ESD增強型器件推動超高頻放大器在汽車電子中的應(yīng)用

1、    ESD增強型器件推動超高頻放大器在汽車電子中的應(yīng)用汽車制造業(yè)在超高頻(UHF)頻段的應(yīng)用要求晶體管不但具有良好的射頻性能，還要很好魯棒性。英飛凌公司生產(chǎn)的BFP460正是一款對應(yīng)于這種應(yīng)用的通用的晶體管，它是靜電釋放(ESD)增強型器件。它受益于具有23GHz轉(zhuǎn)換頻率的雙極硅加工技術(shù)，能夠安全地承受任意一對引腳間1500V的ESD脈沖。 這種新型器件的有效性將在一種超高頻低噪聲放大器LNA中得以展示，這種放大器對在汽車制造業(yè)中使用非常理想。 現(xiàn)在各種各樣的汽車系統(tǒng)都利用了RF技術(shù)，汽車制造業(yè)在超高頻(UHF)頻段的應(yīng)用要求晶體管不但具有良好的射頻

2、性能，還要很好魯棒性。英飛凌公司生產(chǎn)的BFP460正是一款對應(yīng)于這種應(yīng)用的通用的晶體管，它是靜電釋放(ESD)增強型器件。它受益于具有23GHz轉(zhuǎn)換頻率的雙極硅加工技術(shù)，能夠安全地承受任意一對引腳間1500V的ESD脈沖。這種新型器件的有效性將在一種超高頻低噪聲放大器LNA中得以展示，這種放大器對在汽車制造業(yè)中使用非常理想?，F(xiàn)在各種各樣的汽車系統(tǒng)都利用了RF技術(shù)，包括無鍵遙控輸入(RKE)、GPS、衛(wèi)星數(shù)字式聲頻無線電服務(wù)(SDARS)和輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)(TPMS)。這些系統(tǒng)中的每一個都要求射頻模塊具有成本低、耐用度/強度高的優(yōu)良性能(表1)。由于RF器件按照越小的尺寸為越高的頻率所使用的這一

3、規(guī)定，所以當(dāng)擊穿電壓下降(從典型值50 V 到3 V左右)的時候，它們有呈現(xiàn)出更高的電流密度(在一個典型的晶體管的工作點上大約3mA/m2或300,000A/cm2)的趨勢。擊穿電壓和最適宜的電流密度是由集電極的厚度和所摻雜質(zhì)決定的。對于一個高轉(zhuǎn)換頻率，集電極必須要薄。為了得到高增益，所有內(nèi)部寄生電容必須要小，這是橫向尺寸規(guī)格縮小的推動因素，但是同時也使晶體管的ESD更容易損壞。嚴(yán)格的晶體管ESD損壞機制研究表明在器件ESD的強度上仍有提升的空間。分立的BFP460晶體管加入了一些這樣的研究結(jié)果，目的是承受當(dāng)達到23 GHz的截止頻率時1500V的人體模型(HBM)脈沖，在1.8 GHz時有1

4、7.5 dB的最大穩(wěn)定增益和1.1 dB的最小噪聲數(shù)字。最廣泛被使用的ESD 測試標(biāo)準(zhǔn)是HBM，詳見MIL STD 883D 。在這個標(biāo)準(zhǔn)中，一個100pF的電容被參考電壓VREF充電。隨后參考電壓被斷開，在測試中，當(dāng)當(dāng)電容經(jīng)過一系列的1,500電阻接到待測器件上的時候又會被充電。這個電路裝置可以被看成電流源。當(dāng)參考電壓為100 V時，被用來作為對ESD來說具有器件體積小和靈敏度更高的低噪聲晶體管，而當(dāng)電壓達到5,000 V時，則被用作較舊式的，較低性能的大體積晶體管。DUT被認(rèn)為是一種評定特殊ESD等級的方式，即在電壓值為VREF的時候，它能經(jīng)受得住這些測試的考驗，且其性能沒有下降，也沒有出

5、現(xiàn)故障。盡管ESD測試如今也可能用到晶片上芯片等級的評定上，但作為代表的是其已在封裝器件中得以使用。作為一種對人體標(biāo)準(zhǔn)可供選擇的方法，傳輸線脈沖測量(TLP)經(jīng)常被用來估計ESD的容限。一個ESD 脈沖最好被理解成器件內(nèi)部的一個急劇電流波動。對于第一階的近似值來說，假設(shè)在器件經(jīng)歷這個電流波動期間整個事件發(fā)生的非?？煲灾劣跓崃慷紒聿患皞鞑ズ拖牡脑?，它就是有效的。結(jié)果，由ESD感應(yīng)電流波動引起的溫度上升與電流密度的平方成正比，而且電流密度存在一個極限值，超過這個值實際上就會使器件中的硅熔化。事實上，硅材料的融化會導(dǎo)致器件故障。由于電流密度是導(dǎo)致器件故障的關(guān)鍵一條，所以具有較大發(fā)射極邊緣面或面積的

6、晶體管就比小一些的更耐用。與普遍看法相反，在集電極-發(fā)射極之間的擊穿電壓VCEO與其阻抗和ESD損壞并沒有相互關(guān)系。為了提高耐用性，RF集成電路設(shè)計師們已經(jīng)開發(fā)了ESD內(nèi)部保護結(jié)構(gòu)，用來幫助保護ESD靈敏的RF輸入和輸出端免受有害ESD事件的影響。但比較遺憾的是這些保護結(jié)構(gòu)也在RF端加入了寄生電容，電感和損耗，因此導(dǎo)致其性能下降，同時也使得這種結(jié)構(gòu)不適合與分立器件(對性能要求更高)一起使用。在一個像雙極晶體管這樣的三引腳器件中，經(jīng)由器件的任意兩個引腳一共有六種可能的方式來應(yīng)用ESD 脈沖，而未使用的器件引腳仍然是開路(未連接)。通常當(dāng)ESD 脈沖反方向接在PN結(jié)兩端的時候晶體管最容易損壞。而依

7、賴于特殊半導(dǎo)體工藝技術(shù)，集電極-基極結(jié)通常是微弱的連接在RF晶體管上。在發(fā)生ESD期間，基極-集電極的空間電荷被壓入高度摻雜質(zhì)的底層(或RF IC中的隱埋層)。這種情形與所謂的Kirk效應(yīng)非常相似。幾乎整個晶體管的電壓都加在了集電極地層，增強了這個區(qū)域的磁場強度(集電極區(qū)域的自由電子密度已經(jīng)超過了摻雜密度)。因為集電極的自由電荷必須被極性相反的電荷補償，它們能夠中和的唯一的區(qū)域就是高度摻雜層(或隱埋層)。就硅而言，如果這個磁場達到了大約3×105V/cm的內(nèi)部擊穿磁場強度的時候，那么大量的撞擊離子就出現(xiàn)了。形成了更多的自由載體(電子和空穴)并發(fā)生逃逸，同時外部電壓擊穿。在VCEO突變

8、后的這種作用在參考1中被稱為“二次激變”。ESD脈沖包含的大多數(shù)能量都被釋放在磁場強度最高的地方，這一點增加了局部器件溫度。由于具有內(nèi)在傳導(dǎo)機制，這反而又增加了自由載體的數(shù)量。借助于一個正反饋機制這個過程就這樣周而復(fù)始的繼續(xù)下去，結(jié)果，電流會逐漸聚集一個越來越小的點上，隨后硅材料會被融化并燒毀。在某種程度上，電流路徑上一系列分布阻抗能夠幫助避免ESD感應(yīng)波動電流的聚集。一系列的阻抗使得波動電流呈分布狀態(tài)，并能幫助避免隨后的破壞發(fā)生。晶體管單元的細心設(shè)計也能幫助避免此類破壞作用。例如，晶體殘缺不完整，邊緣過于鋒利，拐角的斷開都可以導(dǎo)致局部電場強度增加，這些缺陷都是應(yīng)該被避免的。一個減少ESD感應(yīng)

9、磁場的直接方式是通過選擇降低層中摻雜質(zhì)的密度，用來分散相反極性的電荷更加深入的進入層內(nèi)?？蛇z憾的是，這種方法影響了層阻抗(和RF性能)。一種更好的方法是在底層和集電極區(qū)域之間插入一個過渡層。這個過渡區(qū)域的摻雜質(zhì)密集度要比活躍的集電極區(qū)域高，但是要比底層的低；盡管如此，它必須要足夠高到使這個過渡區(qū)在正常的工作中可以被當(dāng)作一個層(圖1)。這種設(shè)計方法被運用到了BFP460中用來把ESD的容限從300V提升到1500V(具有64um2發(fā)射極區(qū)域的封裝器件)。仿真性能利用DESSIS CAE仿真器可以獲取更多ESD的機制。過程仿真器DIOS作為基本射頻晶體管單元分析的第一步，可用在兩種配置下，即帶有或

10、者不帶緩沖層。在ESD仿真中，要為物理模型設(shè)計一個HBM電路，且電容器的放電可以在時域內(nèi)計算出來。由于反向脈沖負載下的基極集電極的性能很差，因而常用來做分析。參考電容可以達到3000V并且最高電流密度可達到12.6 mA/m2(圖2)。對于普通的晶體管，場的異常高區(qū)域通常在集電極襯底層邊緣處，然而可以利用緩沖區(qū)來有效的降低它，這是由于ESD電流中的自由電子的補償作用分布的更深更廣。而且在內(nèi)部基極連接處，很高的電流密度也會導(dǎo)致高能電場的產(chǎn)生。通過對很多案例分析發(fā)現(xiàn)，該處的硅已經(jīng)融化了。圖3中的電流-電壓(I-V)曲線顯示了緩沖層的作用。曲線是在很多時間段上繪制的，利用箭頭合標(biāo)記來標(biāo)明時間的發(fā)展方

11、向。雪崩效應(yīng)和電壓崩潰的并發(fā)造成了曲線前端的不穩(wěn)定，這是由自由空穴引起的但不影響ESD分析。帶有緩沖層的器件具有負斜率的I-V特性：如果雪崩效應(yīng)在一點變得強烈，該處的電壓會上升。如果電壓穩(wěn)定并均衡，就不會出現(xiàn)電流擁擠的現(xiàn)象。在分散的射頻晶體管的生產(chǎn)向英飛凌的新流程“自排列雙極性方法”的過渡中，有機會對BFP460做新的設(shè)計。在新流程中，發(fā)射極是利用對n極層的沉積來取代以前摻雜砷的方法。該方法嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程的參數(shù)，并在參數(shù)的小范圍內(nèi)實現(xiàn)對晶體管高容量運行的控制。例如平板射頻晶體管的直流電流增益(hFE)通常在一個很寬的范圍內(nèi)分布，但在BFP460的生產(chǎn)中，卻在很小的范圍內(nèi)(100到150之間)可控。盡管ESD增強的晶體管的適用范圍很廣(圖4)，但在超高頻的寬帶反饋的LNA(低噪聲放大器)中仍采用BFP460。這種特殊的LNA可在315和434MHz上增強RKE和TPMS的射頻芯片接收器的范圍和敏感度，它由九部分組成，其中包括BFP460晶體管。為了降低成本，用電阻和電容來替代貼片電感(感應(yīng)器)。其應(yīng)用板上帶有一種可選的低功耗極總帶通濾波器，中心頻率設(shè)為315MHz，并可重設(shè)為434MHz，可以用來降低通帶外被過濾掉的