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STN-LCD高压驱动电路的可靠性设计
东南大学 硕士学位论文 STN-LCD高压驱动电路的可靠性设计 姓名：蒋红利 申请学位级别：硕士 专业：软件工程 指导教师：吴金;郭良权
摘要摘要液晶显示器ＬＣＤ以其低压、微功耗、显示信息量大、体积小、易于彩色化、无辐射、长寿命等 优点而得到迅速发展。而ＳＴＮ．ＬＣＤ相对于ＴＦＴ－ＬＣＤ、ＴＩＮ―ＬＣＤ，性价比高，显示品质好，采用多路 动态驱动，广泛应用于移动电话、计算器、ＰＤＡ、家用智能仪器仪表、汽车面板及其它便携式产品 上的信息显示上。ＳＴＮ．ＬＣＤ驱动电路的可靠性技术要求较高，目前市场上的ＳＴＮ―ＬＣＤ驱动电路市 场主要被韩国、日本、台湾和香港的设计公司产品所占领，国内集成电路设计公司涉入该领域的相 对较少，系列产品不多，技术水平不高，竞争力差，虽然价格较低也难以与国外公司抗衡。 本论文以中规模的黑白ＳＴＮ―ＬＣＤ驱动电路设计为契入点，研究设计了系列ＳＴＮ．ＬＣＤ驱动产品， 重点对ＳＴＮ。ＬＣＤ高压驱动电路的可靠性进行了深入研究，具体研究内容包括ＬＣＤ高压驱动电路的 高低压兼容工艺实现、高低压兼容的版图可靠性设计、电路抗干扰ＥＭＩ设计及验证等。论文研究采 用的方法：参考市场成熟样品，主体逻辑线路逆向仿制，工艺、版图采用自主正向设计方法，工艺在中国电子第５８研究所（简称５８所）内部自主研发。论文研究结合了工程试验手段、设计经验及理论指导。论文取得的成果：?自主研发的高压工艺兼容常压ＣＭＯＳ工艺，工艺稳定性好，工艺窗口大， 成品率高，达到了批量生产的要求，已用于多个ＬＣＤ高压驱动电路的生产研制，客户反馈良好，并 通过可靠性设计切实地提高了ＳＴＮ．ＬＣＤ高压驱动电路的ＥＳＤ性能和抗闩锁性能，增强了电路在应 用中的可靠性。 本论文的研究成果有利于提高国内ＬＣＤ系列驱动电路的可靠性设计水平，在其基础上可继续深 入的研究更大规模、更高耐压的ＳＴＮ．ＬＣＤ驱动电路，?也可供其它同类电路的设计借鉴和应用。关：踺词：ＳＴＮ．ＬＣＤ高压驱动电路；高低压兼容ＣＭＯＳ工艺：高压ＣＭＯＳ结构；版图可靠性设计；逻辑抗干扰ＥＭＩ设计ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＢｙｌｏｗ―ｖｏｌｔａｇｅ，ｍｉｃｒｏ－ｐｏｗｅｒ，ｌａｒｇｅ―ｃｏｎｔｅｎｔ，ｓｍａｌｌ－ｃｕｂａｇｅ，ｅａｓｙ－ｃｏｌｏｒ，ｎｏｎ－ｒａｄｉａｔｅ，ｌｏｎｇ―ｌｉｆｅ，ａｎｄｓｏ ｏｎ，ＬＣＤ ｄｉｓｐｌａｙ ｇｅｔｓ ｐｒｏｍｐｔ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｂｕｔ ＳＴＮ―ＬＣＤ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ｐｅｒｆｏｍａｎｃｅ－ｐｒｉｃｅ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｂｅｔｔｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ ＴＦＴ－ＬＣＤ，＂Ｉ Ｎ―ＬＣＤ，ｏｎ ａｄｏｐｔ ｍｕｌｔｉ－ｐａｔｈ ｄｒｉｖｅｒ，ａｐｐｌｙｉｎｇ ｔｏ ｂｒｏａｄｌｙ ｃｅｌｌｕｌａｒ ｐｈｏｎｅ，ｃａｌｃｕｌａｔｏｒ， ＰＤＡ，ｈｏｕｓｅｈｏｌｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ａｐｐｅａｒａｎｃｅ，ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｆａｃｅ ｐｌｙ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｔｙｐｅ ｐｒｏｄｕｃｔ． ＳＴＮ－ＬＣＤ ｍａｒｋｅｔｐｌａｃｅ ｆｉｅｌｄ ｉｓ ｃａｐｔｕｒｅｄ ｂｙ Ｋｏｒｅａ Ｒｅｐｕｂｌｉｃ，Ｊａｐａｎ，Ｔａｉｗａｎ ａｎｄ Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ ａｔ ＩＣｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｎｏｔｄｅｓｉｇｎ ｃｏｍｐａｎｙ ｉｎ ｔｈｅ ｈｏｍｅｌａｎｄ ｇｏｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｒｅｌａｔｉｖｅｒｌｙ ｌｅｓｓ，ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｉｓｍａｎｙ，ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｌｅｖｅｌ ｉｓ ｎｏｔ ｈｉｇｌｌ，ｃｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ ｉｓ ｂａｄ，ｔｈｏｕｇｈ ｉｔｓ ｐｒｉｃｅ ｉｓ ｌｏｗ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ，ｂｕｔ ｉｔ ｉｓ ａｌｓｏ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｃｏｎｔｅｎｄ ｗｉｍ ａｂｒｏａｄｃｏｍｐａｎｙ．ａｓＴａｋｉｎｇ ｍｉｄｄｌｅ－ｓｃａｌｅ ｂｌａｃｋ ａｎｄ ｗｈｉｔｅ ＳＴＮ－ＬＣＤ ｄｉｖｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔｔｈｅｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ｐｏ缸，ｔｈｅｔｈｅｓｉｓ ｓｔｕｄｉｅｓａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｓＳＴＮ－ＬＣＤａｓｅｒｉｅｓ ＳＴＮ－ＬＣＤ ｄｒｉｖｅｒ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ａｎｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓｄｒｉｖｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｙｏｕｔｏｎｈａｖｉｎｇ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅｒｅｌｉａｂｉｌｉ哆ｃｏｍｐａｔｉｂｌｙ ｗｉｔｈｈｉｇｈ―ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄｌｏｗ?ｖｏｌｔａｇｅ，ＩＣ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅａｎｔｉ－ｉ．ｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ＥＭＩ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄｖｅｒｉｆｙｉｎｇ．Ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｓｔｕｄｉｅｓｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｌｏｇｉｃ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄｌａｙｏｕｔ ｉｓ ｓｅｌｌｓｔｏｃｏｎｓｕｌｔ ｔｈｅ ｍａｔｕｒｅ ｓａｍｐｌｅ ｉｎ ｍａｒｋｅｔｐｌａｃｅ，ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ ａｎｄｏｎｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｌｙａｔｆｏｒｗａｒｄ ｐｒｏｃｅｄｕ／ｅｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ＩＣ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅ！ｐｕｔ ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃｅＧｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ Ｎｏ．５８ Ｒｅａｅａｒｅｈ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｗｉｔｌｌ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｏｗｎ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ．Ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ ｇｕｉｄａｎｃｅ．Ｔｈｅ ｔｈｅｓｉｓ’Ｓｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｍｂｉｎｅｓ谢ｔｌｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔｅｓｔｓ．ｄｅｓｉｇｎａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｉｓｔｈａｔｔｈｅＣＭＯＳｐｒｏｃｅｓｓｃｏｍｐａｔｉｂｌｙｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅｅｘｐｌｏｉｔｅｄａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｌｙ ｉｓ ｏｆ ｇｏｏｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ，ｂｉｇｐｒｏｃｅｓｓ―ｗｉｎｄｏｗ，ｈｉｇｌｌｐｒｏｄｕｃｔ ｒａｔｉｏ ａｎｄ ｈａｓｒｅａｃｈｅｄ ｔｈｅ ｒｅｑｕｅｓｔ ａｎｄｇｅｔｓｍａｓｓ－ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ，ｎｏｗ ｍｏｒｅ ＬＣＤ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｉｖｅｒｓ ａｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗｃｕｓｔｅｒ’Ｓ ｆｉｎｅｒ ｒｅｃｏｇｎｉｚａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ，ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ＥＳＤ ａｎｄ Ｌａｔｃｈ－ｕｐｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ ｔｈｅ ＳＴＮ－ＬＣＤ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅｄｒｉｖｅ，ｅｎｈａｎｃｅｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｉｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ｔｏＴｈｅｔｈｅｓｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｒｅｓｕｌｔ ａｂｏｕｔ ＳＴＮ－ＬＣＤ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｉｖｅｒｓ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｌｅｖｅｌｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｈｏｍｅｌａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｈｅ ｍｏｒｅａｎｄｑｕａｌｉｔｙ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ，ｉｔ ｉｓ ｆｅａｓｉｂｅ ｔｏ ｃｏｎｔｉｎｕｅｔｈｏｒｏｕｇｈ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｕｓｅｄ ｆｏｒｌａｒｇｅ―ｓｃａｌｅ，ｈｉｇｈｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅＳＴＮ－ＬＣＤｄｒｉｖｅｒ，ａｎｄａｌｓｏ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｉｓ ａｂｌｅ ｔｏ ａｐｐｌｉｅｄ ａｎｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｂｙ ｏｔｈｅｒｓｉｍｉｌａｒ ｋｉｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳＴＮ．ＬＣＤｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅｄｒｉｖｅｒ；ＣＭＯＳ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｍｐａｔｉｂｌｙ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ；Ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ＣＭＯＳｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｌａｙｏｕｔｄｅｓｉｇｎｆｏｒ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ＬｏｇｉｃＥＭＩ ｄｅｓｉｇｎＩＩ东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。研究生签名：东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名：第１章绪论第１章绪论１．１课题背景与意义目前，显示技术和显示上业的迅速发展，一方面是建立在现代社会信息技术的高速发展上，另 一方面也是建立在电子与材料－Ｔ业的基础之上。显示器件种类繁多，各具特色，各自具有不同的应 用领域。显示器件总体的发展趋势是人信息量、平板化、低压、微功耗，实时显示化、环保等。 采用模拟驱动方式的ＣＲＴ作为发展最悠久的显示器件，具有信息量大，工艺成熟，显示效果佳、 质量可靠等优势，并继续向提高分辨率、小型化大型化、平面化及提高内在质量等向前发展。各类 平板显示器件的异军突起，克服了ＣＲＴ固有的空间体积大、工作电压高、功耗大、不能和火规模集 成电路匹配、软Ｘ射线等缺点，其发展备受关注。平板显示器件种类繁多，主要有：平板场发射显 示器件（Ｆｉｅｌｄ （ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｉｓｐｌａｙ ＥｍｉｔｔｅｒＤｉｓｐｌａｙ，ＦＥＤ）、液晶显示器件（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌＤｉｓｐｌａｙ，ＬＣＤ）、电致发光显示ＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔＤｉｓｐｌａｙ，ＥＬ）、发光二极管（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ，ＬＥＤ）、等离子显示（ＰｌａｓｍａＰａｎｅｌ，ＰＤＰ）、荧光显示器件（ＶａｃｕｕｍＦｌｕｏ固ｃｅｎｔ Ｄｉｓｐｌａｙ，ＶＦＤ）等，以及其他一些新型平板显Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ，示器件，如有机电致发光器件（ｏ唱ａｎｉｃ Ｅｍｉｔｔｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ，ＯＥＬ）、也称为（ＯｒｇａｎｉｃＯＬＥＤ）、数字微镜显示器（Ｄｉｇｉｔａｌ ＭｉｃｒｏＳｃｏｐｅ Ｄｉｓｐｌａｙ，ＤＭＤ）、表面传导电子发射显示器 （Ｓｕｒｆａｃｅ－ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ－ｅｍｉｔｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ，ＳＥＤ）等。 这些平板显示器件，有些技术已发展成熟，有些正在发展中，各自具有不同的特性和优缺点， 应用于不同的显示场合，不能互相完全替代，互相竞争又互相促进。其中，液晶显示器ＬＣＤ以其特 有的低压、微功耗、显示信息量大、体积小、易于彩色化、无辐射、长寿命且易于集成电路集成等 优点得到迅速发展。目前ＬＣＤ技术发展已成熟，种类繁多，显示品质高，性价比优，在高低端都占 有较大的市场份额。虽然有一些新型的平板显示器如ＯＬＥＤ及ＤＭＤ对其造成一定的冲击，但由于 寿命、价格等因素限制，目前在所有的平板显示器件中，ＬＣＤ液晶显示器件的主流地位仍无可替代。 ＬＣＤ按照发展历程又可分为扭曲向列（Ｔｗｉｓｔ Ｎｅｍａｔｉｃ，ＴＮ）、超扭曲向列（Ｓｕｐｅｒ ＳＴＮ）及薄膜场效应晶体管（ＴｈｉｎＦｉｌｍ Ｔｗｉｓｔ Ｎｅｍａｔｉｃ，Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，Ⅱ可）等三种低中高档型器件。其中ＴＦＴ－ＬＣＤ为有源矩阵驱动，显示品质最好，可实现全彩色化，面板尺寸大，技术含量最高，成本高，主要应用于高端的笔记本电脑，液晶电视等。ＴＮ。ＬＣＤ和ＳＴＮ－ＬＣＤ都采用直接驱动法进行驱动，两者的差异只是 在扭曲角度的不同。两者相比，ＴＮ－ＬＣＤ由于驱动电压低，阈值电压不明显，故存在电光响应的陡度不够，电光相应速度慢：光透过和关闭不彻底，易产生串扰及半亮度显示等缺点，故多采用静态驱动或少于４路的动态驱动，主要应用于计算器、简单的仪器仪表等的段式或简单字符的显示。 ．ＳＴＮ．ＬＣＤ的工作原理属于双折射光学干涉效应，属于有色模式，利用光学相位差膜进行光学补偿形 式和滤色形式可实现ＳＴＮ的黑白模式。ＳＴＮ．ＬＣＤ驱动电压更高，响应速度更快，电光响应曲线陡 度更高，适用于多路动态驱动显示，可应用于中小面板的多位笔段式、字符、点阵图形的黑白、灰度及彩色显示。ＳＴＮ．ＬＣＤ相对于ＴＦｒ－ＬＣＤ、ＴＮ．ＬＣＤ，性价比高，显示品质好，广泛应用于移动电末ｍ＾学１６程ｍ ｌ学位葩空话、计算器、ＰＤＡ、家川智能仪器仪表、智能玩具、医疗器械、汽车面板及其它便携式产晶上的信 息显示。 实际应用中ＳＴＮ―ＬＣＤ渡品显示常以液晶显示模纽ＬＣＭ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｍｌＭｏｄｕｌｅ）的形式山现，ＬＣＭ模组通常包含ＬＣＤ液晶模块，通州的微控制器或单片机芯片．ＬＣＤ专川驱动控制集成电路平¨相应的指令系统。ＬＣＤ在具体产品中的可靠显示依赖于ＬｃＭ模组的可靠麻川。ＬＣＤ液晶显示器什 的显示原理和特性决定其需要配套寺Ｊ｛｛的驱动控制集成电路，且对驱动－Ｕ路的可靠性要求高，１Ｆ专州的驱动电路或者驱动电路可靠性莘将会影响整ＬＣＭ的显示品质、ｕ，靠性ｔ受缩短液晶寿命。ＳＴＮ―ＬＣＤ的驱动电压为十儿伏一Ｌ十伏的高压驱动，量产型的可靠性设计技术相对丁一般的常骶数 字集成电路更难。在液品麻埘产品中，只有ＬｃＭ摸组中的弃芯片性能具备高的稳定可靠性和合理的价格，一能充分体现ＬＣＤ液品显示特有的优势，使产品且有更好的性价比和竞争力，在平板显示领域，在保持其主流地位的基础上赢得更多的市场份额，促进ＬＣＤ自身及其它平板显示技术不断地向前发展。１．２国内外研究现状ＬＣＤ产业链包括上游液晶显示材料．中游液晶显示面板及下游应删产品等，且体如Ｆ酬１ ｌ所 示。其中液晶显示模纽ＬＣＭ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａＬＭｏｄｕｌｅ）在整个产业链中属ｒ中游产肫。其基本组件包括 ＬＣＤ显示屏ｆ包括背光源）、ＬＣＤ驱动控制电路及单片机微控制器电路等，还包括相廊的指令系统。围匝互田圈回困圈回回回圈ｌ『Ｈ＃ ，Ｉ冈Ｕ团图匝盈 回国圈围困：秽韶。ｉ豁。嚣鬟：冀ｉｌＩＶＤＬ““‘ｗ－￥围ｌｌＬＣＤ产业链在目前ＬｅＤ产业链的发展当中，日本、韩国、我国台湾由于发展较早，产业链完善。我国内地 ＬＣＤ产业链在近年来发展较快，ＴＮ．ＬＣＤ已初具搦模，ＳＴＮ．ＬＣＤ太规模建成，特别是ＴＩ丌＇－ＬＣＤ的 兴起将逐渐打破日韩的垄断，成为全球第四个ＴＦＴ－ＬＣＤ的产业基地。但我国内地液晶设备就其规模 和水平来看．与ＬＣＤ器件和相关材料比，仍显得滞后一些，与日本、韩国相比，仍有相当的距离， 国内多鼓的ＬＣＭ面扳厂商采用国外的ＬＣＤ驱动器甚片。第ｌ章绪论随着人屏幕显示器件如液晶电视、笔记本电脑及小屏幕的手持式终端设备的发展，ＬＣＤ面板及 驱动芯片的竞争越来越激烈，国内企业将直接与日本、韩国及我国台湾地区的厂商进行激烈碰撞。 ＬＣＤ驱动芯片虽然入坎低，但其可靠性要求高。在ＬＣＤ驱动芯片领域中，最具竞争力的是我国的 台湾公司和香港公司，及日韩设计公司，如香港的品门科技、台湾的联发科、联咏、矽创、合泰等， 韩国的三星、ＬＧ等，日本的ＮＥＣ、三洋、日立等。国内集成电路设计公司涉入该领域的相对较少， 虽然有部分厂商在自主研发ＬＣＤ驱动芯片，价格上与国外的芯片比有一定优势，但技术水平不高， 可靠性方面还差很远，且还未形成体系，难以与国外公司抗衡。 虽然ＳＴＮ．ＬＣＤ驱动电路有Ｊ“阔的市场前景，但各厂商的竞争也日趋激烈。这对于国内企业， 既是机遇，也是挑战。国内自主研发的ＬＣＤ驱动电路还未形成规模及未形成具有核心优势的技术积 累，对于ＬＣＤ驱动芯片而言，量产型的技术、高可靠性技术以及高整合技术成为国内ＩＣ设计公司 发展的重要指标。１．３本文的研究目标和主要内容ＬＣＤ驱动芯片在ＬＣＭ模组中占有重要位置，ＬＣＤ驱动芯片的可靠性：Ｊ：作对于ＬＣＭ模组的可靠工作及ＬＣＤ液晶显示的品质至关重要。ＳＴＮ．ＬＣＤ有广阔市场前景，驱动芯片技术门槛相对较低， 容易切入ｊ本论文以中规模的黑白ＳＴＮ．ＬＣＤ驱动电路设计为契入点，研究设计了系列ＳＴＮ．ＬＣＤ驱 动产品，重点对ＳＴＮ―ＬＣＤ高压驱动电路的可靠性进行了深入研究，具体研究内容包括ＬＣＤ高压驱 动电路的工艺实现、高低压兼容的版图可靠性设计、电路抗干扰设计及验证等。论文研究采用的方 法：参考市场成熟样品，主体逻辑线路逆向仿制，工艺、版图采用自主正向设计方法，工艺在中国 电子第５８研究所（简称中电５８所）内部自主研发。产品从设计、试流片、测试、客户试用反馈，到设 计和工艺的优化改进，再进行流片验证，直到产品各项性能指标达标，工艺稳定，客户满意为止。 高压工艺在常压ＣＭＯＳ工艺上进行自主研发，通过理论分析、样品解剖及工艺试验，不断完善，从 工程批到批量生产，完成对工艺的开发。高低压兼容的版图可靠性设计和电路的抗干扰设计是通过 对电路在实际应用中遇到的问题进行分析、试验定位再进行改进优化的。 本文主要研究内容： １）ＳＴＮ－ＬＣＤ驱动电路的高低压兼容工艺实现； ２）ＳＴＮ．ＬＣＤ高低压兼容的版图可靠性设计； ３）ＳＴＮ．ＬＣＤ驱动电路的逻辑抗干扰设计及验证。１．４论文组织全文共分六章。 第一章为绪论。 第二章对ＳＴＮ．ＬＣＤ显示特性，驱动原理及ＬＣＭ系统模组进行了简明介绍。第三章详述高压驱动电路的高压器件结构、高低压减容工艺实现，从与常压工艺流程对比的方３东南人学＿丁程硕：ｌ：学位论文式，指出了高压ｊ』二艺难点和关键步骤及高压：Ｉ：艺的最终实现。 第四章重点对高低压版图的可靠性设计进行了研究，包括高低压兼容的版图布图技术，高压ＥＳＤ 结构的设计技术、高压ＬＡＴＣＨＵＰ的设计技术。 第五章则从电路线路的ＥＭＩ抗干扰设计出发，针对ＬＣＤ驱动电路在具体应用中出现的问题， 对ＬＣＤ驱动电路的抗干扰性进行了详细的分析设计与改进。 第六章对ＳＴＮ．ＬＣＤ高压驱动电路进行总结与展望。４第２章ＬＣＤ驱动麒Ⅲ＆ＬＣＭ横块结构第２章ＬＣＤ驱动原理及ＬＣＭ模块结构２１引言ＬＣＤ维晶显示器的器件结构乖Ｉ显示原理确定了它自身的各种特性，ＬＣＤ驱动器需要针对液晶显示的特性和驱动原理进行设计。ＬＣＤ产品的具体廊用确定了ＬＣＭ液晶模纽的基本结构和ＬＣＤ驱动 器的基本模块。ＳＴＮ－ＬＣＤ高压驱动电路的可靠性设计是基于液晶本身的特性、ＬｃＭ模组的系统结 构、白身的基本组成模块及具体的应用场合进行设计的。本章先简单描述了ＬＣＤ原理结构和特性，井对比了ＳＴＮ－ＬＣＤ和ＴＮ－ＬＣＤ两种掖晶的显示特性： 重点对ＳＴＮ．ＬＣＤ的动态驱动原理进行了研究；再从系统应ｊ；ＩＩ的角度对ＬＣＤ进行了阐述，如ＬＣＭ模组的构成、目前市场上常片ｊ的ＳＴＮ－ＬＣＤ驱动产品型号及ＬＣＤ驱动器的基本组成模块等。２．２ＬＣＤ结构ＬＣＤ液晶显示器是由两片透明绝缘的填充有均匀液晶流体的有机薄膜或者玻璃，庄底层透明薄膜上镀的一层导电体，项层透明薄膜上按需耍的形状敷的一层透明导电电极构成的，当两端电极通电后，上下两层的导电体之间（约１０Ｗａ）形成了一个电场，液晶流体在电场作用下透光状况就发生变化．对外来光线产生了吸收作用，从而显示出与电极形状相同的字形。ＬＣＤ显示器属于被动发光， 需要有背景光。ＬＣＤ基本结构和开启关闭特性分别如幽２ １和图２．２所示。图２．１ＬＣＤ基本结构图２．２液晶分子在关闭和开启下的两种形态ＬＣＤ的基本特性如下。”低压、徽功耗：极低的Ｊ二作电压，交流电场驱动，工作电流仅为几个微安．低压驱动可使 其与大规模集成电路的低压兼容： ２）体积小：平扳型结构所占空间小，且便于批量、自动化生产等： ３）被动型显示：ＬＣＤ本身不能发光，主要依靠对外羿光的不同反射形成的不同对比度从而达到显示目的；４）显示信息量大；与ＣＲＴ相比．ＬＥＤ无荫覃显示，故其像素点可｜２Ｌ做得更小，更精细；与５东南人学Ｔ程顾，ｆ：学位论文ＰＤＰ相比，其像素点不需要留一定的隔离区，故同样的显示窗面积内，可以容纳更多的像 素，显示更多的信息；５）易于彩色化：主要采用滤色法和干涉法，尤以滤色法技术成熟，使液晶的彩色化更精确、 更鲜艳，没有色失真；６）长寿命：液晶材料是有机高分子合成材料，具有极高的纯度，在极净化的条件下制成，且 液晶的驱动电压低、驱动电流很小，故寿命很长； ７）无辐射、无污染：ＬＣＤ使用时不会产生如ＣＲＴ使用中产生的软ｘ射线及电磁波辐射等。 ＬＣＤ的主要缺点是温度特性不够宽。常温器件的上作温度为０＂Ｃ～４０＂Ｃ，存储温度为．２０℃－－＋６０ ℃：宽温器件的工作温度为．２０℃～７０。Ｃ，存储温度为．３５＂Ｃ－－＋８０＂Ｃ。故拓展ＬＣＤ器件本身的温度特 性是ＬＣＤ今后发展的一个方向。ＴＮ．ＬＣＤ，ＳＴＮ―ＬＣＤ结构基本相同，只是液晶分子的排列扭曲的角度不同，ＴＮ沿面９００扭曲排列，ＳＴＮ沿面１８０。～３６０。扭曲排列，ＳＴＮ相比ＴＮ有更快的响应速度更快，电光响应曲线陡度更高。 两者的基本参数特性比较如表２．１所示，电光转移曲线比较如图２．３‘１６’所示。 表２．１ ＴＮ，ＳＴＮ．ＬＣＤ基本电光参数比较 项目 符号 单位‘ 最小 工作电压 工作电流 工作频率 阂值电压 响应 时间 上升 下降Ｖ０ｐ Ｖ ｕＡ／ＣｌＴｌ２ ＨＺ Ｖ ３２ １．８ ５０ ５０ １００ ｌｏｏ ＋４５ ５：ｌ ２０：１ ’２ ＜１．０ １２８ ３ ２００ ２００ ３２ ２ １００ １００ 士４５ １０：ｌ ＴＮ ＳＴＮ典型．最人５最小３典型最大８Ｉｏｐ厶ｖｔｂ ｔｒ ｔｄ＜１．０ １２８ ５ ２００ ２００ｍＳｍＳ视角范围 对比度ｐＣ度嘣洲图２．３ ＴＮ／ＳＴＮ光电转移曲线Ｖ６第２章ＬＣＤ驱动原理及ＬＣＭ模块结构２．３ ＳＴＮ．ＬＧＤ动态驱动原理液晶驱动是指对液品像素的驱动，像素是液晶显示器件的基本单位，可以被单独控制的最小显 示单元，如七段码中的一个笔段或矩阵显示中的一个点，液品像素的等效模型如图２．４‘１郇所示，为 容性负载。直流电场将导致液晶材料的电化学反应和电极老化，因此液晶像素的电极上需要建立交 流电场，且只有交流电场的有效值人于其阈值电压时，像素才被打开。各种类型的液晶显示器彳，｝：具 有不同的原理特性，施加的驱动电压波形、相位、频率、占空比、有效值都有所不同。 液晶显示器的驱动可分为直接驱动法和有源驱动。其中，直接驱动法按寻址方式又可分为静态 驱动和多路动态驱动，ＴＦＴ－ＬＣＤ主要采用有源驱动，ＴＮ．ＬＣＤ多采用静态驱动，而ＳＴＮ．ＬＣＤ的驱 动常采用动态驱动。动态驱动法是指对时间的动态分割驱动。动态驱动中的液品像素排列为矩阵型 结构，如图２．５所示，通常把水平一组像素的背电极连在一起，称之为行电极或公共极ＣＯＭ极，纵 向一组像素的段电极连在一起，称之为列电极或段电极ＳＥＧ极。动态驱动采用了逐行扫描方式进行 驱动。 动态驱动中有选择点，半选择点，非选择点之分。见图２．５中，当在ＣＯＭ２、ＳＥＧ２上施加一个 脉冲电压时，该交叉点被点亮，为选择点（黑色图形）；在ＣＯＭ２行和ＳＥＧ２列的其余点被称为半选 择点（斜条纹图形），其余点被称为非选择点（ｆｌ色图形）。ＳＥＧ １ １ＳＥＧ２ ＳＥＧ３ ＳＥＧ４ＣＯＭｌＣ ｅ０Ｍ Ｓ图２．４ ＬＣＤ液晶像素的等效模型ＣＯＭ２ ＣＯＭ３ＣＯｌ惜图２．５动态驱动中的驱动像素动态驱动的基本方法有两种：即平均偏压法和最佳偏压法。２．３．１平均偏压法在动态驱动中，如果半选择点的电场电压处于液晶的阈值点附近时，屏上将出现不应有的半显 示现象，使得对比度下降，该现象称为“交叉效应”。同样如果半选择点的电压与各非选择点的电压 不同，也会影响显示效果。解决交叉效可采用平均驱动法，原理是把半选择点上的电压与非选择点电压进行平均化，即适度提高非选择点的电压来抵消半选择点上的一部分电压，从而扩大选择点与 半选择点的电压差距，又使非选择点与半选择点的显示更均匀一致。具体方法如下： 图２．５中，ＣＯＭ２，ＳＥＧ２为选择点【简称为（２，２），下同】。在ＣＯＭ２上施加电压Ｖｌ，其余各行７｛葛襄ａ＇薯ａ－１ Ｉ－砭＝嘉圪∞＝丢‰（２，１），（２，３），（２，４）：盟吃法称为１／ａ偏压的平均电压法，简称为ｌ／ａ偏压法。在这种方法中，ｍａ）【｛ａ－２仁ｔ，ｕ ｕｖＬｃＤ，三圪ｃＤ）将成２．３．２最佳偏压法虽然液晶显示器件选通时的透过率可能会比驱动脉冲宽很多，但只要驱动电压的有效值足够大， 液晶就可以显示，而且，其透过率与有效值成正比。所以，只要确定了选通电压有效值与非选通电 压有效值之比，就可预测显示对比度的好坏。 电压有效值定义：‰＝按照平均电压法原理，有Ｉｖ２产ｌ－ｖｌ／ａ’１），再按照公式２－２，得出：选通电压有效值，（２．２）吃＝８（２－３）第２章ＬＣＤ驱动原理及ＬＣＭ模块结构非选通电压有效值，Ｖｏｇ＝Ｋ（２．４）由此可得Ｖ。。与Ｖｏｆｒ电压之比：．１＋２Ｉ ａ’Ｎ．吃／％＝ａ’ｚ１一三＋竺（２―５）当ｖ。∥。ｆｆ最大时，偏压比ａ，必须满足以下条件：即口ｆ＿√万，故以：√万＋１。代入上式后得：Ｖｍ｜ｖ谚＝、鸟－Ｎ＋Ｉ一厄吾２１１１『一打一ｌ（２－６）占空比与有效电压和偏压比的关系如图２．６ ｕ＂所示，随着占空比的增加，有效电压比减小。占 空比一定时，随着偏压比的增加，有效电压先增加，再减小，故占空比一定时，存在一个最佳偏压 比使得有效比Ⅵ州Ｖ０ｆｊＦ达到最人，此方法称为最佳偏压法。 优值有效电压比与占空比的关系如图２．７ １１６’所示，随着Ｎ的增大，Ｖｏｎ／Ｖｏｆｆ将趋近于ｌ，显示，对比度将趋于Ｏ，使其不能识别。为此，只有提高液晶显示器件阈值电压特性的陡度，这样才能呈 现较好的对比度。喜暑口曰ｊ之一邑丑幽 掣 辍 忙量巷蓑忙售压比?驱动路数Ｎ设阈值陡度Ｐ：哪也，式中‰为饱和电压，此时，有如下关系：图２．６占空比与有效电压比和偏压比图２．７优值Ｖｏｎ肌ｆＩｆ和Ｎ的关系Ｖ也为阈值电压，‰，Ｖ血为液晶材料特性参数。Ⅳ雠＝筹小击数达２５６路以上。陋７，对于ＴＮ－ＬＣＤ，Ｐ＝－Ｉ．２￣１．５，可驱动３￣８路，对于ＳＴＮ．ＬＣＤ，Ｐ可达１．０５以下，可驱动的最大路奎查尘兰三堡壁Ｉ．兰些兰兰最佳偏压法虽然是动态驱动设计中的基本法则，但枉实际应Ⅲ中有时仅作为判断煅高的驱动路数Ｎ．确认液晶闷值陡度要求等的依据。在ＳＴＮ－ＬＣＤ驱动电路的设甜中，住驱动路数一定时，常呆Ｈ｛平均驱动法进行偏爪设计。常川的有ｌｎ偏压法，ｌ聘偏压法和ｌｍ偏压法。一些仪器仪表，计算器等常州１佗偏雕及Ｉ，３偏压。气Ｎ叫时，按最佳俯压法设计，ａ＝２。典型的ｌＢ占空比，ｌＢ偏压波形幽如幽２．８所示。虢懑 漶蹲懑漶强 蹲 强图２．８１／３占空比，１ｍ偏压波形幽２．３３液晶显示驱动关键因素对比度是液晶驱动的一个关键因桑，对比度的表达式为ｃ，＝（ＮＩ／Ｎ２）×１００％。式中，Ｎ１为光 未显示时的透过宰－Ｎ２为光显示时的透过率．对比度越丈．显示就越清楚，反之，则显示暗ｊ毙不清。 ＬＣＤ的对比度与其自身的特性关系较人，如电光特性曲线的陡度等。从电路驱动的角度看对比度的控制主要受下面几个参数的影响。１）偏压电路，最佳偏压比ａ＝√Ｎ＋１，当Ｎ越太时，茜片的工作频率会相应提高，同时偏压 电阻也会因为偏压比的增大而提高，导致备段偏压驱动能力下降，使得对比度下降。为此 应提高偏压输出端的驱动能力，如增加运放缓冲驱动； ２）驱动波形的改善，一般的驱动模块设计简单，无须进行电磁干扰设计，但在高占空比时， 设计精出端被形较荠，影响显示的对比度ｔ应在偏压电路的每个电阻上并联电容，以改善输出波形；３）。Ｉ．作颓率－驱动电路的ｒ作颠率过高，会使对比度变差，可适当降低其工作频率，太低Ｘ 会使屏闪烁； ４）ＬＣＤ驱动电压的增大ｔ可加快藏晶的响应速度，但电压过丈．又可能缩短液晶寿命。为了１０第２章ＬＣＤ驱动原理及ＬＣＭ模块结构改善波形，在不增加驱动电压的基础上进一步增人驱动能力，特别是当液晶器件规模增人 时，此时可在每级分压后再增加一级运放做跟随器，增人驱动能力。另外，一种过驱动技术（ｏ、删ｖｅ）也可平衡该矛盾。过驱动与普通驱动的波形比较如图２．９所示‘１＂。来使用图２．９两种驱动波形的示意图比较２．４ＬＣＭ模块结构ＬＣＤ驱动电路应用广泛，ＬＣＭ模组常嵌入到各种应用产品中，而这些应用产品内部中常集成有电机、继电器、开关电源、高频时钟等电磁干扰源模块，这些干扰源通过导线传导、辐射及共电源 地等方式影响ＬＣＭ模组正常工作的可靠性，可导致不显时或显示异常ｉ 弄清楚ＬＣＭ模组的应用环境、ＬＣＭ子模块结构组成、系统的１：作原理等，有利于对ＬＣＤ驱动 器各模块的可靠性进行更好的设计。２．４．１ＬＣＭ组成及工作原理ＬＣＭ模组的基本组件包括ＬＣＤ液晶显示屏（包括背光源）、ＬＣＤ专用驱动控制电路及微控制器 或单片机控制电路等，还包括相应的指令系统。ＬＣＤ驱动电路，作为微控制器与ＬＣＤ显示模块的 接口电路，可分为不带控制器的行驱动电路、列驱动电路、行列驱动电路和带控制器的行列驱动电 路。行驱动器提供行扫描时序电路，列驱动器与ＭＣＵ接口，对显示的数据进行缓存并提供列驱动 信号，带控制器的驱动电路主要是基于对电路工作模式、显示模式、通信方式的控制。更复杂的ＬＣＤ 驱动器集成了更多其它功能，存储同定显示字符或图形等。 在实际应用中，ＬＣＤ驱动器可级联使用，以驱动更大的显示屏，此时一块行驱动器工作于主控 制模式，产生并提供ＬＣＤ显示所需的时钟控制电路，其余的行驱动器工作于从模式，而列驱动器提供与ＭＣＵ的接１３及对显示数据的缓冲、存储及驱动。ＬＣＭ应用模组框图如图２．１０所示。目前市场上有三星公司生产的行列驱动电路ＫＳ０１０７、ＫＳ０１０８，ＫＳ００６３，ＫＳ００６５，ＫＳ００８６等， 带控制器的行列驱动电路ＫＳ００６６，采用十几伏～二十几伏的高压工艺，可级联使用，单电路驱动的 最大屏为６４＊６４点阵图形。爱普生公司的ＳＥＤｌ５２０，ＳＥＤｌ５２１也是１６＂６４的点阵ＬＣＤ行列驱动控 制电路。采用十几伏高压工艺。日立公司的ＨＤ６１２００、ＨＤ６１２０２、ＨＤ６１２０３等为６４＊６４的ＬＣＤ点 阵图形行列驱动器，采用十几伏高压工艺。合泰ＨＥＬＴＥＫ开发的ＨＴｌ６２１，ＨＴｌ６２２，ＨＴｌ６２３，ＨＴｌ６２５东南人学．Ｔ程顾。｝：学位论文等系列产品为带控制器的行列驱动电路，不能级联使用，主要用丁．驱动段码、小屏幕的点阵ＳＴＮ．ＬＣＤ 的驱动，采用常压标准铝栅：ｒ艺。三洋公司的ＬＣ７５８２３，ＬＣ７５８２４，ＬＣ７５８５３，ＬＣ７５８６３等采Ｈｊ常压 标准硅栅ｊ：艺，驱动小屏幕的点阵ＬＣＤ图形。 这些市场上常用的日本、韩国、台湾的ＬＣＤ驱动器都为ＴＮ，ＳＴＮ．ＬＣＤ黑白驱动器系列，应用 于各种场合的显示，级联后可驱动中大屏幕的点阵ＬＣＤ图形显示，采用自主研发的上艺，可靠性较 高，市场销售价格也高。 ＬＣＭ模组中的控制器采用通用的６８系列、８０系列微控制器或各种通用的单片机。 结合上述各硬件电路，再配合一段应用程序软件，即可实现段码、点阵或图形的显示控制。微 控制器把系统命令、显示模式控制、直接显示的数据按一定格式写入ＬＣＤ驱动电路中，ＬＣＤ驱动 器对命令译码、缓存显示数据，再把显示数据送到ＬＣＤ显示屏，ＬＣＤ按照系统预先设置的显示方 式进行显示。一般ＬＣＤ驱动电路中都带内部上电复位结构或外部直接复位端口，用于系统命令的 默认设置。图２．１０ ＬＣＭ应用模组框图 ＫＳ００６５为一个不带控制器的高压ＬＣＤ行列驱动器，模块框图如图２．１１所示，驱动电路输出波 形为图２．２所示。输出４０通道的点阵式ＬＣＤ驱动电路，用户可以将其用作４０路的列显示驱动，也 可选择将２０路（ＰＡＲＴｌ）用于列驱动，同时将２０路（ＰＡＲＴ２）用于行驱动。该电路主要包含的功能模块 有２０×２ｂｉｔ双向移位寄存器模块，２０×２ｂｉｔ显示数据锁存器模块及２０×２通道输出ＬＣＤ显示驱动模 块。 在该电路中，有两个双向移位寄存器组，每个均为２０位，分别属于前面提及的ＰＡＲＴｌ和ＰＡＲＴ２ 部分。在ＰＡＲＴＩ中，双向移位寄存器由ＳＨＬｌ控制数据的移位方向，当ＳＨＬＩ＝Ｉ时，数据的移动方 向为ＤＲｌ―ＤＬｌ；当ＳＨＬＩ－－０时，则为ＤＬｌ―ＤＲｌ。其移位时钟为ＣＬ２。对于ＰＡＲＴ２部分，双向移位寄存器由ＳＨＬ２控制数据移位方向，但这个移位寄存器的移位时钟受ＦＣＳ的影响，当ＦＣＳ＝０时， 选ＣＬ２作为移位时钟；而当ＦＣＳ＝Ｉ时，则选ＣＬｌ作为移位时钟。ＦＣＳ为模式选择信号，当ＦＣＳ＝Ｉ１２荦２ｍ ＬＣＤ％动螗Ⅱ＆ＬＣＭ模块＃构时?ＰＡＲＴＩ徽列驱动，ＰＡＲＴ２做｛ｒ驱动。ＦＣＳ＝０时，ＰＡＴＲＩ、ＰＡＲＴ２都做行驱动。Ｍ为ＬＣＤ驱动ｌｂ压极性变换．以提供交流ＬＣＤ驱动电场，ＶＩ－Ｖ６为ＬＣＤ驱动电压．山外部也阻分乐产生。ＣＬｌ、ＣＬ２、Ｍ由外部控制器输山相麻的时钟 信号。电路结构简单，无ＲＡＭ结构，电路可靠性设计的主要在丁高压『艺的实现和ｌ高压输出驱动结构的一致性雨呵靠性设计上。幽２１Ｉ高乐ＬＣＤ行列驱动电路模块ＩＩ。１。。一ｌ匕Ｉｉ图２ １２高压ＬＣＤ行列驱动电路输出波形２．４２带控制器的ＬＯＤ驱动电路带控制嚣的ＬＣＤ驱动电路基本模块如图２ １３所示，主要有通信接口模块、译码控制模块、数 据缓存ＲＡＭ模块、系统时钟产生及分频模块、ＬＣＤ输出驱动模块等。图中的灰色框为电路集成的其它更多功自｝横块。东南人学ｒＴ程硕Ｉ：学位论文图２．１３ ＬＣＤ驱动电路模块 系统工作原理：接口模块主要完成与微控制器通信的数据通信，按照一定的格式，把显示数据、 系统命令设置等串行或并行输入输出。对命令直接进行译码并执行相应的操作，对显示数据则串行 输入寄存器再通过串并转换电路按地址写入存储器ＲＡＭ。ＬＣＤ驱动器中的ＲＡＭ或寄存器模块主要 用于显示数据的存储，其中ＲＡＭ可读可写。可读出到数据线上或读出到ＬＣＤ的ＳＥＧ段输出驱动上， ＲＡＭ的内容与显示内容一一映射。系统时钟及分频模块主要用于ＬＣＤ显示用，其时钟的产生一般 分为：晶体振荡器、内部或外部ＲＣ振荡、外接时钟输入等，再经过儿级分频，供ＬＣＤ行列的显示 时钟，ＬＣＤ帧频一般为几十赫兹左右。ＬＣＤ输出驱动模块包括ＬＣＤ各级驱动电压的产生，一般由 内部或外部电阻分压产生，及ＬＣＤ的行列输出驱动。 下面对ＬＣＤ驱动电路关键模块的工作原理做阐述。 １）通信接口模块 接口模块主要完成与微控制器的数据通信，按照一定格式，把显示数据、系统命令串行或并行 的输入输出。并行模式通信速度快，所需端口数目多，有八位并行或四位并行之分。串行模式只需 一位数据口，内部含串并转换电路，串行通信标准有通用的ＳＰＩ格式、１２Ｃ格式，或专用的通信格式 如三洋的ＣＣＢ格式等。通信端口包括片选线，读写控制线及双向口的数据线等，有的控制驱动电路 还带有中断控制输出端。 通信数据有两种类型，即命令码和显示数据码。命令码位数固定，经过输入缓冲器后直接进入 译码控制模块进行译码并执行相应的操作；数据码包含数据和相应的地址信息，经过输入缓冲器后 进入ＲＡＭ的地址译码模块进行译码，再根据译出的地址对ＲＡＭ进行显示数据的操作。 该模块作为与微控制器的接口模块，是ＬＣＤ驱动控制电路中最关键的模块之一。关系到整个ＬＣＤ驱动电路的可靠性工作，若设计不够强壮，串入干扰，将导致显示模式出错或显示异常等。该模块需要进行子电路抗干扰设计及针对具体应用中的特定干扰信号进行设计。关于通信端口的干扰 描述及抗干扰设计详见第五章ＳＴＮ．ＬＣＤ驱动电路抗干扰设计。１４第２章ＬＣＤ驱动原理及ＬＣＭ模块结构２）储存器ＲＡＭ模块 用于存储显示数据，在ＭＣＵ接口模块和驱动模块之问起缓冲作用，以保证显示数据的稳定输 出。ＲＡＭ内容直接映射ＬＣＤ显示内容。ＲＡＭ模块包括ＲＡＭ阵列，行地址Ｘ、列地址Ｙ、页地址 Ｚ的寻址电路及ＲＡＭ读写电路等子模块，行、列地址为微控制器对ＲＡＭ的读写操作地址，页地址 为ＬＣＤ显示地址，一个地址对应一帧ＬＣＤ显示。ＲＡＭ模块作为ＬＣＤ驱动芯片的中枢，一方面以 字节（ＤＯ．Ｄ７）为单位被单片机读写，另一方面可以帧为单位向ＬＣＤ输出。 对ＲＡＭ的读写操作可按单个地址单个读写也可加快速度，地址白增ｌ，进行连续读写。 ＲＡＭ模块的可靠性设计主要是ＲＡＭ标准单元尺寸设计及版图布局电源布线的影响。 ３）系统时钟产生及分频模块 该模块产生显示输出所需的时序信号发生及控制信号。包括振荡产生电路、分频电路及显示时 序控制电路等子模块。时钟产生通常有内部或外接ＲＣ振荡模式、外接晶体振荡器模式、外接时钟 输入模式三种模式，这三种模式可通过软件进行选者设置。产生的时钟经过几级分频电路进行分频， 然后分别输出到行列驱动模块进行时许控制。一般ＳＴＮ―ＬＣＤ驱动电路产生的基准频率通常为几十千赫兹，最后的ＬＣＤ显示帧频为几十赫兹。帧频太高，功耗大，可能降低液晶寿命，帧频太低，ＬＣＤ 显示屏易闪烁。另外该时基经过分频器的分频也用丁时基发生器或看Ｉ、Ｊ狗计时器的时钟源，及蜂鸣发生器的频率源等。 在行、列驱动器配套使用时，通常由行驱动器产生时钟信号对列驱动器进行时序控制，以在配 套使用中保持帧同步。ＬＣＤ驱动电路对时钟精度要求不是很高，一般ＲＣ可满足要求。 ４）ＬＣＩ）输出驱动模块 该驱动模块是驱动电路与液晶显示器接口的模块，是ＬＣＤ驱动电路设计的关键模块，其作用是 提高输出驱动能力、实现偏压显示、实现偏压极性的转换，设计不当极易引起暗显等显示问题。它 包括ＣＯＭ驱动器、ＳＥＧ驱动器。ＣＯＭ驱动器向液晶显示器提供行扫描信号，ＳＥＧ驱动器向液晶显 示器提供列驱动信号，在ＣＯＭ和ＳＥＧ的配合下，实现ＲＡＭ矩阵内容的动态显示。 ＬＣＤ驱动所需的各级偏置电压可Ｅｈ夕ｌ＂部或内部电阻分压提供，如图２．１４所示。偏置电压大小的设计与具体ＬＣＤ屏的特性相关，若各段偏压设置不当，会有暗显或者亮度对比度不足问题，设计中采用的方法是平均偏压法。对于低压占空比小的ＬＣＤ显示屏，常采用内部电阻分压产生偏置电压， 为了增加驱动不同屏的灵活性，驱动电路可设置多种占空比和偏电压，然后通过指令进行选择设置， 且当驱动的ＬＣＤ屏较大时，需要在电路的外部再增强各偏置电压的驱动能力，如增加电容或并联电 阻增大电流驱动能力。对于占空比较大的ＬＣＤ高压驱动电路，对电阻精度要求也较高，此时往往采用外接偏置电阻产生偏置电压，不仅可获得高精度电阻，且不同的屏通过电阻调试可获得显示屏亮 度和对比度的视觉最佳值。１Ｓ东南人学Ｔ程硕．ｉ：学位论文ＶＬＣＤ ＶＬＣＤ 、，Ｉ－ｃ０ ＶＬｃＤ 、，Ｉ ｃＤＶ扫躺吖ＬＣＤｖ２－－．．，４为。ＶＬＣＤｖ３＝４／Ｓ，Ｖｌ ＣＤ、『：ｂ３／ＰＶＬＣＤＶ２－；－３／４～ＬｃＤＶ１霉２艏’ＬＣＤｖ＇；岔于ＶＬＣＤＶＩ＝２“．ｖＬｃＤＶ＇０２份、，ＬｃＤＶ０－＇后～ＩＬＣＤ、，Ｏ；１，铲ｖＩ ＣＤＶＯ，ｔ／３～ＬｃＤ１用Ｂｉｌｌｓ１／５ Ｂｉａｓ１／４ ＢｂｔＩ／３日妇毫图２．１４电阻分压产生的偏压 各输出端驱动能力的一致性设计也是该模块设计的重点之一。高压驱动电路对此要求更高。一 致性设计需要通过版图输出驱动结构的一致设计和走线布局均匀设计来保证。另外工艺的批量稳定 有助于保证各批次之间的驱动一致性。 ５）上电复位模块 ＬＣＤ驱动电路中，上电复位模块主要用于电路初始命令状态的设置，如显示的占空比，偏置， 时钟模式及内部的其它工作模式的选择设置。有利于电路在上电过程中不乱显，上电后稳定的显示。上电复位模块可由内部简单的ＲＣ实现，也可利用外部的ＲＣ实现，外部ＲＣ需要多引出一个端ＶＩ，但可靠性更高。 为了省电，许多ＬＣＤ驱动器都设计有低功耗模式，当进入系统低功耗模式时，其时钟源关闭， ＬＣＤ显示关闭，系统不工作。２．５小结ＳＴＮ．ＬＣＤ比ＴＮ．ＬＣＤ有更好的开关特性和更好的显示品质。ＳＴＮ－ＬＣＤ驱动电路主要采用动态 驱动，动态驱动法有平均偏压法和最佳偏压法，最佳偏压法主要用于可驱动的最高路数的判断，实 际中常采用平均驱动法进行偏压的设计。 ＬＣＭ模组的基本组件包括ＬＣＤ液晶显示屏（包括背光源）、ＬＣＤ专用驱动控制电路及微控制器 或单片机控制电路等，还包括相应的指令系统。ＬＣＤ专用驱动控制包括通信接口模块、译码控制模块、数据缓存ＲＡＭ模块、系统时钟产生及分频模块、ＬＣＤ输出驱动模块等，其中常压通信模块和ＬＣＤ高压驱动模块是ＬＣＤ驱动电路中的关键模块，如通信模块设计不当易使ＬＣＤ驱动电路成为镪 感器件，抗干扰差。本文对高压ＬＣＤ驱动电路的可靠性设计重点在于ＬＣＤ高低压兼容的工艺实现、 版图可靠性设计和端口抗干扰设计几个方面。１６ＳＴＮ．ＬＣＤ驱动｝乜路高低胝兼容＿ｒ艺实现第３章ＳＴＮ．ＬＣＤ驱动电路高低压兼容工艺实现３．１引言集成电路硅片在制造过程中，从抛光的裸片开始到最终制造过程的完成需要经过儿百个或者更 多的Ｔ艺步骤。这种工艺的复杂性是无以复加的，任何一个步骤出现偏差都可能导致电路出现问题。 一个成熟的工艺不仅是能够制造出性能合格的产品，而且产品的成品率必须要达到一定要求。 对于现有Ｆｏｕｎｄｒｙ线厂商提供的标准成熟工艺，经过多种产品的长期验证，工艺过程稳定，可靠性 高，并形成规范。有成熟的工艺模型、设计规则提供给ＩＣ设计者使用。一般工艺一旦稳定不会再轻 易对工艺中的任何步骤做改动。新工艺的研发，一般源于市场产品的需求和工艺本身的改进。新工 艺的研发存在很大困难，尤其是对于特殊器件的工艺开发，需要较长时间的工艺摸索，任何一道工 序的改动都需要工艺上做许多模拟试验和试流片，再经过产品的多次验证，达到稳定并形成规范以 后，才可能逐步推广完善。二目前国内有部分标准Ｆｏｕｎｄｒｙ厂商可提供几十伏的ＣＭＯＳ加：［１艺，如无锡上华半导体、中心 国际、宁波中纬等。这些工艺覆盖的产品面广，可应用于计算机、通讯及消费性电子等多种产品的 应用领域，但针对性不强，工艺流程比常压工艺复杂很多，工艺成本较高。 本章结合实际产品研发过程介绍了兼容标准ＭＯＳ结构和常压工艺的ＬＣＤ高压驱动结构和高低 压兼容工艺的实现。３．２常压标准ＣＭＯＳ结构和工艺５Ｖ常压ＣＭＯＳ亚微米以上的标准工艺，覆盖了从３ｕｍ、２ｕｍ、１．５ｕｒｎ到１．２ｕｒｎ、１．０ｕｍ、０．８ｕｍ 的几种工艺。技术发展成熟，主要用于几万门以下的常压数字电路、数模混合电路的设计，设计电 路可应用于常压ＬＣＤ驱动电路、音响电路、单片机电路、计算机接口电路、电源电路等。常压０．８ｕｒｎ ＳＰＤＭ（单多晶双铝）Ｎ．衬底Ｐ阱的ＣＭＯＳ器件结构如图３．１所示，流程图如图３．２所示。Ｇａｔｅ Ｇａｔｅｈ／一Ｎ＋ＫＰ．ｗＭＩ并Ｒｌ－ｌＮ础●ＩｎＩ抽。图３．１常压ＮＭＯＳ／ＰＭＯＳ结构１７东南人学Ｔ程硕－｝：学位论文＜硅片准备＞Ｕ Ｉ ｌ Ｉ一次氧化ｓｉ０２，－次ｓｉｎＵＮ阱光刻，腐蚀，注磷，去胶，推阱ＵＰ阱光刻，腐蚀，注硼，去胶，推阱ｊｌ ｌ有源区氧化，ＳｉＮ，有源区光刻，腐蚀 ＵＮ管场区光刻，注入，场氧化，去ＳｉＮ”’＋预栅氧 ＋≯Ｕｊ电容光刻，注入Ｈ Ｉ栅氧２，沟调注入Ｕ Ｉ淀积多晶，多晶掺杂，多晶光刻，腐蚀 ＵｌＩＮ．ＬＤＤ光刻，注入ＵＰ．ＬＤＤ光刻，注入Ｕ ｌＩｓｐａｃｅ淀积，致密，腐蚀，氧化ＵＮ＋Ｓ／ＤＹ骇ＩＩ，注入Ｕ． ＩＰ＋ＳＩＯｙ骇ｌＪ，注入１８ＳＴＮ－ＬＣＤ驱动电路商低压兼容Ｔ艺实现ＩＰＭＤ淀积（ＵＳＧ，ＢＰｓＧ）ＢＰｓＧ致密ｊｉ孔光刻，腐蚀Ｕｌｑ流，金属ｌ溅射，光刻，腐蚀Ｕ Ｉ Ｉ ｌ－ Ｉ ｌ（ ＼／，’ＩＭＤＩ淀积，平坦化涂胶，腐蚀ＨＩＭＤ２淀积，，通孔光刻，腐蚀ｊｌ金属２溅射，光刻，腐蚀Ｕ钝化淀积，光刻，腐蚀』ＩＰｃＭ测试Ｕ结束、／）图３．２常压Ｏ．８ｕｍＳＰＤＭ Ｎ．型衬底Ｐ阱工艺流程图 上述流程中关键的工艺制作步骤如下所示：Ｉ双阱工艺 Ｈ多晶硅栅结构工艺｝刮轻掺杂源漏ＬＤＤ注入工艺｝刮侧墒的形成Ｕ．通孔的形成ｌ叫金属ｌ互联的形成 Ｈ接触孔的形成Ｉ＝Ｉ源漏ｓ／Ｄ注入工艺金属２互联的形成｝爿压点制作及合金ＰＣＭ参数测试）ｊ该流程的光刻版有１３块版，１５次光刻，按光刻顺序依次为： １．Ｎ阱版（白版），２．Ｐ阱版（Ｎ阱反版），３．有源区版（黑版），４．Ｎ管场注版，５．电容注入 版（白版），６．多晶版（黑版），７．Ｎ＋注入版（白版），８．Ｐ＋注入版（白版＞，９．接触孔版（自版），１９东南人学工程硕：ｊ：学位论文１０．铝一版（黑版），１１．通孔版（向版），１２．铝二版（黑版），１３．钝化孔版（白版）。３．３高压ＣＭＯＳ结构和高低压兼容工艺常压ＣＭＯＳ器件的耐压最高可达１２Ｖ左右，ＳＴＮ．ＬＣＤ高压驱动电路的驱动电压要求从十儿伏 到几十伏。高压ＣＭＯＳ器件，包括器件ＶＤｓ和ＶＧｓ耐高压，两者实现的工艺技术完全不同。根据应用的不同，有的器件仅要求ＶＤｓ耐高压，而有的器件要求ＶＤｓ和ＶＧｓ同时耐高压。ＶＤｓ主要提高器件漏、 源穿通电压和漏、衬底ＰＮ结的雪崩击穿电压，其击穿机理比较复杂，工艺技术手段有多种。ＶＧｓ 主要提高栅氧耐压，工艺主要技术手段是增加栅氧厚度来提高耐压。 本论文研究的ＳＴＮ．ＬＣＤ高压驱动电路用的高压工艺主要研究ＶＤＳ高压的ＣＭＯＳ器件及工艺设 计。研究目标是兼容常压ＣＭＯＳ工艺，耐压达标，结构简单，在标准常压ＣＭＯＳ工艺流程上增加尽 可能少的工艺版次和工艺步骤，且工艺稳定，可批量生产。从而在性能保证的基础上，成本最低。根据器件耐压原理，独立的高压ＮＭＯＳ、ＰＭＯＳ器件耐压指标易实现，国内外有许多专利结构。本论文研究开发的高压工艺难点在于： １）兼容常压ＣＭＯＳ工艺； ２）在常压ＣＭＯＳ工艺流程上增加最少的工艺步骤； ３）高压工艺对常压器件的影响； ４）高压工艺的稳定性。３．３．１高压结构设计对于功率高压结构，通常有横向纵向的偏置栅高压ＭＯＳ管结构和双扩散横向ＬＤＭＯＳ、纵向ＶＤＭＯＳ结构，这些高压结构耐压从几十伏到几百伏，提高ＭＯＳ管漏源击穿的通用技术有漏区漂移 区结构，弱化表面电场技术，电场控制板法及电场限制环结构等。弱化表面电场技术是指通过对外延层电荷总密度的限制（优化外延层的厚度和浓度）来改变高反压下的耗尽层扩展状态，从而该改变电场分布，避免局部电场集中，以达到提高耐压的目的，主要用于ＬＤＭＯＳ管的设计中；电场控制板 法（场极板法）及电场限制环结构的原理都是尽量减弱曲面结的电场强度，降低表面电场，来提高击穿 电压，主要用于偏置栅高压ＭＯＳ管和ＬＤＭＯＳ管中。为了提高耐压，漂移区结构用于了上述各种功 率管的设计中，漂移区的存在对于提高ＭＯＳ管的耐压是至关重要的。 偏压栅高压结构耐高压的原理： １）在沟道区和漂移区交界处发生雪崩击穿前，漂移区首先夹断：２０ＳＴＮ．ＬＣＤ驱动电路高低乐兼容下艺实现２）有高的漏端ＰＮ结本征击穿电压，即要选崩高阻衬底材料和降低漏ＰＮ结的曲率半径。 设计目标：１７Ｖ高压工艺，结合５８所的具体ＩＴ艺，采用Ｎ．和Ｐ．注入形成轻掺杂漂移区以产生 高压ＰＭＯＳ和ＮＭＯＳ管，双端耐压如图３．３。Ｃａｔｃ／／／‘，，／／，一／／／／、：．．ｔｉ＿１ｐ－Ｐ十Ｓｏｔａｉｃ，ｅ ｒｉ■＿１。！，刊Ｐ＋Ｄｒａｉｎ｝订ｐ－Ｄ２：Ｌ：Ｄ２Ｉｗ一衬底（ａ）高压ＰＭＯＳ管结构（ｂ）高压ＮＭＯＳ 图３．３高压ＮＭＯＳ／ＰＭＯＳ结构 该高压结构仅需要在常压工艺的基础上增加Ｎ．，Ｐ．漂移区注入。关键的版图尺寸为Ｄ１、Ｄ２、 Ｄ４。其中，Ｄ４为沟道长度，Ｄ１为漂移区包Ｎ＋、Ｐ＋的宽度，由工艺模拟确定，主要影响器件耐压 特性及ＭＯＳ管输出阻抗。Ｄ２为漂移区与沟道的交叠长度，对于漂移区在栅之前注入的工艺，源漏 Ｎ＋、Ｐ＋扩散和漂移区Ｎ．、Ｐ．扩散都为非自对准，Ｄ２为工艺实现提供一定余量，保证栅能够包住漂 移区，在流片后的电路中，由于横向扩散，Ｄ２值大于设计值，由于Ｄ２的存在使器件的沟长Ｌ小于 Ｄ４，实际沟长Ｌ＝Ｄ４．２（Ｄ２）；而对于漂移区在栅之后注入的工艺，漂移区Ｎ．、Ｐ．扩散采用自对准工 艺，设计沟长为Ｄ４。 图３．３结构中器件的耐压主要由器件沟道长度Ｌ、Ｄ１和漂移区浓度确定。图３．４‘１８’为该结构的 等效电路图。 本结构拟在常压１．５ｕｒｎ的ＣＭＯＳ工艺上增加轻掺杂漂移区和增加沟道长度Ｌ来达到提高耐压的 目的。降低漏区浓度可提高漏衬ＰＮ结的本征击穿电压，同时漂移区的存在和沟长Ｌ的增加也可提 高源漏势垒穿通电压，漏端压降由沟道区电压和漂移区电压共同承担。提高ＭＯＳ漏源势垒穿通电压 与提高增益ｇｍ对沟道长度Ｌ的要求是矛盾的，Ｌ的增加导致增益ｇｍ的减小，当然该矛盾通过轻掺 杂漂移区的增加得到了一定程度的解决；另一方面，提高ＭＯＳ管漏衬ＰＮ结的雪崩击穿电压与降低 导通电阻Ｒ。又对漂移区参数要求有矛盾，该矛盾则需要通过上述漂移区参数的最佳化来解决。２１美车南大学Ｔ程硪Ｊ：学位论！国３．４带漂移区的ＭＯＳ管等效电路 下图３．５为工艺模拟的ＮＭＯＳ、ＰＭＯＳ漏区纵向结构图。翼；垮撵＝：●１：＝３～警 ｉ韪。，恕Ｋ强Ｉ…图３．５工艺模拟高压ＮＭＯＳ／ＰＭＯＳ管纵向结构图一甯！！三墓二二。（曲高压ＰＭＯＳ源漏区浓度分布（蚺高压Ｎ管源漏区浓度分布高压结构设计的关键是离子注＾剂量范围的确定，漂移区离子注入剂量最佳值的确定如下； 在设置漂移区的ＭＯＳ管结构中，耐压的关键点是漂移区的夹断点（设为Ｍ）处的雪崩击穿点．固 此，设计时使ＶＭｓ点的电压处于Ｍ点的击穿电压以下，从而提高ＭＯＳ管的耐压。在ＭＯＳ管漏端 电压Ｖｍ固定时，随着漂移区注＾Ｎｍ剂量的增加．漂移区电阻减小，ｖＭ随着Ｎ瞎的增加而增加， 当ｖＭ增加到沟道区的本征击穿时，对应的Ｎ∞值就是Ｎ嘴的上限值。因此，最佳的上限值就是在保证不降低高反压ＭＯＳ管耐压指标范围内的最佳Ｎ璐值，实际上就是Ｖｏ洲№ｆ－ｖｌｖ哪（即正常ＭＯＳ管的击穿电压）’它依赖于村底掺杂浓度和器件的几何形状．故Ｎ吣的上限取决于器件掏道区本征击穿值的限制，具体表达式如下：‰∽ｍｗ，‰２％２孟‰卸ｍ×－０４鲁式中，ＮＢ为村底参杂浓度，Ｎｍ为漂移区离子注入剂量。达到饱和。此时流过漂移区电流为ｏ．１）在漂移区电阻层夹断前，流过漂移区的电流妊于线性区，当漂移区夹断时，流过漂移区的电流‰＝业≥监（‰～％）（３－２）ＳＴＮ―ＬＣＤ驱动ｆＵ路高低肤兼容工艺实现式中，，ｕｓ为漂移区中的（体内）电子迁移率，％为漂移区的宽度，ＬＲ为漂移区的长度。在管子沟道被夹断前，流过管子的电流处丁线性区，当沟道夹断时，ＭＯＳ管的源漏电流达到饱 和，流过管子的电流为ｋ＝Ｅ。（‰一％）２（３－３）式中Ｅ。＝丝皂拳，％为沟道宽度，ｋ为沟道长度，以为沟道区表面反型层的电子迁移率。ＮＤＳ的下限值取决丁器件的漏源电流容量的限制，当ＮＤｓ值越低，漂移区更易于夹断，器件也 就更容易进入饱和，饱和特性就在较低的电流值下出现。由沟道区的饱和电流和漂移区夹断可得到 限制电流容量的临界栅电压Ｖｃ，ｃ值，根据所需的Ｖｏｃ值，就可以确定ＮＤｓ，此时对应的ＮＤｓ值就是 Ｎｏｓ值的下限。故由式４．２和式４．３，有ｋ＝厶胁，即％ｃ＝式中＋％（３＿４）Ｇｏ：＿ｑ，ＵｓＷＲＮＲＸｌ：哗ＬＲ ＬＲ（３－５）在具体的工艺实现过程中，根据样品电路的分析结果，结合上述原理确定最佳离子注入剂量的 方法，在确定的剂量范围内选取了几个点，通过工艺模拟软件确定实际工艺拉偏实验方案，并通过 具体的工艺实验的结果来确定最终的最佳值。 漂移区的存在使得ＭＯＳ管的导通电阻增大，高压ＭＯＳ管的导通电阻计算如下： 高压ＭＯＳ管的导通电阻由沟道区和漂移区两部分导通电阻组成，即Ｒ。＝Ｒｃｈ＋Ｒｄ（３－６）式中＆ｈ为沟道区电阻，凡为漂移区电阻。若取一级近似，则：Ｒ。ｎ圳急２瓦丽１２３（３―７）肾丽１鬲２志｛１一亡半（…７２）＿ｌ（３－８）式中Ｖ０为ＰＮ的接触电位差，ＮＢ为衬底杂质浓度，ｑ为电子电荷，ＮＲ为漂移区浓度，Ｘｊ为离子注入结深，故漂移区注入剂量Ｎ绑喇Ｒ筠（伽１－２），ＷＲ为漂移区宽度，ＬＲ为漂移区长度，ＶｖＹｏＮ区－东南人学Ｔ程硕．Ｉ：学位论文电压，ｅｏ为真空介电常数，ｅ。为硅介电常数，‰为漂移区中的（体内）电子迁移率。 由于ＬＣＤ驱动电路为电压驱动，耐压要求只有二三十伏，且对导通电阻要求不是很高，故对于 同有的提高耐压与降低导通电阻之间的矛盾，在这里体现的不明显。设计时，先满足耐压的要求， 再计算相应的导通电阻。 该结构中，由于耐压要求不高，故漂移区上面仍为薄氧化层。对于有更高耐压要求的ＶＦＤ驱动， Ｐ．，Ｎ．浓度可降低到阱的浓度，漂移区上面可用场氧替代有源区，即用场极板提高耐压。３．３．２ＬＣＤ高低压兼容工艺实现ＬＣＤ高压驱动电路，内部常压部分工作电压为３Ｖ０５Ｖ，ＬＣＤ高压驱动部分电压为８Ｖ乙１７Ｖ。 １、ＬＣＤ常压工艺实现 ＬＣＤ常压电路采用５８所晶园现有的标准１．Ｓｕｍ设计规则，即１．５ｕｒｎ ＳＰＤＭ Ｎ．型衬底Ｐ阱工艺， 前端基础上序如图３．６所示。与标准０．８ｕｍＳＰＤＭ工艺流程（图３．２）相比，后端布线工艺流程基本 相同，只是设计规则有所不同，前端流程的不同点如下： １）该工艺为双阱工艺，但仅使用一块版，＋即所谓的伪双阱工艺； ２）ＬＣＤ常压电路没有采用电容注入版，而直接用ＭＯＳ电容； ３）亚微米工艺中的轻掺杂源漏ＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ―Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）￥１Ｊ程与结构是为了克服热载子 （Ｈｏｔ－Ｃａｒｒｉｅｒ）效应而提出的。ＬＤＤ结构一般在１．Ｓｕｍ以下的工艺中采用，而在１．Ｓｕｍ以上 的工艺由于沟长较长，一般不采用ＬＤＤ结构。我们设计的ＬＣＤ常压工艺采用１．Ｓｕｍ工艺， 不采用Ｎ．ＬＤＤ，Ｐ．ＬＤＤ注入，考虑到Ｎ＋、Ｐ＋横向扩散的影响，低压器件的版图最小沟长 Ｌ设计为１．８ｕｍ。减少了两次光刻次数； 伪双阱工艺实现如下： １）Ｐ阱光刻，该流程中，Ｐ阱版为黑版，Ｐ阱版光刻后，Ｐ阱区域的光刻胶保留，Ｎ阱区域的 光刻胶被溶解掉；２）ＳｉＮ腐蚀，Ｐ阱区域有光刻胶，ＳｉＮ不可腐蚀；Ｎ阱区域无光刻胶，ＳｉＮ被腐 蚀掉，Ｓｉ０２也会少量被腐蚀；３）去光刻胶；４）Ｎ阱注磷，Ｐ阱区域有ＳｉＮ，磷注不进，Ｎ阱区域无 ＳｉＮ，且Ｓｉ０２较薄，磷可注进，形成Ｎ阱；５）推Ｎ阱，这次推阱推的结较浅，横向扩散较少，此 外推阱时会有Ｓｉ０２生成。Ｐ阱区域有ＳｉＮ，ＳｉＮ上无法生长Ｓｉ０２；Ｎ阱区域无￥１２Ｎ，可生长ｓｉ０２， 且较厚；６）ＳｉＮ腐蚀，Ｐ阱区域的ＳＩＮ被腐蚀，Ｎ阱区域的Ｓ１０２少量被腐蚀；７）Ｐ阱注硼，由于 Ｐ阱区域的Ｓｉ０２较薄，硼可注进，形成Ｐ阱；而Ｎ阱区域的Ｓｉ０２较厚，硼注不进：８）Ｐ阱推结， 此次推阱推的结较深，同时也会生长Ｓｉ０２。推阱将Ｎ阱、Ｐ阱的结深推深，由于Ｎ阱Ｐ阱均有注入，浓度相差不大，故Ｐ阱横向扩散较少，阱的位置基本不变。ＳＴＮ－ＬＣＤ驱动电路高低压兼容丁艺实现最终形成双阱结构，如图３．７所示。图３．６常压１．５ｕｍ ＳＰＤＭ Ｎ．衬底Ｐ阱工艺前端流程图 曙ｆ接阱长锄２’铀图３．７伪双阱工艺结构实现东南人学．丁程硕’ｌ：学位论文２、ＬＣＤ高压工艺实现 目标：开发兼容现有的１．５ｕｍ＿１：艺的高压：ｌ：艺，要求能够满足最高：ｒ作电压１７Ｖ的要求，即Ｎ 高压管的耐压要求保证２０Ｖ，Ｐ高压管耐压保证．２０Ｖ。 在上述常压１．５ｕｍ ＳＰＤＭ Ｎ．衬底Ｐ阱工艺的基础上进行增加两次浅掺杂注入形成高压：』二艺，即 高压管增加Ｎ．、Ｐ．漂移区注入且沟长Ｌ人于常压最小沟长１．５ｕｍ。增加的两次Ｎ．、Ｐ．注入与标准亚 微米工艺中的Ｎ．ＬＤＤ、Ｐ．ＬＤＤ不同，标准亚微米工艺中的Ｎ．ＬＤＤ，Ｐ―ＬＤＤ是为了防Ｊ｝：随着沟道长 度不断减小可能导致的源漏串通和减小沟道漏电流，而ＬＣＤ高压工艺中的Ｎ．、Ｐ．仅用丁高压管的 耐压结构设计中。 该ＬＣＤ高低压兼容工艺，共有１３块版，１３次光刻次数，具体版次如下： ｌ－Ｐ阱版（黑版），２．有源区版（黑版），３．Ｎ管场注版（Ｐ阱反版，白版），４．多晶版（黑版）， ５．Ｎ．注入版（白版），６．Ｐ．注入版（白版），７．Ｎ＋注入版（白版），８．Ｐ＋注入版（白版），９．接触孔版 （白版），１０．铝一版（黑版），１１．通孔版（白版），１２．铝二版（黑版），１３．钝化孔版（白版）。 工艺上有两种工艺流程方案可实现Ｎ．、Ｐ．的注入，即在多晶前或多晶后进行Ｎ．、Ｐ一的注入，．在 多晶后做的如图３．８（ａ）所示，多晶之前做的如图３．８（ｂ）。所示。：．预栅氧Ｉ ＩＮ．光刻，注入，推结縻 匪Ｐ－光刻，注入，推结栅氧２，沟调注入Ｕ淀积多晶，多晶掺杂，多晶光刻，腐蚀ＵＮ＋Ｓ／Ｄ光刻，注入ＵＰ＋Ｓ／Ｄ光刻，注入（ａ）多晶之后增加（ｂ）多晶之前增加 图３．８增加Ｎ－Ｐ．两道工序流程图两种方案都是全新程序，两种高压管的漂移区单独进行注入和推结，Ｎ．，Ｐ－注入的推结程序、注入浓度，推结深度需要进行模拟和试验，推结程序的工艺温度要尽量低，时间尽量短，防止对常压管的沟道注入造成影响，从而影响到常压管的阈值电压，使得常压管有漏电，工作异常。根据初２６ＳＴＮ．ＬＣＤ驱动ＩＵ路高低Ｋ兼容Ｔ艺＝实现步估算及上艺模拟，Ｎ．、Ｐ一漂移区的注入浓度比常规的Ｎ＋、Ｐ＋浓度低两个数量级，即可满足要求。 １）方案一 采用Ｎ．、Ｐ．的注入在多品后进行，此时Ｎ－，Ｐ．注入为自对准上艺，沟长即为Ｐｏｌｙ的版图设计 宽度。标准工艺中，Ｎ＋、Ｐ＋为自对准，作为１Ｆ关键ｊ Ｊ：艺层次进行控制的；该］ｊ艺中Ｎ＋、Ｐ＋注入为非自对准，为保证高压管的对称性击穿特性，Ｎ＋、Ｐ＋源漏注入版次的光刻必须作为关键工艺层次进行控制，且其对准标记必须对准多品层次，目标是源漏版对多品的套刻偏差不得大于０．２ｕｍ。 采用方案一进行试流片，第一次流片结果：低压管阈值漂移，有漏电；高压管ＰＣＭ测试击穿特 性达不到要求。模拟结果与实际流片结果相差较大，原因是推结程序使低压管沟道的浓度分布改变， Ｎ．，Ｐ一浓度过高。根据结果进行工艺调整，主要调整了两项：（１）调整了低压管的沟道注入剂量，以 保证低压管的阂值正常；（２）调整高压管漂移区的注入浓度和推结程序。 第二次流片结果：低压管特性基本达到要求，阈值正常，但不稳定，波动较大：高压ＮＭＯＳ管 击穿电压为１５～１８Ｖ，高压ＰＭＯＳ管击穿电压为一１６￣．２０Ｖ，仍达不到高压管要求，工艺不稳定，常压 功能成品率低，只有３０％左右。原因是多晶腐蚀后进行Ｎ．和Ｐ．的注入和推结时，由于Ｎ．和Ｐ．杂质的扩甑对多晶边缘的栅氧会形成反掺，影响高压管栅氧质量。同时近乎饱和掺杂的多品在这个推：结过程中也会对已经很薄的栅氧进行杂质扩散，不仅影响多晶下沟道的浓度分布，而且影响栅氧的 耐压特性。需要考虑采用方案二进行流片。 ２）方案二 将高压Ｎ一和Ｐ．改在多晶前进行注入和推结，不仅避免了上面所说的各项缺点，而且由于固定了 Ｎ．、Ｐ－漂移区的间距，使沟道长度的不再受多品宽度的影响。缺点是沟长Ｌ不易精确控制。 第一次流片结果：高压ＮＭＯＳ管击穿电压可以做到２０－．－２５ｖ，高压ＰＭＯＳ管击穿电压可以做到 ．３５Ｖ以上，其余常压管部分与标准工艺电性能基本相同，电路成品率提高，为８０％以上。 第二次流片结果：对工艺再适当优化后进行小批量生产，Ｎ高压管管击穿可以做到２２～２４ｖ，Ｐ 高压管管击穿可以做到．３０Ｖ以上。常压管部分与标准工艺电性能基本相同，工艺窗口增大，成品率 可达到９７％以上，满足了设计和工艺的要求。两种流片方案的优缺点比较如表３．１所示。 表３．１两种方案优缺点比较 方案一： 多晶之后进行漂 移区的注入 优点 缺点 自对准，结构中的Ｄ２好控制，只要满足工艺上多晶与漂移区的套刻即 可，沟长Ｌ准确，即为设计值Ｄ４。 （１）由于Ｎ．和Ｐ．杂质的扩散，对多晶边缘的栅氧会形成反掺，影响高压 管栅氧质量： （２）饱和掺杂的多晶在这个推结过程中也会对已经很薄的栅氧进行杂质 扩散，不仅影响多晶下沟道的浓度分布，而且影响栅氧的耐压特性； （３）Ｔ艺上对Ｎ＋、Ｐ＋套刻精度要求提高。 避免了方案一缺点 由于Ｎ．，Ｐ．不是自对准，有横向扩散，故沟道长度Ｌ不易精确控制。方案二： 多晶之前进行漂 移区的注入优点 缺点东南人学Ｔ程碰ｌ学位论立 ３ ３３ＬＣＤ高低兼容工艺的可靠性研究及实验ＬＣＤ高低压兼弃ｔ：Ｚ是在低雎ｌ’艺的基础Ｌ进行开苎己．对该『艺的评估除了在Ｉ艺过程中对再项ｒ艺参数进行监控和ｌ志后期ＰＣＭ高低压参数进行测试外，还需要进行电路箨项功能｝Ｉ参数的删试，包括电路批量成品率的评估，进一步还需要对ｌＵ路做一些高低温可靠性试验州丁评估谚ｃ艺的 早期失效性币¨稳定性。 ｌ、高压管ＰＣＭ测试结果高压一极管和高压ＭＯＳ的ＰＣＭ实测结果如图３．９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）所示。Ｍ（ａ）ＴＪ高压一极管（Ｎ一（ＨＶ）／Ｐ－ｗｅｌｌ）ＭＪ耐压曲线，耐压选２０Ｖ以上，幽（ｂ）为高压一极管（ＨＨＶ）ｆＮ－ｓｕｂ）的耐压曲线，耐压达－２０Ｖ以上。目（０为高压ＮＭＯＳ管的击穿曲线，击穿电压在２１Ｖ左右，剧（ｄ）为高压ＰＭＯＳ管 的击穿曲线，击穿电压为－３５Ｖ左右。一”¨曲高压Ｎ型一极管耐压曲线…‘∞（ｂ）高压Ｐ型一极管耐压曲线兰褂５至恒…’ｕＰＪ（０高压ＮＭＯＳ管耐压曲线（曲高压ＰＭＯＳ管耐压曲线阿３．９高压二极管和ＭＯＳ管耐压曲线批量生产后的ＰｃＭ参薮中．高低压管参数正常，高压管参敦Ｎ高压管耐压２０Ｖ以上，Ｐ高压管耐压．３０Ｖ咀上。成品电路极限耐压在２５Ｖ左右。２、电路测试及成品率 电路测试主要用于验证电路设计的功能正确性及设计与上艺的匹配度，二Ｌ艺的一致性．并剔出 在工艺中存在缺陷的坏电路，故耐试项目的确定除了针对电菇最终的电参数要求外，更需要增加对２８￥ＴＮ．ＬＣＤⅢ动ｒＵ嫱高低雎蘸窖Ｔ岂实现Ｊ艺稳定性的监控．特剐对于新开发Ｉ．艺，一艺的波动一定要在测试中有所体现。三级测试规范的制订符台ｒ电路测试的要求，ＬＣＤ高压驱动电路的测试项有接触测试、输入漏电测试，静态电流秉ｌ 动态电流测试、输出电半驱动能力、功能测试等。 电路批量生产后的平均成Ｍ率为９７％．接近常压１．５ｕｍ Ｊ．艺的成品率，见下表３．２所示。 表３．２高压ＬＣＤ驱动电路成品率３、电路可靠性试验电路可靠性试验是评估电路设计和工艺的匹配稳定性．尤其是检验工艺的早期异常，高低温异 常漏电等，电路可靠性试验是对新工艺评估的重要内彝之一。且ＬＣＤ高压驱动电路应用广泛，使用 环境复杂，产品可靠性要求较高，对电路进行可靠性试验有助于了解和进一步改善产品的可靠性。 后面将对该ＬＣＤ高压电路进行系列相关的可靠性试验研究及验证。初步拟定的方案如Ｆ，主要结合 用户要求并参照国家军用标准ＧＪＢ ５４８Ｂ．２００５中的部分手段方法。（１）电路三温（常温、高温、低温）功能参数测试：该试验用于测试电路在垒温范围和全电压范围内是否工作止常，对于民用高压ＬＣＤ驱动电路， 工作温度范围为０２５＇Ｃ～７５＂Ｃ。电路常压工作范围在２ＡＶｅ５ ５Ｖ，ＬＣＤ高压驱动电压在１７ｖ内。（２）高温寿命试验：该试验主要验证承受规定条件ｒ的器忭在整个工作时间内的质量或可靠性，试验条件为加电１２５℃下．１０００小时。 （３）高温存储试验：该试验目的是在不施加应力的条件下，确定高温存储对张电子器件的影响。验证电路在整个工作时问内的质量或可靠性，试验条件为１５０＇Ｃ下，２４小时。（４）湿度循环试验； 该试验目的是验证高低温变换对器件的影响．试验条件为－５５＂Ｃ／１５０＂Ｃ循环，３０Ｍｉｎ／Ｃｙｃｌｅ， ５００Ｃｙｄｅ?２９东南人学丁程顾｝：学位论文 （５）热冲击试验；该试验目的是确定器件在遭到温度巨变时的抵抗能力，试验条件为０。Ｃ／１００。Ｃ，５Ｍｉｎ／Ｃｙｃｌｅ，１０Ｃｙｃｌｅ。（６）电源循环开关试验；该试验目的在于模拟器件在电源开关不断开关时整个电路的工作稳定性，试验条件为ＶＣＣｏｎ一３Ｍｉｎ，ｏｆｆ－２Ｍｉｎ，５００Ｈｏｕｒ。显然一个成功的高压结构和工艺的设计开发，在满足耐压的要求基础上，要达到使：ｆ艺能够进 行批量生产的条件，还必须达到一定的稳定性并具备一定的二【：艺设计窗口。该：ｌ：艺住耐压达标的基 础上，常压性能满足，ＬＣＤ输出驱动能力达到要求，各段的均匀性一致，误差在１％以内，导通电 阻７．５Ｋｏｈｍ。该ＬＣＤ高低压兼容工艺的开发从理论的可行性研究，到工艺模拟试验，再到工艺试流片，小批量生产，及最终批量生产。目前该工艺稳定性好，均匀一致性好，工艺窗口大，成品率较高，达到了批量生产的要求，已用于多个高压ＬＣＤ电路的生产，客户反馈良好。后续将继续关注电 路可靠性试验结果及分析。 与标准Ｆｏｕｎｄｒｙ工艺厂商提供的几十伏标准高压工艺流程相比，该工艺的工艺流程更简单，只 是该工艺主要用于１７Ｖ以下的ＬＣＤ高压驱动电路的生产，应用范嗣受限。３．４小结ＳＴＮ．ＬＣＤ高压驱动电路的驱动电压要求从十几伏到几十伏。 高压结构的设计需要在满足耐压的基础上尽量降低器件的输出阻抗。增加轻掺杂漂移区和增加 沟道长度Ｌ是提高耐压的基本手段，高压结构设计的关键是离子注入剂量范围的确定，ＮＤｓ的上限 取决于器件沟道区本征击穿值的限制，下限值取决于器件的漏源电流容量的限制。 高压工艺实现的关键在于Ｎ．、Ｐ．工序的增加对高压器件、常压器件的不利影响。比较而言，多 晶前进行Ｎ．、Ｐ．的注入有利于更好的控制高压器件特性，且降低了对常压器件的影响。 该工艺在常压１．５ｕｒｎ ＳＰＤＭ Ｐ阱ＣＭＯＳ工艺基础上，仅增加两块版次和两次光刻次数，降低了 电路的工艺流片成本，高压器件耐压满足要求，工艺稳定，具备了批量生产的能力。可在此基础上， 进行结构和工艺的改进优化，进一步提高器件耐压，以研制出更高驱动电压的ＬＣＤ驱动电路。３０第４章ＳＴＮ．ＬＣＤ Ｉ角低胝兼容的版图可靠性设计第４章ＳＴＮ．ＬＣＤ高低压兼容的版图可靠性设计４．１引言版图布图对于集成电路来说，至关重要。布局的好坏可能不会影响电路功能，但影响电路性能， 特别是对于模拟、高频、高压等具有特殊性能的电路，影响更人。版图布图差，轻则影响电路的参 数性能，重则使电路不可丁作。而常压低频数字电路自身就具有很好的抗干扰性能，数字电路的版 图设计主要是依靠软件自动布局布线，其版图布局相对容易。到深亚微米时代，数字信号的完整性，干扰性，天线效应等问题凸现，主要通过标准工艺线提供的设计规则来进行防范设计。对于模拟电路，高频，高压电路，基本没有明确的设计规则，版图布图的可靠性设计主要依靠设计师的设计经 验。 ‘Ｓ１Ｎ．ＬＣＤ高压驱动电路的高压工艺兼容常压工艺。外围ＬＣＤ输出驱动电压为十几伏到几十伏，内部逻辑电压为５Ｖ或３．３Ｖ。故在ＬＣＤ高压驱动电路的设计中，除了工艺稳定、电路逻辑结构的可靠设计之外，版图的可靠?匣设计尤为关键和重要。ＬＣＤ高压驱动电路的版图可靠性设计重点包括高低压兼容多电源设计，模拟子模块版图设计，ＬＣＤ输出结构的一致性设计，高压ＥＳＤ结构设计，高 压抗闩锁设计等。而且对于民用ＬＣＤ驱动电路，版图设计需要考虑成本，在最小的面积上做出性能 满足要求，可靠性高的产品。本章主要对ＬＣＤ高压驱动电路的版图布图和ＥＳＤ、Ｌａｔｃｈ．ｕｐ的可靠性 设计进行研究总结。４．２版图布图总结下面是对ＬＣＤ高压驱动电路的版图设计结合常规集成电路版图布图技术进行总结。 １）版图设计规则从工艺成本及版图面积考虑，ＬＣＤ高压驱动电路前端器件设计采用１．５ｕｒｎ的设计规则，后端布线规则采用０．８ｕｍ的设计规则。另外ＬＣＤ高压驱动电路含有常压和高压两种电压，采用高低压兼容 的工艺和版图设计技术，高低压设计规则有所不同。常压数字部分采用标准工艺下的最小设计规则， 高压和模拟部分的设计规则适当增加。 ２）模拟版图的匹配模拟电路的性能不仅取决于电路逻辑结构和尺寸的设计，也取决于版图布图的设计。模拟版图布图主要需要考虑模拟电流的大小、寄生效应的大小及版图匹配技术。ＩＣ工艺的制造特性决定了版３１东南人学工《懒Ｌ学位论ｉ酗匹配设计的原则，主要有：使相关器１ｆｌ＝在版图上尽量靠近，远离周附器件，器什的长度方向保持 一致，宽度保持一致，采Ｈｊ＿Ｉ｝｝状交义方式，在器仆周嗣放置虚拟器件，采川较大沟Ｋ的器１１｜＿。图４为一个标准运放的逻辑及版幽设计。Ｉ（ａ）逻辑 幽４】标准运放的逻辑及版图设计（Ｍ版图另外，模拟电路需要光照的影响，在栅极上加铝覆盖，在描电流敏感的结Ｋ加锅覆盖。在阱电阻上加锅覆盖。 ３）电源地线布线芯片中的电源总线以及压焊封装连接线具确电阻和电感特性，在多个１／ｏ驱动器ｆ或者输出驱动器）排列的版图医域内，当输出电平发生变化时，最有可能在电源总线上产生较人的噪声电压。过高 的电掉噪卢电压可能影响内部电路的功能、性能，对模拟电路的影响更人。为ｒ保证电路安全可靠 地上作，需要减小和限制电源总线噪声。 从版图角度来看，好的强壮的电源布线设计需要从电路整体的结构和布局进行考虑，一般来说， 外围输出驱动及ＥＳＤ保护结构、内部数字模块、内部模拟模块、内部时钟模块需要分开供电，外嗣 电源总线又称为“噪声”电源总线，内部模块的电源总线又称为“静态”电源总线，对丁可靠性要 求根高的电路，“噪声”电源总线和“静态”电源总线可分开压焊进行封装，进一步降低“噤卢”电 源线对内电路的影响。“噪声”电源总线的尽量用铝线，铝线尽量粗，尽量不要用其它层次连接，除１ｌ＝需要在电源上进行滤波处理。宽的电源线和地线的铝条上需要开有缝隙，以减小电流趋肤兢应， 内部电源线按照鱼脊骨方式布线。芯片的电源线布局图如图４．２所示。 ＬＣＤ高压驱动电路含有两个电源，内部逻辑模块和输入端口为常压供电，外围驱动采用高压供电，故外围供电对内部电路的影响相对较小。第４帝ＳＴＮ．ＬＣＤ高低Ｈ｛兼容的版图口ｆ箨件设计图４．２芯片电源地线布局图 ４）阻容网络的设计 电阻设计，ＬＣＤ驱动电路中，电阻常采用Ｐ阱电阻、多晶电阻、Ｐ＋电阻、Ｎ＋电阻。Ｐ阱电阻主 要用于ＬＣＤ驱动电压的产生模块，在版图设计中，需要注意Ｐ阱的最小宽度，要大于纵向深度的２ 倍以上，以减小横向扩散的影响，一般Ｐ阱电阻的最小宽度设计为５ｕｒｎ。端口电阻常采用Ｐ＋或Ｎ－＋ 电阻，其寄生二极管可以起到电压嵌位的作用，比Ｐｏｌｙ多晶电阻能承受更大的瞬态功耗。 电容设计，电容类型主要有Ｐ型注入电容、Ｎ型注入电容、ＭＯＳ电容和双多晶电容。双多晶电 容精度最高，但需要多出一块版。结合工艺、成本和性能考虑，ＬＣＤ驱动电路主要采用ＮＭＯＳ电容， 主要用于内部上电复位结构或内部ＲＣ振荡。 ＮＭＯＳ电容的纵向结构及电容与电压的关系如图４．３睨’所示，ＮＭＯＳ电容分带源漏注入的和不 带源漏注入的，带源漏注入的ＭＯＳ电容与ＭＯＳ管结构完全相同，只是把管子的源、漏、衬底接一 起。ＭＯＳ电容的等效原理如下：ＭＯＳ电容可等效为栅氧电容Ｃ。。和衬底电容Ｃｃ两个电容的串联，电容值ＣｓＧ－石Ｃ：ｏ忑ｘ＊Ｃｅ，ｃ强由栅氧厚度决定，而ｃｃ则受两端电压影响。当ＶＧｓ为负时，Ｐｗｅｌｌ中的多数载流子电子就会被向上抽取并积累在栅氧层下面，此时，积累区中的器件电容仅由栅介质决 定，ＣＧｓ由Ｃｏｘ确定；当、ｒＧｓ为正时，多数载流子被排斥从而远离表面，形成耗尽区，ＣＧｓ由Ｃ。和 Ｃｃ串联确定，电容减小；随着ＶＧｓ电压的增加，耗尽区加宽，电容进一步减小，一旦ＶＧｓ等于ＭＯＳ 管的阈值电压，就会从Ｎｗｅｌｌ中抽取足够多的少数载流子空穴使表面反型，在反型层形成后，ＶＧｓ 电压进一步增大只能增加少数载流子的浓度，不会影响耗尽区的宽度，因此电容稳定在一个新的较 低的值上，这个电容最小值约为Ｃ。的２０％，如图４．３（ｃ）中的实线，当ＭＯＳ电容有源漏极存在时， 由于反型层与源漏同型，Ｃｍ又等于Ｃ戗，如图４．３（ｃ）中的虚线。３３东南人学工程硕十学位论文由上述分析可见，由Ｔ－ＭＯＳ电容下极板浓度很低，电容两端电压的极性和大小对电容值的影响 非常大。在版图设计中，特别需要注意电容极性的正确连接，极性接反，使得电容值达不剑预期的 设计值，从而导致相关的参数设计不达标或产生自激振荡。Ｎ．衬底（ａ）电容纵向结构Ｃ｝―――――――――’ｃ。ｌ ∞Ｐ｜‰Ｉ’％Ｂ－－Ｄ＝ＳＣｋ，”土≮。、｝ｉｆ。ＡＱ｜厶ｖｓ｛心 ：＝：＝、．ｊｊ．．．．；ＡｃｃｕｍｕｌａｔｉＩ／ＭｏｄｅＭＯＳ ，０（ｂ）ＭＯＳ电容的等效电容（ｃ）ＭＯＳ电容Ｃ－Ｖ曲线实线为不带源漏注入的ＭＯＳ电容，虚线为带源漏注入的ＭＯＳ电容 图４．３ ＭＯＳ电容结构对于电路中性能要求较高的多级运放，需要采用带电容注入的电容类型，电容注入浓度较高， 此时电容值为Ｃ慨，工艺需要多增加一块掩模版，多一道注入工序。工艺上，在长栅氧时，衬底浓度 越高，栅氧长的厚度越厚，故电容上的栅氧厚度比ＭＯＳ管的栅氧厚度更大，使得电容值往往小于 Ｃ戗，每个工艺的流程不同，电容注入浓度不同，单位面积上的电容值也不同。 版图设计经验对于当前的集成电路设计很重要。另外，对于一个采用新工艺进行设计的电路， 在设计之初对电路设计的性能不能完全把握时，需要考虑对电路关键模块中的关键器件、阻容网络 等进行冗余设计，目的是为了电路流片后发现有问题时能及时的通过修改很少的版次对电路进行修 正，减少了下次流片时间。这对于一个新电路的研发非常重要。常常通过仅修改一块铝版或孔版对 电路进行修正，为民品的快速抢占市场赢得先机。４．３ＥＳＤ可靠性设计ＳｔａｔｉｃＣＭＯＳ集成电路可靠性设计中的一个重要环节是ＥＳＤ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ３４Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）保护结构的设计。第４章ＳＴＮ－ＬＣＤ高低雎兼窖的版幽Ⅱ靠性设＊ＥＳＤ现象存在于电路生产加上、运输、使用全过程中，芯片受ＥＳＤ损坏的结果可使芯片内部的局部 结构受到严重破坏．导致芯片功能失效或性能减退。因此Ｉｃ芯片内部必须采取良好的ＥＳＤ保护措 施。ＥＳＤ可靠性设计的难点在ｒＥＳＤｉ殳计与器件结构、版图布局及采用的１．艺密切相关．同样的结 构在不同工艺下或者在版图的不同位置，其ＥＳＤ结果可能就存在较大差异。目前基本没有可用的仿 真软件对ＥＳＤ进行前仿真，日前可用的一种ＥＳＤ丹析工具为传输线路脉冲（ＴＬＰ）发生器．可对单 个的ＥＳＤ结构进行ｌｏＶ特性曲线的扫描，以对单个ＥＳＤ结构的ＥＳＤ性能进行分析政进。 对于采用砸微米以Ｆ的标准工艺，不仅采用了轻掺杂漏（ＬＤＤ）结构和ｓｉｌｉｃｉｄ￡ｄ－ｄｉｆｆｍｓｉｏｎ等先进工 艺技术，而且器件的特征尺寸按比倒不断缩小．栅氧越来越薄，结深越来越浅，电路本身的ＥＳＤ保护能力大大减弱，ＥＳＤ设计的重点在于ＥＳＤ全新结构的设计。随着人们对ＥＳＤ损伤机理的深入系统 地研究，先进的ＥＳＤ保护结构不断出现，完善的ＥＳＤ保护电路设计技术也已日趋成熟。４３１ＥＳＤ基本概念ＥＳＤ事件是一个由高压静电源转变为瞬间低压大电流的过程。当外部高压静电源接触到ＣＭＯＳ 器件的某一条引腿时．在很短的几十到几百纳秒时问之内，外部能量通过ＣＭＯＳ器件某一局部通道 迅速放电，瞬态的尖峰电流可高达安培量级。这种大电流造成芯片局部迅速发热，使二极管结被烧 毁，Ｓｉ０２隔离介质层击穿或产生电火花，将金属熔化。ＥＳＤ失效可造成电路的永久性失效或潜在性失效，ＥＳＤ放电模式分为人体放电模型（ＢｏｄｙＨｕｍａｎＭｏｄｅｌ，ｌｉＢＭ）、机器放电模式（ＭａｃｈｉｍｅＭｏｄｅｌ， ＭＭ）和器件充电模式（Ｃｈａｒｇｅ ｄｅｖｉｃｅｍｏｄｅｌ，ＣＤＭ）、电场感应模型（Ｆｉｅｌｄ－ＩｎｄｕｃｅｄＭｏｄｅｌ。ＦＩＭ）。前两种模式是集成电路设计中最常采用的ＥＳＤ放电模式，蹦４４∞和彻为两种ＥＳＤ模式的放电等效电路和放电电流比较。（ａ）ＨＢＭ模式（上）和ＭＭ模式（下）的放电等效电路０，）ｔｍＭ和ＭＭ放电电流脉冲比较图４．４Ｉ＇ｔＢＭ和ＭＭ的放电比较３５东南＾学Ｔ程砸ｌ学位论立对丁人体放电模式（２ＫＶ），峰值电流约为１ ３Ａ，上升时问为２－１０ｎｓ；对丁机器放ｌＵ模式（２００ｖ）：峰值电流约为３．８Ａ，谐振额率约为１６ＭＨｚ?ＨＢＭ模式Ｆ，有Ｖ￡ｓＤ＝（１５００＋Ｒ洲）×Ｉｔ２。集成ＩＨ路的ＥＳＤ规格要求如表４ １所示。 袁４Ｉ ＥＳＤ规格标准ＥＳＤ设计主要利ｊ｛ｊ保护结构的雪崩击穿特性，在所保护的器髑栅氧击穿之前，保护结构首先发 牛可恢复的雪崩击穿，给瞬问的大电流提供一条低阻抗泄放通道。ＥＳＤ设计要求保护结构本身具有 很强的健壮性。图４．５为ＥＳＤ可靠性的设计窗口，即ＥＳＤ器什的开启ｌＥ压Ⅵｌ必顽小下被保护器什的栅氧或寄生结构的击穿电压。ＥＳＤ器件的保持电压ｖ洲耍大于ｌＵ路的最低【作电乐。嘲４．５ＥＳＤ设计窗口ＥＳＤ结构麻该具有低阻抗，低保持，非破坏性的电流通道，通常采用的保护器件有一极管、电阻、薄栅ＭＯＳ管和厚栅ＭＯＳ管、低压触发可控硅器件（ＬＶＴＳＣＲ】结构、寄生域极器件等，这些组件可用于组台成各种ＥＳＤ保护结构。图４．６为几种ＥＳＤ保护结构的Ｉ．ｖ特性。实际醴计中需要根据，Ｉ，艺、版图面积、ＥＳＤ性能的要求等进行具体设计。：“二ｘ，。０Ｐ＿－。。Ｌ当＿一ｒ∥ＳＣＥＬａｔｏ：ａｌ“Ｐ‘ｌＢ¨｝陲未 基。 舅掣图４．６几种ＥＳＤ保护结构的Ｉ．ｖ特性３６图中．ｖｔｌ为保护结构的开启电压，ｖｍ或ｖｍＨ为保持电压，ｋ为第二次崩溃点电流，也称为热击穿电流－ＥＳＤ保护器件在开启后．有如下等式：Ｐｏｗｅｒ＝ｌｅｓｄ＋珊。牌＝Ｈｅａｔ／ｔｉｍｅ，即ＥＳＤ第４章ＳＴＮ．ＬＣＤ商低Ｋ兼容的版图町靠件设计结构要有高的ＥＳＤ防护能力，需要有较低的保持电压。在同样面积下几种保护结构比较，ＬＶＴＳＣＲ 的ＥＳＤ防护能力最强，其次是厚栅ＭＯＳ管，然后是薄栅管Ｓｔｌ－－极管。ＬＶＴＳＣＲ有最低的保持电压， 约为１ｖ左右，ＥＳＤ防护能力最好，但ＬＶＴＳＣＲ结构设计与Ｊ：艺密切相关，同样的结构在不同的．｜＝ 艺上可复制性差，若设计不当，在正常工作下可能被干扰误开启导致电位被锁死。在深Ⅱ微米下， 上述结构都有局限性，需要设计其它更复杂的结构，如带栅偏压或衬底偏置的ＥＳＤ器件。４．３．２高压驱动ＥＳＤ结构设计我们设计的常压ＬＣＤ驱动电路通常采用ｌｕｍ以上的‘Ｔ艺，ＥＳＤ结构设计可采用常规的二极管、 薄栅ＭＯＳ管或厚栅ＭＯＳ管，达到２ＫＶ以上的ＥＳＤ规格比较容易。ＬＣＤ高压驱动电路采用５８所１．５ｕｒｎ ＳＰＤＭＮ一衬底Ｐ阱高低压兼容工艺，ＥＳＤ设计主要包括常压通信端口、高压ＳＥＧ和ＣＯＭ驱动输出端口的ＥＳＤ结构设计，及全芯片高低电源间ＥＳＤ泄放通道的设计。ＬＣＤ高压驱动电路为通 用型电路，ＥＳＤ指标要求是过２ＫＶ，ＥＳＤ版图结构设计主要针对目标并着重结合面积考虑，重点是 高压输出驱动结构的ＥＳＤ设计及全芯片的ＥＳＤ泄放通道设计。．常压通信端口包括输入口及数据端输入输出双向端口，输入口主要采用常压二极管，通过对面积的适当设计能使ＥＳＤ性能达到要求。数据ＤＢ端口的ＥＳＤ结构采用输出驱动管和栅接地的ＧＧＮＭＯＳ管、栅接电源的ＧＰＰＭＯＳ管相结合。ＬＣＤ高压驱动电路的常压通信端口的ＥＳＤ保护结 构如图４．７所示，常压二极管的面积设计为（１８＂３８）ｕｍ２。图４．７中各标注尺寸的均匀设计是提高 ＥＳＤ性能的关键，在二极管设计中，ＰＮ平面结的四周间距、Ｈ－Ｎ＋包孔大小、各接触孔间的间距一 致性要好，经验值ｍｌ可按照设计规则最小值或比最小规则略大进行设计使得泄放阻抗最小，四个 直角应倒角为４５。角，并去掉四周角上的接触孔从而降低表面峰值电场；薄栅管设计中，各间距也 需要均匀设计，ｄ２、ｄ３最关键设计值其经验值ｄ２＝４ｕｍ～５ｕｍ，ｄ３＝ｌｕｍ～２ｕｍ，ｄ４取最小值节省面积， ｄ５、ｄ２的设计也较为关键，其值太小会使得漏端寄生ＰＮ结击穿，ｄ５通常为最小值的２倍以上。ｄ１至ｄ２。高压驱动输出管主要采用高压二极管，其结构及剖面图如图４．８所示，在常压二极管基础上增加了Ｎ－Ｐ．漂移区，Ｄｌ取值与常压二极管相同，而Ｄ２则关系到器件耐压大小。在ＥＳＤ结构的设计中，器件耐压越高，ＥＳＤ保持电压Ｖ的Ｈ也越高，故同样面积下，ＥＳＤ能力比常压器件低很多，故通常采用增加高压二极管面积的方法来提高电路的ＥＳＤ性能。高压二极管面积为（３０＊２８）１１１１１２。 全芯片的ＥＳＤ结构设计中，各组电源地之间的ＥＳＤ泄放通道的设计对提高电路整体ＥＳＤ性能至观重要。多组电源系统的ＥＳＤ常用设计方法有两种，一是在各组电源系统之间分别增加ＥＳＤ保 护结构如二极管结