I/O PAD是芯片與外部電路連接的關鍵部分，通常由壓焊塊、電路、電源線和地線組成。壓焊塊（PAD）用于通過金線連接芯片與封裝管座，形狀通常為幾十微米的矩形。為了避免金線短路，不同封裝形式的PAD之間需要保持一定的最小距離。

          

I/O PAD一般采用標準單元結構形式，具有一套I/O庫，其形狀通常為等高不等寬。有時PAD指的是整個I/O單元，而Bounding PAD僅指壓焊塊。

1.1 基本的I/O庫組成

I/O庫通常包括以下幾種PAD：    

1.供電PAD：如PAD_VDD、PAD_VSS等，負責為芯片供電。

2.信號PAD：包括模擬信號PAD（如ANIN）和數字信號PAD（區分input和output），模擬信號PAD通常是一塊鐵片，有時需要用戶根據要求添加ESD保護電路。

3.電壓轉換電路：通過level shifter實現電壓轉換，電壓值依賴于芯片工藝。

1.2 I/O單元的電路設計

I/O單元電路主要功能包括ESD保護、電壓轉換（level shifter）、施密特觸發器、以及電源環路的提供。電路可進一步分為pre-driver和post-driver，前者負責core電壓部分，通常為低壓1.0V；后者負責pad上的高壓部分，通常為3.3V，并提供較大的驅動能力與ESD保護。    

          

二、幾種常見的數字I/O單元    

I/O單元可以分為輸入單元、輸出單元和輸入輸出單元。以下為其具體設計和功能介紹：

2.1 輸入I/O單元

輸入單元主要承擔對內部電路的保護，特別是ESD保護。其基本原理是通過低阻抗并聯通道釋放靜電，并將ESD電壓鉗制在足夠低的水平，以防止損壞芯片。

常見的ESD保護電路有單二極管+電阻結構和雙二極管+電阻結構，分別用于泄放正、負高電壓。

          

2.2 輸出I/O單元

輸出單元的主要功能是提供驅動能力，同時兼具一定的邏輯功能。常見的輸出單元包括倒相輸出、同相輸出、三態輸出以及金屬掩膜編程的輸入輸出單元。大驅動能力意味著更快的充電速度，需要更大的電流，因此寬長比大的MOS管更適合此類應用。

對于倒相輸出的I/O PAD，通常采用倒相器鏈驅動，以應對大電容負載。通過合理設計倒相器鏈的級數和驅動能力，可以優化整個電路的速度和性能。

2.3 其他I/O單元

·同相輸出I/O PAD：采用“倒相+倒相”或偶數級倒相器鏈設計。

·三態輸出I/O PAD：用于總線控制，當總線未被使用時，呈現高阻態。

·開漏輸出單元：通過上拉網絡實現線與功能，適用于多個輸出并聯的場景。

2.4 輸入輸出I/O單元

輸入輸出單元通常通過控制信號切換其功能。根據不同的連線，可以將該單元配置為輸入或輸出模式，實現靈活的電路設計。

 

三、I/O PAD的其他基本概念

3.1 I/O PAD的擺放方式    

I/O PAD的擺放方式包括Inline和Staggered。當單層inline pad ring無法滿足面積要求時，可以使用交錯擺放的Staggered方式，以增加PAD的數量。

3.2 Pad Limited與Core Limited設計

根據限制芯片大小的因素不同，設計可分為Pad Limited和Core Limited。對于Pad Limited設計，通常使用Staggered擺放或Flip Chip封裝來容納更多的PAD。

3.3 Corner PAD與Filler PAD

Corner PAD和Filler PAD用于連接芯片拐角處和相鄰的I/O PAD，形成電源地環路，確保電路的連續性和可靠性。

3.4 I/O PAD的選擇

在選擇I/O PAD時，需根據具體應用場景確定Signal Pad和Power Pad的數量，確保設計的穩定性和性能。

通過對芯片I/O單元結構和設計的詳細探討，可以幫助設計工程師更好地理解和應用I/O單元，優化芯片性能并確保其可靠性。