置能够尽可能的适应低压高频的应用，因此低漏电低电容静电保护器件应运而生。

1 低漏电低电容静电保护器件( LLEPD-LC05 )芯片研发技术背景

对国内外近年来电子行业的高速发展背景进行调查研究发现，虽然电子行业成为了与人民大众息息相关的重点产业，但是在实际生产过程当中仍旧存在着一定的问题。电子行业每年由于在生产过程当中因静电造成的损失高达上百亿美元，且静电放电造成的电子元器件质量问题同样造成了严重的经济损失，而面对这样的现象，以美国现阶段最大的电子生产行业为例，根据相关统计报告显示，每年由于静电原因所造成的电子产品损失能够达到100亿美元，而英国紧随其后，由于静电所造成的产品损坏损失能够达到20亿英镑。或是日本这样的发达电子元器件生产国家基于静电原因所造成的电子元器件质量问题同样较为严重，静电放电（ESD）所造成的电子产品元器件损坏问题作为现阶段影响到国内外电子行业发展的关键性问题，引发了社会各方的关注。

在近年来通讯领域不断高速发展的过程当中，电子元器件的应用更加广泛，如若不能够及时的解决在生产或应用过程当中出现的静电放电问题，则会造成严重的后果。因此，静电保护器在这样的背景下应运而生，基于在手持或是其他的信号传输装置当中广泛应用，静电保护器件的作用不可忽视[1]。结合其实际应用作用进行研究发现，静电保护器件的作用则是对电子产品的电子电路实施有效的保护作用。此时静电保护器件则能够快速释放这样的冲击，避免在过大的电流以及电压冲击下对电路造成损坏，促使电子电路能够始终处于平稳工作状态当中。

而随着电子电路的应用要求逐渐提升，促使其中的各项器件的使用需求逐渐提高，在面临着更高的节能要求以及运算速度需求之下，电子电路的频率将会持续提升，静电保护器件的存在，能够对电子电路起到一定保护作用，但是在应用过程当中的静电保护却难以起到更加良好的作用。这是由于在将这样的普通静电保护器件接入到电子电路当中后，尽管能够对电子电路起到一定程度的保护作用，但是由于反应不及时，因此导致静电保护作用相对较弱。基于这样的问题，静电保护器件的应用需要对结电容实施优化，促使其能够处于0.5PF以下。并且针对于现阶段的电子设备使用环境来讲，需要降低电子电路运行芯片电压，由原来的5V降低至3.3V，再到现在广泛应用到的2.5V，在逐渐降低工作电压的过程当中，需要对芯片运行环境实施必要的保护，因此对静电保护器件提出了更高的要求，需要为芯片提供正常的工作电压环境，典型应用电路如图1所示。但是以一般应用到的二极管结构下的静电保护器件，难以形成低于6V以下的工作电压，如若硬性要求其电压控制在6V以下，则需要及时控制复杂环境下的静电问题。基于这样的复杂使用环境要求，静电保护器的性能优化升级成为了热点话题，并提出了全新的挑战，同时也为更加先进的静电保护器件研发等提供了充足动力。

图1静电保护器件应用图

2 低漏电低电容静电保护器件( LLEPD-LC05 )芯片研发关键技术

2.1低漏电低电容静电保护器件( LLEPD-LC05 )芯片研发案例分析

纵观全世界范围内的电子行业，每年由于在生产过程当中因静电造成的损失高达上百亿美元，且静电放电造成的电子元器件质量问题同样造成了严重的经济损失。为了能够借助于先进的电子信息技术全面解决这样的问题，在逐渐发展的通信电子领域的当中，开发出了先进的瞬态电压保护器件，也就是静电保护器。以上海芯石半导体股份有限公司研发的低漏电低电容静电保护器件(LLEPD-LC05) 芯片工程为例，该技术项目隶属于电系信息技术领域，在相关芯片技术的研发过程当中，涉及到新型电子元器件、片式和集成无源元件以及高可靠片式元器件等众多细化的领域。这一静电保护器件的研发作为该公司的核心技术成果，实现了对以往的静电保护器件的创新效果，以更加新颖的结构，在实际应用到中能够形成更加迅速的反应效果，并且该芯片成果能够快速释放静电以及能量冲击，实现最快速的保护作用，且以更小的寄生电容、高可靠性、寿命长等优势作用等，代替了以往的压敏电阻使用效果

[2]。尤其是在高频工作环境当中的 LLEPD-LC05 芯片应用，以更加先进的DFN0603片式封装效果持续降低芯片在电子设备当中的实际使用面积，包括手机、电脑等设备的高密度集成使用需求等都能够通过该工程项目满足。

2.1.1研发问题

由于我国发展静电保护器件装置的时间相对较短，因此涉及到该项目的企业相对较少，缺乏充足的经验借鉴，在实际研发过程当中面临着技术阻碍等相关问题。在低漏电低电容静电保护器件( LLEPD-LC05 )芯片研发过程当中，需要及时解决在以往的所应用到的半导体二极管问题。静电保护器件当中，最早应用到的结构主要是基于单一的半导体二极管的形式，但是这样的静电保护器件其实际的结电容通常情况下，与材料的材料浓度之间具有直接正相关影响关系，而反向工作电压也与材料浓度之间成负相关影响关系，作为矛盾综合体，工作电压和结电容相互制约关系，因此在实际当中对静电保护器件的应用形成了一定的影响。

2.1.2解决措施

研发该工程芯片的过程当中，引进了关于半导体静电保护器件的研发经验，包括国内外的先进电子设备静电保护器件公司，诸如ON SEMI等公司，其中大量的知识产权专利等都能够成为在该工程当中的相关经验。因此在本项目当中，以三极管的传统击穿效应能够形成低电压击穿触发效果，并应用到高阻外延以及新颖器件结构对结电容实施改造，降低其实际参数，以高浓度以及高密度的深层结构解决了以往静电保护器件使用过程当中的漏电问题。

2.1.3技术心得

在该技术项目的研发过程当中，所形成的创新技术成果经过对比国内外近年来的研究成果发现，具有较好的创新效果，能够达到国内领先的先进综合技术水平。在实际研发过程当中，形成了超过100Ω.cm的高阻外延技术，能够有效降低在使用过程当中产生的寄生电容，并且结合外延传统结技术降低漏电程度，达成低漏电效果，并研发平面结构布局技术，能够有效降低触发电压值，进而以相对较低的电压效果对电流路径实施有效的控制。

2.2低漏电低电容静电保护器件( LLEPD-LC05 )芯片研发专利技术

2.2.1双向NPN穿通型超低压TVS结构技术

在低漏电低电容静电保护器件( LLEPD-LC05 )芯片研发过程当中，涉及到的关键性技术为上海芯石半导体股份有限公司的专利技术，并获得了专利授权，在这一专利当中所形成的双向NPN穿通型超低压TVS结构技术作为关键性的核心技术，包括了众多的不同结构组成部分。例如NPN1区301、NP1区302、DN隔离区303、DN连通区304、 NPN2区305以及NP2区306等[3]。具体结构来讲，各个不同的结构涉及到的技术就是形成该工程项目最终所应用到的关键技术，其单一方向的结构示意图如图2所示。在NPN1区301结构当中，外延层主要是在衬底上所形成的，其中并且包含了DP结构，在DP结构当中存在着SN，且在外延层上的SiO2层面上在进一步打开之后，其中包括了正面金属以及上层钝化层，钝化层在打开之后促使衬底与DP之间相连，且301的SN能够连接正面金属，并通过其与NP1区302中的SN相连。

图2 项目产品剖面示意图

其次来讲，NP1区302结构的外延层在衬底上，且在衬底以及外延层中存在着DP结构，其中的SN以及SP等结构存在，在外延层上同时也存在着SiO2层，与301的结构呈现出相一致的效果，最终与301的SN相连之后形成的SP与正面金属相连接，且正面金属最终与DN及304中的SN相连，302中的SN以及SP等不相连。DN隔离区303当中的结构分别包括衬底、上层的外延层、衬底以及外延层当中的DN结构，且在其中包含着SN，SiO2层主要表现在外延层上，且在其正上方则主要是正面金属结构，打开后，其中包括了钝化层以及与衬底之间相连接的DN结构。

DN连通区304结构主要是基于与DN隔离区303相似的结构层，与之具有一定差异之处的结构主要表现为在连接衬底后的DN结构之外，正面金属与SN相连，且这一结构区当中通过正面金属，SN与NP1区302以及NP2区306中间的SP相连接。关于NP2区306以及NPN2区305的整体结构上存在着一定的相似之处，在外延层结构基础上，内部包含DP，随后则是SN结构，SiO2层同样处于外延层上，打开之后，其中的正面金属促使两个区之间相互连接，但是NPN1区301的正面金属与NPN2区305的正面金属不相连。

2.2.2双向NPN穿通型超低压TVS结构制备技术

制备衬底211以及外延层212的准备过程，需要建立在N型低阻单晶硅基础上，最终形成P型的高阻单晶硅层，在制备DN211的过程当中，需要通过掺杂POCL3工艺技术，促使形成的高温能够逐渐蔓延到DN当中，并最终能够连通衬底211效果。在制备SP231时，在高浓度P型杂质当中注入离子，制备DP241时，在P型杂质当中注入离子，以高温环境促使其退火，制备SN251时，将P元素通过POCL3工艺技术等掺入到其中，并同样应用到高温退火工艺技术。制备引线孔时，需要充分考虑到有关SiO2层的261沉淀累积，并做好光刻技术，对SiO2层实施刻蚀

[4]。在制备正面金属271的过程当中，需要沉淀金属层，并实施光刻，随后对金属层实施刻蚀，最后进入到去胶环节。在对钝化层281的制备过程当中，注意SiO2层的沉淀，以及SiN的沉淀，做好光刻处理，对SiN实施刻蚀，随后对SiO2实施刻蚀，并去胶。在封装过程当中，需要严格按照相关技术需求以及专利技术当中的标准，做好背面减薄处理。

3 低漏电低电容静电保护器件( LLEPD-LC05 )芯片研发技术特点

静电保护器件( LLEPD-LC05 )芯片能够广泛应用到手持信号传输设备当中，进而经过近年来的发展，促使静电保护器装置成为了电子设备的核心组成部分，随着电子电路逐渐提升的运算速度以及低功耗的需求等，对组成电子电路的各种电子器件，更是面临着较大的考验，既需要功能提升增加，也需要寄生影响小，以适应兼容性。基于低漏电低电容静电保护器件( LLEPD-LC05 )芯片研发技术特点进行研究分析发现，由于我国的发展时间相对较短，因此，相较于国外充足的人力物力以及精力，国内的发展经验相对较为匮乏，技术壁垒的影响之下促使静电保护器件芯片的研发存在着重重阻碍。因此在实际研发过程当中，改变了以往的台面结构TVS应用，转化为适用于下行化封装的静电保护器件效果。以更加可靠的自主专利技术实施研发创新，并能够形成更加新颖的结构设计效果，在技术创新下，形成了更加完善的低漏电低电容静电保护器件( LLEPD-LC05 )芯片。经过进一步研究发现，该项目相较于国内产品以及国外顶尖产品等能够行程相对较为良好的性能体现，具体参数值如表1所示。

表1 低漏电低电容静电保护器件芯片数据对比表

技术指标	本项目	国内传统产品	国外进口产品
反向电压（V）	5	6.8	5
反向漏电（nA）	50	62	49
结电容（pF）	0.21	0.5	0.22
静电防护（KV）	≥8	≥8	≥8

3.1技术创新点

低漏电低电容静电保护器件芯片研发过程当中的特点主要是基于对以往所应用到的静电保护器件所不同的创新应用效果，在该项目当中呈现出的最终结果以更加创新的穿通器件结构应用构成了三极管的传统击穿效应，实现了对低电压的穿击触发效果。并且在结构当中应用到更加创新的高阻外延层结构技术以及深结工艺技术，创新了器件结构，形成了更加良好的降低结电容的效果。同时以我国以往的静电保护器件所未应用过的高浓度衬底以及高浓度深结结构等，形成了低漏电的应用效果，解决了反向漏电产生的问题。

3.2技术特点以及指标

该项目当中应用到的研发技术不仅仅是呈现出相对较好的创新特点，降低寄生效应影响及降低功耗等基础的使用效果，或是以更加新颖的三极管穿通击穿效应等，促使低漏电低电容静电保护器件芯片在使用过程当中能够呈现出较好的低电压工作效果，这样的特点既能够达到对电子电路的保护作用，也能够降低电能损耗。高阻外延技术研究，可实现达到150 Ω.cm的低掺杂浓度，有效的降低结电容。深结掺杂技术研究，可形成高浓度的接触结，有效的降低了反向漏电流，优化结构设计，实现穿通结构同时，避免寄生效应。基于该项目当中所涉及到的芯片等，均由公司自行开发设计，享有既定知识产权保护，且能够达到国内外的先进技术水平，促使我国不再使用进口设备，转而应用到国产设备代替进口[5]。在相应的技术指标设计过程当中，基于低漏电低电容静电保护器件芯片的研发，一般情况下的反向电压设定需要处于4.5~5.5V之间，而本项目最终适应的电压则为5V，结电容需要小于0.5pF，而本项目最终的参数表现为0.21pF，反向漏电需要控制在100nA以下，而本项目最终的反向漏电值则为50nA以内。

结束语：电子行业作为科学技术发展取得显著成效的代表性行业之一，在长久以来的发展进程当中对我国的经济发展起到了积极促进作用，但是在实际当中，由于电力电路在生产运行过程当中会出现明显的静电放电问题，造成相关电子设备的损坏，因此需要应用到更加先进的静电保护器件实施有效的保护作用，本文结合了上海芯石半导体股份有限公司研发的低漏电低电容静电保护器件(LLEPD-LC05) 芯片工程，研究了其中的关键性技术以及创新特点等，进而以求为我国的电子行业发展提供有效助力。

参考文献：

[1]王志明. 应用于CAN总线静电保护的低电容TVS二极管设计[D].电子科技大学,2021.

[2]程然. 用于FlexRay通讯总线的静电保护芯片的设计[D].电子科技大学,2021.

[3]唐晓琦. 多路静电保护TVS阵列的低电容高浪涌研究及仿真设计[D].北京工业大学,2016.

[4]陈海军. 集成电路静电保护网络及器件特性研究和设计优化[D].西安电子科技大学,2015.

[5]安森美半导体推出新的超低电容静电放电(ESD)保护器件[J].电子与电脑,2007(11):26.