呂江萍,陳遠(yuǎn)金,劉 霞,陳 超,劉 彬
(北方通用電子集團(tuán)微電子部,江蘇 蘇州 215163)
通過對(duì)失效的集成電路分析發(fā)現(xiàn),大部分失效是因?yàn)闆]有足夠的靜電保護(hù)、和外圍電路電平不匹配、驅(qū)動(dòng)能力不夠等引起的。在集成電路設(shè)計(jì)過程中,可將這些常導(dǎo)致失效的電路組合在一起形成接口電路,它擔(dān)負(fù)著集成電路與外界電路的邏輯控制、電路驅(qū)動(dòng)、電平轉(zhuǎn)換、ESD保護(hù)等功能,這些功能對(duì)集成電路的可靠性起著十分重要的作用,它的好壞直接決定了集成電路可靠性水平的高低。因此如何綜合考慮可靠性指標(biāo)來提高接口電路的可靠性顯得十分重要。本文從電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、封裝設(shè)計(jì)等不同設(shè)計(jì)階段的特點(diǎn)出發(fā),有針對(duì)性地進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì),并總結(jié)了一些設(shè)計(jì)要點(diǎn)和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,提出了可采用接口電路、封裝、PCB三者協(xié)同設(shè)計(jì)的方法,以提高接口電路的可靠性。
接口電路主要包含了ESD保護(hù)、電平轉(zhuǎn)換、電路驅(qū)動(dòng)、邏輯控制等單元電路,按其功能和性能可進(jìn)行如下分類:按抗ESD能力的大小分有2 kV、4 kV人體模型(HBM)的單元電路,按轉(zhuǎn)換不同邏輯電平分有CMOS電平轉(zhuǎn)換成TTL電平或TTL電平轉(zhuǎn)換成CMOS電平的單元電路,按邏輯控制傳輸?shù)男盘?hào)類型來分有輸入、輸出、輸入/輸出雙向、同相/反相、D觸發(fā)器/施密特觸發(fā)器等,按驅(qū)動(dòng)能力大小有小電流、大電流等驅(qū)動(dòng)電路單元。最終根據(jù)具體電路要求將它們相互整合,形成具有不同功能和性能的若干接口電路單元,如某輸入輸出單元具有施密特輸入、CMOS三態(tài)輸出、ESD(HBM)2 kV等功能。
接口電路的可靠性設(shè)計(jì)貫穿到為電路設(shè)計(jì)、版圖設(shè)計(jì)、封裝設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)過程中,每個(gè)設(shè)計(jì)過程對(duì)可靠性設(shè)計(jì)的要求是不一樣的。在電路設(shè)計(jì)時(shí),通過研究電路的指標(biāo),提煉出可靠性指標(biāo),結(jié)合具體半導(dǎo)體工藝參數(shù),選擇合適的電路結(jié)構(gòu),滿足電路可靠性指標(biāo)要求。在版圖設(shè)計(jì)時(shí)主要進(jìn)行單元電路的版圖設(shè)計(jì)以及單元之間的合理布局、抗閂鎖、電源地保護(hù)環(huán)、抗ESD等可靠性設(shè)計(jì)。在封裝設(shè)計(jì)時(shí),主要優(yōu)化焊盤的位置以及降低封裝產(chǎn)生的寄生參數(shù)對(duì)電路的可靠性影響。
在電路設(shè)計(jì)時(shí),將電路的相關(guān)指標(biāo)提煉出相關(guān)可靠性指標(biāo),如抗ESD能力、驅(qū)動(dòng)能力、不同電平之間兼容的能力等,這些都需要有針對(duì)性地選擇相關(guān)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)來達(dá)到可靠性指標(biāo)。它一般包含ESD保護(hù)電路、電路驅(qū)動(dòng)邏輯電路、電平轉(zhuǎn)換電路等電路單元,結(jié)合具體工藝,使用容差設(shè)計(jì)、保護(hù)設(shè)計(jì)、冗余設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)適合的接口電路單元及性能指標(biāo),滿足電路可靠性要求。
3.1.1 ESD保護(hù)電路
ESD保護(hù)電路的作用主要是能為靜電提供有效的泄放通道且自身不被損壞,不影響正常工作的信號(hào)??笶SD能力大小是IC的重要可靠性指標(biāo)之一。正確理解ESD的工作機(jī)理是提高ESD能力的前提。ESD保護(hù)電路的設(shè)計(jì)需要按照ESD設(shè)計(jì)窗口來設(shè)計(jì),如圖1所示,應(yīng)該正確的定義出以下參數(shù):觸發(fā)電壓(Vt1)、保持電壓(Vh)、擊穿電流(It2)。提高ESD保護(hù)器件的性能需要考慮減小觸發(fā)點(diǎn)Vt1的大小,使得觸發(fā)難度降低。由于電流釋放通路的產(chǎn)生,電壓迅速折返到保持電壓Vb,此時(shí)屬于ESD保護(hù)區(qū),不會(huì)隨著開啟ESD保護(hù)通路而造成器件的損壞,擊穿是可恢復(fù)的。加大It2的大小,即導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)加大電流導(dǎo)通能力,在二次擊穿的臨界點(diǎn)如果電壓Vt2繼續(xù)升高,將造成熱擊穿,而熱擊穿是無法恢復(fù)的,即使電壓恢復(fù)正常之后,該結(jié)構(gòu)也將永遠(yuǎn)失效。另外適當(dāng)提高保持電壓Vh的大小,可以提高抗干擾性。
圖1 ESD設(shè)計(jì)窗口及全芯片的ESD保護(hù)電路圖
ESD保護(hù)電路一般采用電阻、晶體管及其二者之間巧妙的組合來實(shí)現(xiàn),電阻的類型主要有多晶硅電阻、阱電阻、注入電阻等,晶體管的類型主要有薄氧器件、場(chǎng)氧器件、SCR、NPN等。保護(hù)結(jié)構(gòu)主要有輸入保護(hù)、輸出保護(hù)、電源地保護(hù)等類型。圖1(b)展示了一個(gè)全芯片的ESD保護(hù)電路示意圖,必須保證能為任何兩個(gè)管腳之間提供低阻通路,如輸入端到輸出端可以通過輸入端→地線→輸出端的路徑泄放電流(如圖中灰色箭頭所示)。如果保護(hù)器件在輸入端口,則保護(hù)器件的觸發(fā)電壓Vtl必須小于內(nèi)部MOS管的柵氧擊穿電壓,否則內(nèi)部MOS管就會(huì)在保護(hù)器件開啟之前被打壞,保護(hù)器件就起不到保護(hù)作用。如果在輸出端口,則保護(hù)器件的觸發(fā)電壓必須小于輸出管的漏/襯底反向擊穿電壓,否則ESD電流會(huì)先從輸出管流過,保護(hù)器件失效。當(dāng)保護(hù)器件加在電源和地之間時(shí),除了觸發(fā)電壓需要高于電源電壓、低于柵氧擊穿電壓之外,維持電壓也必須高于電源電壓,否則會(huì)在芯片正常工作時(shí)引起閂鎖。在整個(gè)芯片內(nèi)部,必須全面考慮到各個(gè)管腳之間的放電路徑以及各個(gè)管腳的工作環(huán)境。這使得ESD的設(shè)計(jì)在不同工藝下具有不可復(fù)制性,即使在同一工藝下,各種不同類型的管腳之間的ESD保護(hù)器件同樣需要分別進(jìn)行設(shè)計(jì),這就使得ESD保護(hù)器件設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜和艱難。
3.1.2 邏輯控制及驅(qū)動(dòng)電路
邏輯控制及驅(qū)動(dòng)電路承擔(dān)了一定的邏輯功能并能提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)能力,一般用在輸入/輸出或輸出端口上。圖2是一個(gè)輸入/輸出雙向三態(tài)單元電路原理圖,它具有輸入/輸出或者高阻狀態(tài)的功能。該模塊電路有兩個(gè)控制端(SW、C)和一個(gè)數(shù)據(jù)端(D)。數(shù)據(jù)端D連接到芯片的內(nèi)部邏輯,它可能讀入焊盤上的信號(hào),也可能輸出內(nèi)部信號(hào)到焊盤。控制端C的狀態(tài)用于控制I/O的輸入還是輸出,控制端SW的狀態(tài)決定I/O是否處于高阻狀態(tài)。電路工作原理是:當(dāng)SW為高電平“1”且C為“1”時(shí),焊盤上信號(hào)經(jīng)邏輯電路同相地傳送到數(shù)據(jù)端D,電路處于讀入(輸入)狀態(tài),完成輸入功能;當(dāng)SW為“1”且C為“0”時(shí),數(shù)據(jù)端D信號(hào)經(jīng)邏輯電路同相地傳送到焊盤上,電路處于讀出(輸出)狀態(tài),完成輸出功能。當(dāng)SW為低電平“0”時(shí),兩對(duì)MOS管P0、N0和P1、N1均處于截止?fàn)顟B(tài),內(nèi)部電路和焊盤之間完全被隔離,端口處于高阻狀態(tài)。輸入輸出的驅(qū)動(dòng)能力由兩對(duì)MOS管P0、N0和P1、N1分別提供,改變其尺寸可得到不同的驅(qū)動(dòng)能力。
圖2 輸入/輸出雙向三態(tài)單元電路原理圖
在圖2的電路基礎(chǔ)上,適當(dāng)增加一些門電路就能得到具有反相、D觸發(fā)器或施密特觸發(fā)器等功能的邏輯控制及驅(qū)動(dòng)電路,如直接輸出/觸發(fā)器輸出、反相/同相輸出、漏極開路輸出和全速輸出/限速輸出、不同的驅(qū)動(dòng)能力等,它能對(duì)信號(hào)反相、保存輸入信號(hào)或?qū)ζ溥M(jìn)行整形,消除噪聲的影響,避免誤動(dòng)作的產(chǎn)生。
3.1.3 電平轉(zhuǎn)換電路
在設(shè)計(jì)數(shù)字電路或系統(tǒng)中,一般只采用一種邏輯系列,如TTL、CMOS等中的一種系列,但有時(shí)電路對(duì)工作速度或者功耗等指標(biāo)的要求,需要兼容不同邏輯系列,由于其電壓和電流參數(shù)各不相同,需要采用電平轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換使其相互兼容。
以TTL門驅(qū)動(dòng)CMOS門為例,此時(shí)TTL為驅(qū)動(dòng)器件,CMOS為負(fù)載器件。一般TTL電路的邏輯電平是:VOH=2.4 V,VOL=0.4 V,在5 V電源電壓下要求CMOS電路能接受的最壞情況輸入電平范圍是:VIHmin=2.0 V,VILmax=0.8 V。如果將TTL輸出電平直接送入CMOS電路的輸入端,可能使電路無法正常工作,因?yàn)閂ILmax會(huì)使NMOS管導(dǎo)通,而VIHmin也會(huì)使PMOS管導(dǎo)通,因此需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路把TTL的輸出電平轉(zhuǎn)換成合格的CMOS輸入邏輯電平,再送入其他CMOS電路。圖3是一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路圖,它是由兩級(jí)反相器和一個(gè)PMOS反饋管組成,只要把它的邏輯閾值設(shè)計(jì)在輸入高低電平之間,即:。當(dāng)Vit為1.4 V左右,就可以實(shí)現(xiàn)TTL電平到CMOS電平的轉(zhuǎn)換。第一級(jí)反相器完成電平轉(zhuǎn)換,第二級(jí)反相器進(jìn)行驅(qū)動(dòng),為了改善其輸出高電平,增加了PMOS反饋管P3,電平轉(zhuǎn)換電路的電壓轉(zhuǎn)移特性如圖3所示,圖中CMOS反相器的邏輯閾值為1.45 V,滿足要求。
圖3 電平轉(zhuǎn)換電路及電壓轉(zhuǎn)移特性
在上面三種模塊單元設(shè)計(jì)好之后,可以根據(jù)具體電路要求將其相互組合,形成不同功能和性能的接口電路單元,如按邏輯控制傳輸?shù)男盘?hào)來分有輸入、輸出、輸入/輸出雙向、同相/反相、D觸發(fā)器/施密特觸發(fā)器;按驅(qū)動(dòng)電路單元中驅(qū)動(dòng)能力大小有小電流、大電流等;按電平轉(zhuǎn)換電路來分有:CMOS到TTL的接口或TTL到CMOS的接口;按抗ESD(HBM)能力大小有2 kV、4 kV等不同。如某輸入輸出單元具有施密特輸入、CMOS三態(tài)輸出、ESD(HBM)2 kV等功能。
當(dāng)接口電路的單元電路設(shè)計(jì)好之后,就可進(jìn)行版圖設(shè)計(jì)。首先重點(diǎn)考慮各單元電路特別是ESD保護(hù)電路的版圖設(shè)計(jì),其次考慮單元之間的布局設(shè)計(jì),按各單元對(duì)內(nèi)部電路和外界的敏感程度依次擺放。設(shè)計(jì)好的接口電路的版圖僅僅通過與電路的一致性檢查是不夠的。由于許多失效現(xiàn)象在版圖設(shè)計(jì)時(shí)是無法預(yù)見或仿真的,只有到流片結(jié)束進(jìn)行可靠性試驗(yàn)時(shí)才能發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷,給版圖設(shè)計(jì)帶來一定難度。因此,接口單元版圖并不遵從最小的設(shè)計(jì)規(guī)則來進(jìn)行,往往以加大面積換來可靠性性能的提升,綜合考慮接口電路的可靠性如驅(qū)動(dòng)能力、抗閂鎖、抗ESD能力等要求。設(shè)計(jì)完成的版圖單元包含了接口電路所有的功能,該單元具有等高等寬的外部形狀,單元的電源、地線的寬度和相對(duì)位置是統(tǒng)一的,以方便單元之間的拼接。
3.2.1 ESD保護(hù)電路的版圖設(shè)計(jì)
接口電路的單元最難設(shè)計(jì)的是ESD保護(hù)電路的版圖。因?yàn)樗陔娐返男酒娣e、ESD性能、保護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)電路特性如輸入信號(hào)完整性、電路速度、輸出驅(qū)動(dòng)能力等方面的影響進(jìn)行平衡考慮設(shè)計(jì)。同時(shí),不同的工藝和電路,每個(gè)ESD版圖結(jié)構(gòu)都需要重新設(shè)計(jì),相互之間缺少借鑒。且在版圖設(shè)計(jì)階段,由于缺少必要的軟件,很難對(duì)設(shè)計(jì)好的ESD版圖給出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià),只有在芯片流片結(jié)束后進(jìn)行ESD試驗(yàn)時(shí)才能確認(rèn)其抗ESD能力,如果抗ESD能力達(dá)不到要求,需要反復(fù)優(yōu)化ESD版圖,直至其滿足要求。
ESD保護(hù)電路只是設(shè)計(jì)了一些ESD結(jié)構(gòu),但對(duì)于版圖設(shè)計(jì)來說,設(shè)計(jì)的版圖僅僅通過與電路的一致性檢查是不夠的。如何設(shè)計(jì)這些結(jié)構(gòu)、如何放置這些結(jié)構(gòu)、如何利用工藝規(guī)則提高ESD的能力,對(duì)版圖設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合考驗(yàn),不能忽略哪怕一個(gè)很小的細(xì)節(jié)問題,而這往往正是ESD設(shè)計(jì)薄弱的地方。正因?yàn)槿绱耍峁┮恍〦SD設(shè)計(jì)準(zhǔn)則全面考量ESD設(shè)計(jì)能力顯得更有意義,以下試舉了一些ESD設(shè)計(jì)準(zhǔn)則:
(1)對(duì)所有的管腳進(jìn)行ESD保護(hù)設(shè)計(jì),對(duì)全芯片進(jìn)行ESD設(shè)計(jì),提高全芯片的抗ESD能力;
(2)嚴(yán)格遵從工藝廠家提供的ESD設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行版圖設(shè)計(jì),盡量做到均勻設(shè)計(jì),避免出現(xiàn)薄弱的地方;
(3)在ESD版圖設(shè)計(jì)中進(jìn)行熱設(shè)計(jì),為了使熱量分布均勻,適當(dāng)增加漏端接觸孔到多晶硅柵的距離;
(4)在ESD版圖設(shè)計(jì)中進(jìn)行電場(chǎng)設(shè)計(jì),為了使電場(chǎng)不在拐角處過分集中,在拐角處要用45°或135°走線;
(5)在ESD版圖設(shè)計(jì)中進(jìn)行布線設(shè)計(jì),在電源地線設(shè)計(jì)時(shí),ESD保護(hù)結(jié)構(gòu)的電源地線盡量與內(nèi)部走線分開,走線盡可能寬,減小走線的電阻,走線上要盡可能多地增加阱與襯底的接觸孔,形成電源地間的電壓箝位及ESD電流泄放通道。
3.2.2 布局設(shè)計(jì)
接口電路的版圖布局設(shè)計(jì)主要考慮各單元電路在版圖中的位置和電源地保護(hù)環(huán)的位置進(jìn)行設(shè)計(jì)。一般按照單元電路對(duì)內(nèi)部電路和外界的敏感程度大小,依次遠(yuǎn)離內(nèi)部電路。圖4(a)為一個(gè)接口電路的布局示意圖,圖中合理安排邏輯控制及電平轉(zhuǎn)換電路、ESD保護(hù)電路等的位置,通過設(shè)置不同電源地保護(hù)環(huán)對(duì)各單元電路進(jìn)行隔離,來提高電路抗閂鎖能力,提高接口電路的可靠性。圖4(b)為一個(gè)多電源保護(hù)環(huán)接口單元的版圖,圖中將焊盤、ESD電路、邏輯電路依次遠(yuǎn)離外界擺放,并且對(duì)地、對(duì)電源的保護(hù)管分開設(shè)計(jì),ESD之間、ESD和邏輯電路之間插有電源地(VDD33、VSSD)的保護(hù)環(huán),適當(dāng)加大了布線的寬度和間距。需要注意不同單元電路使用不同的電壓,如邏輯電路的電源地為VDD18(1.8 V)和VSS,ESD保護(hù)電路的電源地為VDD33(3.3 V)和VSSD。
圖4 接口電路版圖
設(shè)計(jì)完成的版圖單元包含了接口電路所有的功能,可以按照抗ESD能力的大小形成不同的設(shè)計(jì)庫,如抗ESD 2 kV的庫、或抗ESD 4 kV的庫,里面包含了各種要求的版圖單元,如按接口電路單元的類型進(jìn)行區(qū)分,有輸入單元、輸出單元、I/O單元、不同電源單元、地單元等的版圖,最終都是以等高的標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)形式出現(xiàn),單元的電源、地線的寬度和相對(duì)位置是統(tǒng)一的,以方便單元之間的拼接。
完成的版圖具有等高等寬的外部形狀,單元的電源、地線的寬度和相對(duì)位置是統(tǒng)一的,以方便單元之間的拼接。設(shè)計(jì)好的接口電路單元,可形成設(shè)計(jì)庫,如供版圖設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用,引用經(jīng)過驗(yàn)證的接口電路單元,形成與電路的接口單元相對(duì)應(yīng)的版圖單元。
所有的集成電路最終都要和外部電路相連,這是通過熱壓、超聲鍵合等封裝方式,用細(xì)金屬絲把芯片焊盤與管殼的引線框架相連,成為一個(gè)封裝完整的集成電路成品。經(jīng)常出現(xiàn)芯片中測(cè)時(shí)各項(xiàng)性能指標(biāo)都非常好,但封裝后芯片出現(xiàn)信號(hào)串?dāng)_、時(shí)序變差、噪聲增加等性能降低的現(xiàn)象。究其原因,是在設(shè)計(jì)焊盤位置時(shí),沒有仔細(xì)考慮焊盤之間的影響,另外,沒有考慮由于封裝所引入的寄生參數(shù)對(duì)電路性能產(chǎn)生的影響。因此,要使電路達(dá)到好的性能,需進(jìn)行封裝設(shè)計(jì),以降低封裝設(shè)計(jì)對(duì)電路可靠性的影響。
在進(jìn)行芯片焊盤的布局設(shè)計(jì)時(shí),按焊盤的重要性程度安排焊盤的位置,不將易受影響的焊盤放在一起,防止相互之間出現(xiàn)干擾。首先考慮重要的焊盤如時(shí)鐘、模擬輸入、地址輸入、數(shù)據(jù)輸出等焊盤位置。一般將它們放在芯片的中間位置,有利于芯片時(shí)鐘樹平衡生長(zhǎng),有利于地址線的均勻布線,有利于數(shù)據(jù)輸出有相同的延時(shí)。其次考慮次要的焊盤如電源地、使能、控制等焊盤位置。在擺放電源地焊盤時(shí),合理布置電源地的焊盤位置及個(gè)數(shù),如在芯片上下分別放置了一對(duì)電源地焊盤,采用多電源路徑分離了等效電感,降低了線性情況下的電源波動(dòng)。在安排使能、控制焊盤擺放時(shí),盡量遠(yuǎn)離模擬輸入信號(hào),盡量不對(duì)其他的焊盤點(diǎn)產(chǎn)生影響。最后安排一些不重要的焊盤,如測(cè)試焊盤點(diǎn)等,如果有多余的焊盤位置,可考慮增加一些電源地的焊盤點(diǎn),這樣能使供電更加充分。
在選擇電路的封裝形式時(shí),要考慮封裝產(chǎn)生的寄生參數(shù),主要有內(nèi)引線自感、外引線自感、外引線對(duì)地電容、外引線之間的互感以及外引線之間的電容。隨著芯片復(fù)雜度不斷提高,噪聲容限、功耗和特征尺寸不斷降低,這些寄生參數(shù)對(duì)整個(gè)電路系統(tǒng)電特性的影響日趨明顯,已不能簡(jiǎn)單將互連線視為無電阻、無電容、無電感的金屬導(dǎo)線。不同封裝類型的寄生參數(shù)有很大的差別,選擇合適的封裝類型來降低寄生參數(shù),同時(shí)在電路仿真時(shí)要包含一個(gè)合理的封裝模型,并通過電路設(shè)計(jì)和版圖設(shè)計(jì)采取多種預(yù)防措施來減小封裝寄生參數(shù)對(duì)電路的影響。如在電路設(shè)計(jì)時(shí)加大接口電路抗干擾能力,在版圖設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)敏感焊盤采用多個(gè)焊盤、多條內(nèi)引線和多個(gè)封裝管腳的辦法來降低等效電感,在關(guān)鍵的內(nèi)引線間插入穩(wěn)定的地線或電源線來減小電感之間的相互耦合。
另外,芯片的壓焊點(diǎn)和封裝引線位置一旦確定,通過縮短信號(hào)線長(zhǎng)度或增加信號(hào)線布線寬度等傳統(tǒng)方法優(yōu)化寄生參數(shù)的作用有限。因此可充分考慮封裝、PCB和芯片三者協(xié)同設(shè)計(jì)的方法和理念,不斷調(diào)整和優(yōu)化封裝寄生參數(shù),以期改進(jìn)封裝的電特性,提高接口電路的性能和可靠性。
集成電路的可靠性是衡量電路的一個(gè)重要指標(biāo),它依靠接口電路的可靠性設(shè)計(jì)而得到,接口電路可靠性設(shè)計(jì)的好壞決定了集成電路可靠性水平的高低。文中通過對(duì)接口電路中的ESD電路、電平轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)電路等在電路、版圖設(shè)計(jì)中進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì),來提高集成電路的可靠性水平。同時(shí)分析了由于焊盤排列設(shè)計(jì)不合理和封裝產(chǎn)生的寄生參數(shù)對(duì)電路可靠性產(chǎn)生的影響,給出了一些建議,提出了芯片、封裝和PCB三者協(xié)同設(shè)計(jì)的方法和理念。
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