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[导读]微电子体系必须在打仗放电形式下坚持 8kV 的 ESD 程度,能力到达体系级 ESD 规范(IEC 61000-4-2)中“4 级”的抗扰度要求。硅片中器件尺寸无限的片上 ESD 掩护电路难以蒙受体系级 ESD 测试的过应力。是以,在微电子体系的印刷电路板 (PCB) 上增添了分立 TVS,以掩护 CMOS IC 免受体系级 ESD 测试的过应力。

电(dian)(dian)(dian)(dian)子光学网信购(gou)彩系(xi)(xi)(xi)统必须要(yao)在打(da)架充放方式下维持(chi)(chi) 8kV 的(de)(de)(de) ESD 程(cheng)度(du),能(neng)力到(dao)达体系(xi)(xi)(xi)级(ji) ESD 规范(IEC 61000-4-2)中(zhong)“4 级(ji)”的(de)(de)(de)抗扰度(du)要(yao)求。硅片中(zhong)器(qi)件尺寸无限的(de)(de)(de)片上(shang) ESD 掩护(hu)(hu)电(dian)(dian)(dian)(dian)路难以(yi)(yi)蒙受(shou)体系(xi)(xi)(xi)级(ji) ESD 测试(shi)的(de)(de)(de)过应力。是(shi)(shi)以(yi)(yi),在微电(dian)(dian)(dian)(dian)子体系(xi)(xi)(xi)的(de)(de)(de)印刷电(dian)(dian)(dian)(dian)路板(ban) (PCB) 上(shang)增添了分立 TVS,以(yi)(yi)掩护(hu)(hu) CMOS IC 免受(shou)体系(xi)(xi)(xi)级(ji) ESD 测试(shi)的(de)(de)(de)过应力。此(ci)类 TVS 凡(fan)是(shi)(shi)安(an)排在 PCB 规划上(shang) CMOS IC 的(de)(de)(de) I/O 端口(kou)四周,和电(dian)(dian)(dian)(dian)源引脚四周。具备(bei)较(jiao)低坚(jian)持(chi)(chi)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)的(de)(de)(de) TVS 能(neng)够蒙受(shou)更(geng)高(gao)的(de)(de)(de) ESD 规格(ge),因为当 ESD 电(dian)(dian)(dian)(dian)流经由进程(cheng)其放电(dian)(dian)(dian)(dian)时,其本身产生(sheng)的(de)(de)(de)热量(liang)较(jiao)低。是(shi)(shi)以(yi)(yi),一些(xie)商用 TVS 产物设想为具备(bei)较(jiao)低的(de)(de)(de)坚(jian)持(chi)(chi)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya),以(yi)(yi)供(gong)应高(gao) ESD 规格(ge)。可(ke)是(shi)(shi),据报道(dao),坚(jian)持(chi)(chi)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)低于电(dian)(dian)(dian)(dian)路任(ren)(ren)务电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)的(de)(de)(de)片上(shang) ESD 掩护(hu)(hu)器(qi)件会蒙受(shou)近似(si)闩锁的(de)(de)(de)毛(mao)病。在本文中(zhong),咱们想钻研坚(jian)持(chi)(chi)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)低于体系(xi)(xi)(xi)任(ren)(ren)务电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)的(de)(de)(de)板(ban)载 TVS 是(shi)(shi)不是(shi)(shi)确切(qie)对微电(dian)(dian)(dian)(dian)子体系(xi)(xi)(xi)形成了负面(mian)影响。

测试设置

图 1 显(xian)现了被(bei)测(ce)装备 (EUT),此中(zhong)(zhong)两个(ge)(ge) CMOS IC(IC-1 和(he) IC-2)由(you) PCB 上(shang)的(de)(de)(de)(de)一条旌(jing)旗(qi)灯号迹线上(shang)的(de)(de)(de)(de) TVS 掩(yan)护(hu)。为了摹拟(ni)微电(dian)子(zi)(zi)体系(xi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)输(shu)(shu)入端口,CMOS 反(fan)相(xiang)器(qi)(qi)(IC-1)被(bei)用作传输(shu)(shu)端口来传输(shu)(shu)旌(jing)旗(qi)灯号。另(ling)外(wai)一个(ge)(ge) CMOS 反(fan)相(xiang)器(qi)(qi) (IC-2) 是一个(ge)(ge)领(ling)受(shou)端口,用于(yu)摹拟(ni)微电(dian)子(zi)(zi)体系(xi)中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)(de)输(shu)(shu)入端口。IC-1的(de)(de)(de)(de)电(dian)源(yuan)脚接3.3V的(de)(de)(de)(de)VDD1,IC-2的(de)(de)(de)(de)电(dian)源(yuan)脚接3.3V的(de)(de)(de)(de)VDD2。施加到 IC-1 的(de)(de)(de)(de)输(shu)(shu)入旌(jing)旗(qi)灯号为逻辑“低(di)”。是以,IC-2的(de)(de)(de)(de)输(shu)(shu)入管脚领(ling)受(shou)到的(de)(de)(de)(de)旌(jing)旗(qi)灯号为逻辑“高”,IC-2的(de)(de)(de)(de)输(shu)(shu)入坚持“低(di)”状况。为了在微电(dian)子(zi)(zi)体系(xi)的(de)(de)(de)(de) PCB 上(shang)摹拟(ni) TVS 的(de)(de)(de)(de) ESD 掩(yan)护(hu),一个(ge)(ge) TVS 从旌(jing)旗(qi)灯号走线(毗连 IC-1 的(de)(de)(de)(de)输(shu)(shu)入引(yin)脚和(he) IC-2 的(de)(de)(de)(de)输(shu)(shu)入引(yin)脚)到地。一切这三个(ge)(ge)器(qi)(qi)件(IC-1、IC-2 和(he) TVS)都焊接到 PCB 上(shang),构成用于(yu)体系(xi)级 ESD 测(ce)试(shi)的(de)(de)(de)(de) EUT。体系(xi)级 ESD 测(ce)试(shi)时期(qi) IC-1 和(he) IC-2 输(shu)(shu)入引(yin)脚的(de)(de)(de)(de)瞬态电(dian)压波(bo)形经(jing)由(you)进程(cheng)示(shi)波(bo)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)通道(dao) 1(CH-1)和(he)通道(dao) 2(CH- 2),如图1所示(shi)。将(jiang)测(ce)试(shi)三个(ge)(ge)具备差别(bie)坚持电(dian)压的(de)(de)(de)(de)商用 TVS。这三款TVS都传播鼓吹能(neng)够作为3.3-VI/O口掩(yan)护(hu)器(qi)(qi)操纵。不 TVS 的(de)(de)(de)(de) EUT 也将(jiang)作为参(can)考停(ting)止(zhi)测(ce)试(shi)。经(jing)由(you)进程(cheng)对这些 EUT 停(ting)止(zhi)体系(xi)级 ESD 测(ce)试(shi),

图(tu) 1 还显现了(le)接(jie)纳 IEC 61000-4-2 规范划定的(de)直接(jie)打仗放电(dian)测试形式的(de)体(ti)(ti)系级 ESD 测试的(de)丈量(liang)设置。具备指定 ESD 电(dian)压的(de)体(ti)(ti)系级 ESD 枪疾速扫描到(dao)(dao)程度(du)耦合立体(ti)(ti) (HCP),ESD 能(neng)量(liang)将(jiang)耦合到(dao)(dao) EUT。IC-1和(he)IC-2输(shu)入(ru)引脚的(de)瞬态(tai)电(dian)压波(bo)形将(jiang)经由进程示(shi)波(bo)器(qi)通道1(CH-1)和(he)通道2(CH-2)的(de)分(fen)手电(dian)压探头停止监测和(he)记实。

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图(tu) 1:IEC 61000-4-2 规范中划定(ding)的接纳直接打仗(zhang)放电测(ce)试形(xing)式的体系(xi)级(ji) ESD 测(ce)试的被测(ce)装备 (EUT) 和(he)丈量设(she)置。

测验考试成果

A. TVS 的 DC IV 特色

经过线程斜率侦测仪(Tek370B)丈量三个商用TVS的dc IV特征,成果如图2所示。经由进程较低的触发电压,能够更早地触发TVS以掩护微电子体系中的CMOS IC当过应力电压在它上面跳动时。三个 TVS 的坚持电压 (V Hold ) 和坚持电流 (I Hold ) 总结在表(biao) I 中。操纵较低的坚持电压,耦合(he)到(dao) PCB 上的迹线的过应力电压能够被 TVS 胁(xie)迫(po)得更低。

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图 2:三个(ge)商用(yong) TVS(TVS-1、TVS-2 和 TVS-3)在差别坚持电压下(xia)的丈(zhang)量(liang)直流 IV 特征。

这二个 TVS 的直(zhi)流特征总结在表 I 中。TVS-1 和(he) TVS-2 的坚持电(dian)压(ya)别(bie)离(li)为 0.8V 和(he) 1.7V,小于(yu)(yu) 3.3V 的体系任务(wu)电(dian)压(ya)。TVS-3的坚持电(dian)压(ya)为4.9V,高于(yu)(yu)体系任务(wu)电(dian)压(ya)3.3V。上面将(jiang)钻(zuan)研(yan)差别(bie)坚持电(dian)压(ya)的 TVS 掩护的微电(dian)子体系的旌旗(qi)灯号完全性。

表 1:TVS DC 特(te)征总结

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模式级 ESD 测试下的瞬态呼应

在(zai)管理体系(xi)级(ji)ESD测试(shi)下(如(ru)图1所示(shi)),在(zai)+的(de)(de)(de)(de)(de)(de)体系(xi)级(ji)ESD测试(shi)时(shi)(shi)期,在(zai)具备TVS-1掩(yan)护(hu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)IC-1输(shu)(shu)入(ru)(ru)管脚(jiao)和IC-2输(shu)(shu)入(ru)(ru)管脚(jiao)处测得的(de)(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)波(bo)形(xing)1000V 熔断如(ru)图 3 所示(shi)。在(zai) ESD 熔断之前(qian),IC-1 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)(ru)引(yin)脚(jiao)和 IC-2 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)(ru)引(yin)脚(jiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)初始状(zhuang)况坚(jian)(jian)持(chi)在(zai)逻辑“高(3.3V)”和逻辑“低(di)(0V)” )”,别离如(ru)图 3 所示(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de) CH-1 和 CH-2 波(bo)形(xing)。在(zai)体系(xi)级(ji) ESD 击穿(chuan)时(shi)(shi)期,从 ESD 枪(qiang)注入(ru)(ru)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)瞬态电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)将(jiang)耦合到(dao)(dao) PCB 上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)迹线,作(zuo)为在(zai) CH-1 和 CH-2 电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)波(bo)形(xing)中(zhong)察看到(dao)(dao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)瞬态尖(jian)峰(feng)。在(zai) +1000V 的(de)(de)(de)(de)(de)(de) ESD 击穿(chuan)后(hou),IC-1 输(shu)(shu)入(ru)(ru)引(yin)脚(jiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)降落(luo)到(dao)(dao) 0.8V,即(ji)便 IC-1 输(shu)(shu)入(ru)(ru)引(yin)脚(jiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)(ru)旌旗灯(deng)号仍坚(jian)(jian)持(chi)在(zai)逻辑低(di)电(dian)(dian)平(ping) (0V)。就在(zai) ESD 击穿(chuan)引(yin)发(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)瞬态尖(jian)峰(feng)以(yi)后(hou),CH-1 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)从 3.3V 降落(luo)到(dao)(dao) 0.8V。这(zhei)个(ge) 0.8V 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)钳(qian)位电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)与表 I 中(zhong) TVS-1 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)坚(jian)(jian)持(chi)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)完全不异。体系(xi)级(ji) ESD 测试(shi)时(shi)(shi)期的(de)(de)(de)(de)(de)(de)瞬态尖(jian)峰(feng)能够(gou)触发(fa)(fa) TVS-1 进入(ru)(ru)其坚(jian)(jian)持(chi)状(zhuang)况,是(shi)以(yi)旌旗灯(deng)号电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)电(dian)(dian)平(ping)在(zai)IC-1 的(de)(de)(de)(de)(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)(ru)引(yin)脚(jiao)被钳(qian)位到(dao)(dao) 0.8V。TVS-1 确切翻开以(yi)胁迫瞬态尖(jian)峰(feng),是(shi)以(yi)能够(gou)很好地(di)掩(yan)护(hu) PCB 上的(de)(de)(de)(de)(de)(de) IC 免受(shou)电(dian)(dian)气过应力(li)。可是(shi),IC-1输(shu)(shu)入(ru)(ru)引(yin)脚(jiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)旌旗灯(deng)号电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)电(dian)(dian)平(ping)被TVS-1的(de)(de)(de)(de)(de)(de)较低(di)坚(jian)(jian)持(chi)电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)(0.8V)锁(suo)定,进而致使(shi)IC-2输(shu)(shu)入(ru)(ru)引(yin)脚(jiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)毛(mao)病逻辑状(zhuang)况变(bian)为逻辑高(3.3V) 。这(zhei)类由 TVS-1 在(zai)体系(xi)级(ji) ESD 测试(shi)后(hou)引(yin)发(fa)(fa)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)毛(mao)病逻辑状(zhuang)况,即(ji)便硬件(CMOS IC)不被 ESD 应力(li)破坏,也会对(dui)体系(xi)操纵(zong)(zong)形(xing)成一些毛(mao)病(软(ruan)毛(mao)病)或(huo)毛(mao)病。当 ESD 电(dian)(dian)压(ya)(ya)(ya)(ya)更高时(shi)(shi)(在(zai)大大都(dou)体系(xi)级(ji)操纵(zong)(zong)中(zhong)凡是(shi)为 8kV),这(zhei)类旌旗灯(deng)号完全性(xing)题目在(zai)受(shou)此 TVS-1 掩(yan)护(hu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微电(dian)(dian)子(zi)体系(xi)中(zhong)会变(bian)得加倍严峻(jun)。

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图 3:IC-1(CH-1)输入引脚和 IC-2(CH-2)输入引脚丈量的瞬态电压波形,在体系级 ESD 测试时期具备TVS-1无球(qiu)+1000V 电击。

在(zai)(zai)-7000V zapping 的体系级(ji)ESD 测试中,IC-1 输(shu)入管脚(jiao)和IC-2 带TVS-2 掩护的输(shu)入管脚(jiao)测得的电(dian)(dian)压波形如图4 所(suo)示。在(zai)(zai) -7000V 的 ESD 击穿(chuan)后(hou),IC-1 输(shu)入引(yin)脚(jiao)的电(dian)(dian)压电(dian)(dian)平降落并钳(qian)位在(zai)(zai) ~1.7V,靠近 TVS-2 的坚持电(dian)(dian)压(如表 I 所(suo)示)。因为(wei)(wei) CH-1 的 TVS-2 钳(qian)位电(dian)(dian)压电(dian)(dian)平,IC-2 (CH-2) 输(shu)入引(yin)脚(jiao)的电(dian)(dian)压电(dian)(dian)平完(wan)全(quan)毛病(bing)(bing) (0.3 ~ 0.7V)。CH-2 的输(shu)入逻(luo)辑(ji)状(zhuang)况从逻(luo)辑(ji)“低”变为(wei)(wei)含糊其词的状(zhuang)况,在(zai)(zai)体系级(ji) ESD 击穿(chuan) -7000V 后(hou),将致使体系运(yun)转严峻毛病(bing)(bing)。

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图 4:体系级 ESD 测试时期IC-1(CH-1)和 IC-2(CH-2)输入引脚处丈量的瞬态电压波形,TVS-2掩(yan)体-7000V 电击。

在(zai)(zai)更是高(gao)达 ±30000V 的(de)(de)(de)体(ti)系级 ESD 跳变(bian)时期,IC-1 的(de)(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)引(yin)脚(jiao)和具备 TVS-3 掩护的(de)(de)(de) IC-2 的(de)(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)引(yin)脚(jiao)的(de)(de)(de)丈量(liang)电压(ya)波形(xing)如图 5 所示。 ESD 尖峰耦合(he)到IC-1 的(de)(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)引(yin)脚(jiao)会(hui)在(zai)(zai)微电子体(ti)系中产生过(guo)(guo)冲电压(ya)。固然(ran)过(guo)(guo)冲电压(ya)会(hui)在(zai)(zai) TVS-3 上触发,但在(zai)(zai)过(guo)(guo)应力电压(ya)开(kai)(kai)释(shi)到地后(hou)(hou) TVS-3 会(hui)封(feng)(feng)闭(bi)。因为(wei) TVS-3 的(de)(de)(de)坚(jian)(jian)持电压(ya)大于体(ti)系任务电压(ya),在(zai)(zai)耦合(he)的(de)(de)(de) ESD 能(neng)量(liang)开(kai)(kai)释(shi)后(hou)(hou),TVS-3 会(hui)主(zhu)动封(feng)(feng)闭(bi)。在(zai)(zai) IC-1 的(de)(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)引(yin)脚(jiao)坚(jian)(jian)持精确的(de)(de)(de)逻(luo)辑状况(kuang) (3.3V) 的(de)(de)(de)环境下,在(zai)(zai)高(gao)达 ±30000V 的(de)(de)(de)体(ti)系级 ESD 跳变(bian)以后(hou)(hou),CH-2 的(de)(de)(de)输(shu)(shu)入(ru)逻(luo)辑状况(kuang)也坚(jian)(jian)持在(zai)(zai)精确的(de)(de)(de)状况(kuang) (0V) . 是以,TVS-3 能(neng)够(gou)为(wei) PCB 供应高(gao)效的(de)(de)(de)体(ti)系级 ESD 掩护,

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图 5:IC-1(CH-1)输入引脚和 IC-2(CH-2)输入引脚上测得的瞬态电压波形,在体系级 ESD 测试时期具备TVS-3保护±30000V 跳动(dong)。

受 TVS 掩(yan)(yan)护的(de) PCB 在(zai)体系(xi)级 ESD 测试下(xia)的(de)瞬态呼应(ying)丈(zhang)量成果总(zong)结在(zai)表 II 中。不 TVS 掩(yan)(yan)护的(de) EUT 能(neng)够经由进程高(gao)达(da) ±19000V 的(de)体系(xi)级 ESD 测试。可是,具(ju)备(bei) TVS-1 和(he) TVS-2 掩(yan)(yan)护的(de) EUT 的(de)经由进程 ESD 电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)降(jiang)落到低(di)于(yu) 7000V。因为 TVS-1 和(he) TVS-2 的(de)坚持(chi)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)低(di)于(yu)体系(xi)任务电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya),因为旌旗(qi)灯号完全(quan)性题目,这两个 TVS 掩(yan)(yan)护的(de) EUT 不能(neng)知(zhi)足“4 级”的(de)抗扰度要(yao)求。为了宁静地掩(yan)(yan)护微电(dian)(dian)(dian)(dian)子体系(xi)免受体系(xi)级 ESD 过应(ying)力的(de)影(ying)响,和(he)在(zai)现场操纵中坚持(chi)旌旗(qi)灯号完全(quan)性精确,TVS 的(de)坚持(chi)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)应(ying)略(lve)高(gao)于(yu)微电(dian)(dian)(dian)(dian)子体系(xi)中旌旗(qi)灯号的(de)最大(da)电(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)电(dian)(dian)(dian)(dian)平。

表二:仗量工作成效汇表

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论断

在(zai)组(zu)织体(ti)(ti)(ti)制级ESD测试下,具体(ti)(ti)(ti)钻研了由三种差别坚持(chi)电(dian)压(ya)的(de)(de)商用TVS掩护的(de)(de)微电(dian)子体(ti)(ti)(ti)系的(de)(de)旌(jing)旗(qi)灯(deng)号(hao)完(wan)全(quan)性。因为(wei)旌(jing)旗(qi)灯(deng)号(hao)完(wan)全(quan)性题目,某些 TVS 能够(gou)会致(zhi)使体(ti)(ti)(ti)系操纵呈现(xian)软毛病(bing)或(huo)毛病(bing)。从本任(ren)务的(de)(de)测验(yan)考试成果来看,经由进程(cheng)挑(tiao)选坚持(chi)电(dian)压(ya)大于(yu)体(ti)(ti)(ti)系任(ren)务电(dian)压(ya)的(de)(de)TVS-3,受(shou)TVS-3掩护的(de)(de)体(ti)(ti)(ti)系能够(gou)有用进步体(ti)(ti)(ti)系级ESD抗(kang)扰度高达±30000V。为(wei)了在(zai)微电(dian)子体(ti)(ti)(ti)系中坚持(chi)旌(jing)旗(qi)灯(deng)号(hao)完(wan)全(quan)性精(jing)确和杰出,激烈保举坚持(chi)电(dian)压(ya)大于(yu)体(ti)(ti)(ti)系任(ren)务电(dian)压(ya)的(de)(de) TVS。



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