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指定芯片承受靜電放電 (ESD) 能力的標(biāo)準(zhǔn)一直在發(fā)生變化 - 在某些情況下變得更加嚴(yán)格，而在其他情況下則變得寬松。ESD 保護(hù)已經(jīng)從一刀切的方法轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)的使用有助于確定應(yīng)獲得哪種保護(hù)的方法。

保護(hù)芯片免受ESD損壞一直是 IC 設(shè)計(jì)的一個(gè)長(zhǎng)期組成部分。要求和電路多年來(lái)一直保持穩(wěn)定，因此只需插入 IP 即可繼續(xù)。直到大約 10 年前，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員才需要花費(fèi)更多精力來(lái)做出與 ESD 相關(guān)的決策。而回頭再看，這種情況一直在改變中。

隨著硅工藝的進(jìn)步，當(dāng)我們更仔細(xì)地觀察數(shù)據(jù)時(shí)，我們?cè)谀承┣闆r下可能對(duì)自己太苛刻了。我們可能需要為其他人提供更多保護(hù)。

芯片和系統(tǒng)

兩個(gè)級(jí)別的范圍：芯片和系統(tǒng)

不同組織有兩套不同的 ESD 標(biāo)準(zhǔn)，它們代表了截然不同的關(guān)注點(diǎn)。在最低層面上，如果制造過(guò)程中發(fā)生 ESD 事件，芯片可能會(huì)損壞。因此，JEDEC 和 ESD 協(xié)會(huì) (ESDA) 針對(duì)芯片所有引腳的 ESD 保護(hù)制定了一系列規(guī)范。這些額定值僅適用于將芯片放置到電路板上的情況。之后，引腳就不再那么脆弱了。

重點(diǎn)是確保芯片不會(huì)失敗。

雖然組裝板可能比單個(gè)芯片更堅(jiān)固，但 ESD 仍然是系統(tǒng)級(jí)的一個(gè)問(wèn)題。在這種情況下，問(wèn)題不在于制造，而在于實(shí)際使用。如今的現(xiàn)實(shí)情況是，客戶(hù)期望獲得高 ESD 保護(hù)，尤其是在具有大量人機(jī)界面的應(yīng)用中。

芯片級(jí) ESD 處理芯片上的每個(gè)信號(hào)，而系統(tǒng)級(jí) ESD 只關(guān)注發(fā)送到外界的信號(hào)。如果有人在鋪著地毯的地板上拖著腳步觸摸 USB 和 HDMI 等面向消費(fèi)者的信號(hào)，這些信號(hào)可能會(huì)受到影響。系統(tǒng)級(jí) ESD 由一系列 IEC 61000 規(guī)范指定。

盡管先進(jìn)封裝存在一些灰色地帶，但芯片級(jí)和系統(tǒng)級(jí)保護(hù)的規(guī)格和測(cè)試方法是不同的。（本文的重點(diǎn)是嚴(yán)格的芯片級(jí) ESD，如 JEDEC/ESDA 規(guī)范所述。）

這兩個(gè)層面之間存在相互作用。更多芯片級(jí)保護(hù)可以使系統(tǒng)級(jí)保護(hù)變得更容易。保護(hù)系統(tǒng)需要添加分立的無(wú)源器件，因此會(huì)影響物料清單 (BOM)。“更高的on-chip ESD 意味著更少的外部分立器件,"。如果芯片承擔(dān)更多的保護(hù)負(fù)擔(dān)，則需要更少的無(wú)源器件，從而減少 BOM。

挑戰(zhàn)在于，隨著工藝尺寸的縮小，芯片級(jí) ESD 保護(hù)會(huì)占用更多的面積。ESD 和閂鎖專(zhuān)家認(rèn)為：“先進(jìn)的硅材料太貴了?！?nbsp;因此，對(duì)更多芯片級(jí)保護(hù)的渴望與提供這種保護(hù)的成本之間存在著推力和拉力。

Imec ESD 團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人曾 示，對(duì)于確實(shí)不想處理系統(tǒng)級(jí) ESD 的客戶(hù)，可以通過(guò)將瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 與芯片共同封裝來(lái)提供成本較低的芯片級(jí) ESD 保護(hù)。從外面看，它看起來(lái)就像一個(gè)單一的High-ESD 芯片。在內(nèi)部，使用廉價(jià)的 TVS 代替昂貴的on-chip ESD 電路。

三個(gè)可靠性問(wèn)題：ESD、EOS 和閂鎖

雖然這里的重點(diǎn)是 ESD，但它與其他兩個(gè)可靠性概念 — 電氣過(guò)應(yīng)力 (EOS) 和閂鎖(latch-up)密切相關(guān)。

比如這些問(wèn)題都是現(xiàn)在所謂的“電致物理?yè)p壞”或“EIPD”的各個(gè)方面。此一般類(lèi)別旨在提供更好的故障分析 (FA) 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。先進(jìn)節(jié)點(diǎn)的引腳變得更加脆弱：“ FinFET和GAA器件由于垂直電阻較高，更容易發(fā)生閂鎖。盡管還有其他觸發(fā)因素，但它可能是由 ESD 引起的”。

正如上面所描述的那樣，損壞的部件將被退回進(jìn)行 FA，經(jīng)過(guò)第一次檢查，原因可能會(huì)被列為可能由 ESD 引起。但全面調(diào)查可能無(wú)法證實(shí)這一診斷。更令人困惑的是，初步診斷通常不會(huì)更新以反映最終結(jié)果。他懷疑 ESD 故障因此被高估了。因此，EIPD 類(lèi)別提供了更普遍的首次診斷，不會(huì)使報(bào)告對(duì)任何可能是根本原因的 EIPD 因素產(chǎn)生偏見(jiàn)。

ESD 是指問(wèn)題發(fā)生的機(jī)制。一些人認(rèn)為，可能的結(jié)果之一是 EOS，而有些人確實(shí)認(rèn)為 ESD 是 EOS 的子集。其他人則將它們視為獨(dú)立的。有經(jīng)驗(yàn)者認(rèn)為ESD是納秒級(jí)事件，而EOS是毫秒級(jí)事件。閂鎖（latch-up)還可能導(dǎo)致 EOS，而如果設(shè)備上電，則 ESD 可能會(huì)導(dǎo)致閂鎖（latch-up)?，F(xiàn)在執(zhí)行通電時(shí)的 ESD 測(cè)試，以確保不會(huì)導(dǎo)致閂鎖。因此，雖然這三種現(xiàn)象被視為截然不同，但它們卻相互影響。

不斷發(fā)展的規(guī)格

三種 ESD 模式發(fā)展成二種模式
傳統(tǒng)上存在三種不同的 ESD 模型：人體模型 (HBM)、充電器件模型 (CDM) 和機(jī)器模型 (MM)。它們受不同的 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)管轄：HBM 和 MM 受JS-001涵蓋；JS-002涵蓋了 CDM 。ESDA 過(guò)去一直維護(hù)自己的規(guī)范，但在 2010 年，兩個(gè)組織開(kāi)始協(xié)調(diào)其規(guī)范以避免混淆。

HBM 試圖模擬人類(lèi)觸摸芯片如何傳遞能量。當(dāng)電荷耗盡時(shí)，電流會(huì)在引腳處產(chǎn)生中等電壓并產(chǎn)生長(zhǎng)尾。相比之下，機(jī)器人測(cè)試和裝配數(shù)量的增加使得 CDM 變得越來(lái)越重要。該模型注入電流的速度要快得多，在第一個(gè)脈沖后振鈴而不是緩慢衰減。

與此同時(shí)，業(yè)界已經(jīng)淘汰了MM模式。正如 JEP172 中所述，“JEDEC 與工業(yè)委員會(huì)合作……強(qiáng)烈建議停止用于 ESD 組件資格要求的機(jī)器模型……在器件級(jí)別，MM 相對(duì)于 HBM 是冗余的，因?yàn)樗a(chǎn)生相同的故障機(jī)制，并且這兩個(gè)模型通常跟蹤彼此之間的魯棒性和故障模式產(chǎn)生......測(cè)試方法被錯(cuò)誤地命名為“機(jī)器模型”，盡管模型與實(shí)際機(jī)器引起的設(shè)備故障之間沒(méi)有建立牢固、獨(dú)特的聯(lián)系。

雖然 HBM 和 CDM 都是活躍的規(guī)范，但不同的應(yīng)用程序和技術(shù)將優(yōu)先考慮其中之一，而 CDM 似乎越來(lái)越受到關(guān)注。對(duì)于具有 finFET 的器件，主要關(guān)注的是 CDM。相比之下，汽車(chē)制造商則同時(shí)關(guān)注 HBM 和 CDM。

這些器件中的每一個(gè)都必須能夠處理 ESD 事件產(chǎn)生的高電流，因此每個(gè)器件都必須很大。結(jié)果，整個(gè)電路消耗了大量昂貴的硅。

ESD 事件不知道也不關(guān)心設(shè)備是基于什么工藝構(gòu)建的，因此很難僅降低高級(jí)節(jié)點(diǎn)的電壓規(guī)格。如果較低的電壓在高級(jí)節(jié)點(diǎn)上足夠好，那么在較舊的節(jié)點(diǎn)上也應(yīng)該足夠好。

盡管向較低水平的推動(dòng)是由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的，但有些成熟的公司已經(jīng)達(dá)到了比提議的新公司更高的水平。出于競(jìng)爭(zhēng)原因，即使標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生變化，他們也不愿意減少數(shù)量?！耙恍┛蛻?hù)正在推動(dòng)更高的水平，因?yàn)檫@是一種競(jìng)爭(zhēng)行為。這可能會(huì)讓其他可能因此失去socket的公司陷入困境?！叭绻且患覔碛?4kV 保護(hù)的已成立的老公司，而一篇論文稱(chēng)您只需要1kV，那么選擇設(shè)備的人可能仍然會(huì)選擇 4kV 部件，只是因?yàn)樗臄?shù)字更高”，因此，新的、較低的標(biāo)準(zhǔn)需要很長(zhǎng)時(shí)間才能生效。

每個(gè)芯片級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（適用于兩種型號(hào)的 JEDEC 和 AEC）都提供了測(cè)試方法和芯片分類(lèi)方法，以及每個(gè)規(guī)格的評(píng)級(jí)系統(tǒng)。表 1 總結(jié)了這些內(nèi)容。該標(biāo)準(zhǔn)不需要任何芯片。他們僅提供評(píng)級(jí)。由客戶(hù)決定他們的需求。

CDM 測(cè)試似乎相對(duì)令人擔(dān)憂(yōu)，因?yàn)闃I(yè)界發(fā)現(xiàn)很難以可重復(fù)的結(jié)果進(jìn)行測(cè)試。還有許多變量會(huì)影響測(cè)試，例如包裝的大小。目前正在努力改善這種情況。

還有一類(lèi)引腳也受到特殊對(duì)待——模擬和射頻引腳。電容式 ESD 保護(hù)電路會(huì)影響信號(hào)的行為，使其難以提供全面的保護(hù)?！吧漕l是最困難的事情，人們無(wú)法承受任何額外的電容。你無(wú)能為力。這是不可避免的。客戶(hù)明白這一點(diǎn)?！?/span>

先進(jìn)封裝的影響

這將我們帶到了芯片/系統(tǒng)的灰色地帶——先進(jìn)封裝。只有最大的公司才在早期階段制造這些設(shè)備，而且進(jìn)展并不總是順利。因?yàn)橛行┤擞龅搅?ESD 和閂鎖問(wèn)題。

芯片級(jí)保護(hù)的想法是確保芯片能夠在系統(tǒng)制造過(guò)程中幸存下來(lái)。系統(tǒng)級(jí) ESD 背后的理念是在設(shè)備的使用壽命內(nèi)保護(hù)設(shè)備。對(duì)于芯片級(jí)，所有引腳都容易受到攻擊。但對(duì)于系統(tǒng)級(jí)來(lái)說(shuō)，只有退出系統(tǒng)的信號(hào)才容易受到攻擊。

這就建立了一個(gè)系統(tǒng)級(jí)概念，其中暴露的信號(hào)需要高度保護(hù)，但內(nèi)部信號(hào)不需要。它可以應(yīng)用于先進(jìn)封裝，其中封裝內(nèi)的芯片到芯片連接可能需要比離開(kāi)封裝的信號(hào)更低的保護(hù)?！巴ㄟ^(guò)先進(jìn)的封裝，芯片間信號(hào)可以減少 ESD”。

但從外部看，外部信號(hào)看起來(lái)就像任何其他芯片信號(hào)一樣，并且當(dāng)封裝安裝在板上時(shí)，它們需要在制造過(guò)程中幸存下來(lái)。因此芯片級(jí)和系統(tǒng)級(jí) ESD 概念都適用于此。

盡管如此，事情還是沒(méi)那么簡(jiǎn)單。單片芯片有一個(gè)硅后組裝步驟，即將它們安裝到電路板上。先進(jìn)封裝中的芯片有兩個(gè)步驟：將芯片與其他芯片組裝成先進(jìn)封裝的步驟，然后將完整的先進(jìn)封裝組裝到電路板上的步驟。

第二步意味著面向外部的信號(hào)必須具有標(biāo)準(zhǔn)芯片級(jí)保護(hù)（或更高級(jí)別）。但是，如果內(nèi)部信號(hào)仍需要在封裝組裝過(guò)程中幸存下來(lái)，那么它們?nèi)绾尾拍芫哂休^低的 ESD 保護(hù)呢？先進(jìn)封裝發(fā)生在大型代工廠(chǎng)或封裝廠(chǎng)內(nèi)，這些工廠(chǎng)或封裝廠(chǎng)的環(huán)境控制得非常好，這比電路板組裝廠(chǎng)可能擁有的條件要好。因此，未離開(kāi)封裝的芯片信號(hào)的 ESD 水平合理地低于將離開(kāi)封裝的芯片信號(hào)。

然而，這并不意味著內(nèi)部信號(hào)不需要保護(hù)。盡管他們可能不需要全面的解決方案，他們?nèi)匀恍枰?jí) CDM 保護(hù)。

有人提出在內(nèi)部信號(hào)上指定 ESD 的另一個(gè)實(shí)際限制，其中許多信號(hào)通過(guò)微凸塊連接到內(nèi)插器。此時(shí)無(wú)法測(cè)試微凸塊信號(hào)，因?yàn)樗鼈兲∏冶舜司嚯x太近，無(wú)法將 ESD 事件隔離為單個(gè)信號(hào)。

保護(hù)電路正在發(fā)生變化

ESD 保護(hù)電路多年來(lái)一直保持一致，但久經(jīng)考驗(yàn)的方法不再那么可靠?！坝捎谠O(shè)計(jì)規(guī)則和更高電阻的金屬觸點(diǎn)等因素，ESD 電路的設(shè)計(jì)變得越來(lái)越復(fù)雜”。

傳統(tǒng)電路通常依賴(lài)于眾所周知的接地柵極 NMOS (ggNMOS) 晶體管的快速恢復(fù)行為。但晶圓間的差異現(xiàn)在已經(jīng)足夠高，以至于有人說(shuō)它不再是 finFET 或絕緣體上硅 (SOI) 工藝的可靠機(jī)制。此外，故障電流較低，漏電較高。關(guān)于前進(jìn)的最佳方式有兩個(gè)主要陣營(yíng)。其中一種提倡使用堆疊二極管來(lái)處理更高的柵極電壓和大量電流。這些二極管從引腳連接到任一軌，并且由有源軌到軌鉗位器支持，因此這種方法被稱(chēng)為“基于軌”。

另一種方法是使用某種類(lèi)型的快速恢復(fù)裝置，例如可控硅整流器（SCR，也稱(chēng)為“晶閘管”）。這種方法稱(chēng)為“基于墊(pad)"。SCR 可以以更小的結(jié)面積處理相同的高電流，從而減少泄漏。但SCR 已不再適用于最先進(jìn)的節(jié)點(diǎn)，雖然 ggNMOS 晶體管仍然可用，但它們必須非常大才能正常工作。但有時(shí)它們是需要的：“然后你就可以擁有‘故障安全’I/O，他指的是某些系統(tǒng)級(jí)規(guī)范提出的要求。

基于pad方法仍然具有軌到軌夾具，但它不像基于軌的方法那樣有助于pad保護(hù)。

雖然這些電路可以保護(hù)任一ESD模型，但通常會(huì)有一個(gè)電路尺寸適合 HBM，另一個(gè)電路尺寸適合 CDM。如果擔(dān)心擊穿，在任何一種情況下都可以添加串聯(lián)電阻，以幫助分壓總電壓。

另一個(gè)變化是將保護(hù)電路移至電路的核心，而不是嚴(yán)格放在外圍。這可能需要保護(hù)一些精密的內(nèi)部電路?！耙恍┍Ｗo(hù)電路將進(jìn)入超敏感器件的芯片中。

硅光前測(cè)試ESD

可以在硅片制造之前驗(yàn)證 ESD 保護(hù)電路。驗(yàn)證工具的目標(biāo)是為測(cè)試條件提供自動(dòng)化，但這對(duì)于 HBM 來(lái)說(shuō)比CDM 容易得多。CDM受其環(huán)境影響，因此需要芯片和封裝基板信息才能進(jìn)行合理的模擬。此外，峰值電流發(fā)生得非?？欤虼苏嬲姆抡嫘枰暾乃矐B(tài)分析。

不是嘗試自動(dòng)執(zhí)行困難的模擬，而是使用物理和電氣規(guī)則作為正確 CDM 保護(hù)的代理來(lái)執(zhí)行規(guī)則檢查。該方法不適用于整個(gè)芯片，但當(dāng)存在 ESD 電路可能影響信號(hào)行為的特殊引腳（如 RF 引腳）時(shí)，此分析有助于在單引腳基礎(chǔ)上找到最佳平衡。

規(guī)則檢查并沒(méi)有給出定量的答案。然而，它向設(shè)計(jì)師指出了可能需要更多關(guān)注的領(lǐng)域，“這需要大量的設(shè)計(jì)師和 ESD 專(zhuān)業(yè)知識(shí)”，“類(lèi)似的方法”，“分析工具可以轉(zhuǎn)儲(chǔ)大量違規(guī)細(xì)節(jié)，它們也可以在布局上看到”，以便設(shè)計(jì)師明確知道哪里可能需要改進(jìn)。

還有一種趨勢(shì)是進(jìn)行多芯片分析，這對(duì)于先進(jìn)封裝尤其重要，但這種方法還處于早期階段?！艾F(xiàn)在這樣做法非常臨時(shí)，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，動(dòng)態(tài)分析也在嘗試：“大多數(shù)人都做靜態(tài)分析，有些人也在做動(dòng)態(tài)的事情?！?/span>

ESD 曾經(jīng)是專(zhuān)門(mén)從事該專(zhuān)業(yè)的部門(mén)的專(zhuān)家的領(lǐng)域?！?strong style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">人們一直將 [ESD] 視為別人的問(wèn)題，”但這種情況已在改變?！霸絹?lái)越多的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)擁有 ESD 專(zhuān)家，“人們對(duì) ESD 和閂鎖現(xiàn)象越來(lái)越重視。不再是公司里的一位專(zhuān)家了。這正在成為一項(xiàng)共同的責(zé)任。”

易捷測(cè)試芯片ESD測(cè)試設(shè)備