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杏彩体育:如何对抗电子产品杀手？深度解析：集成电路ESD防护
任何电子产品都有其使用期限，以及对可靠性的要求。那么如何去度量产品的可靠性好不好呢？基本上就会考虑使用环境的条件，如电压、温度、湿度或任何环境下不利的因子，代入失效模型后，便可估算出产品的使用年限。
在我们所身处的环境中，静电是无所不在的杀手，既然静电无法完全预防，那么为了能够在电荷流经集成电路时全身而退，IC 设计上就会在引脚旁设计静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）防护电路保护芯片，就像在大楼顶端设置避雷针的目的一样，当雷击中大楼时，能够有引流的作用，确保大楼内的电器不会受损。此外，由于元件结构的特性，所谓的闩锁（Latch-up，LU）效应会造成集成电路在操作时有大电流的现象而引起功能上的问题，甚至会使得芯片永久损伤，这同样也需要在芯片设计上来避免LU 的问题。
为了验证ESD 与LU 的防护能力，第一道课题就是如何运用专门的测试机台，遵循国际规范定义的条件与步骤，确认集成电路在ESD 与LU 的可靠性。若该电路元件无法通过ESD 与LU 测试，且已找出验证不过的原因之后，第二道课题便是如何进行芯片设计上的补强。本文即是针对此两个课题阐述ESD 与LU 在测试前的准备事项、判断标准、以及元件失效后的问题真因解析流程。
在初次进行ESD 与LU 测试前，一般会遇到的问题是该如何规划测试方案与执行，以及如何与测试专案主管沟通。为提升双方沟通效率，可以依下述几项主题提供资讯：
在进行测试前，需先设定遵循的国际标准规范，规范的制定有其立论基础，因此ESD/LU 测试通过验证后，即代表获得了客户的信任与使用上的保证。以下是不同测试项目与其对应的国际标准规范。
基本上依据规范只需要做到信号脚位+100mA / -100mA，电源脚位做到1.5*VDDmax，业界习惯会多往上一个级距测试到200mA。此外还需提供额定电压与极限值以为操作条件之设定。
图一：BGA 封装脚位的Corner Pin 示意图。左图是有Coner Pin 设计者，其位置在红色圈圈处，此脚位的CDM 测试标准需达750V。而右图则是无Coner Pin 设计者。
需提供测试脚位的名称、脚位类型（Input / Output / IO / Power / GND）与排列位置，以方便评估分析时间与条件设定，也是制作测试治具的依据。
表一：第一列为IO 与Power/Ground 间的测试组合，第二列与第三列为欲采用的规范。
LU 的测试目的是为了观察是否会有异常的信号干扰导致激发出大电流的现象，因此在考虑设定的测试条件与环境下实际会发生的状况后，一些客户会选定某些条件进行LU 测试，如下所述。
在高温下由于漏电升高，易触发寄生硅控整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR）启动而产生LU 效应，故可选择常温或高温（视产品规格的最大操作温度或者Tj 温度而定）两种测试环境，AEC 规范则是强制高温测试。
一般IC LU 测试是静态测试，即输入的电压与电流是定值，但实际IC 操作是动态的，输入输出脚位有高低电压周期性的变动，因此LU测试下输入Pattern是为了模拟在IC 动态输入下LU 真实的作动行为。
HBM 与CDM 依据规范是要测试完整的测试项，包含参数测试（Parametric Testing）和功能性测试（Functional Testing），如此才能逮到因ESD 损伤而造成的故障现象。在参数测试方面，在自动测试机台（ATE）上即是测Open/Short（OS）、漏电和Power 端的静态电流，但若以ESD 测试机台来即时比较ESD 测试前后的差异的话，可以用两种方式来量测，第一种是在电流等于1uA 时的电压，若前后差异小于30% 的话，便能通过ESD 测试，如图二所示；第二种是包络线（Curve Compare Envelope） ，以ESD 测试之前的IV 曲线为参考，并以测试的最大电压与电流的正负10% 为调整值，将此正负值加诸在测试前的IV Curve 即可得出一个区间范围，只要测试后的IV 在此范围便是通过ESD 验证，如图三所示。
图二：Zap 前后的IV 变化，若1uA 下的电压变化达30% 以上，判定此脚位ESD Fail
图三：包络线的示意图，Zap 后的IV 曲线若超过绿线框选的范为，判定此脚位ESD Fail
LU 的Pass 判断标准是量测前的电流如果是INOM，则1.4xINOM 与INOM+10mA 取其最大值，小于此值即为验证通过。
依ESD 失效原理与经验，当静电放电产生的过电流或过电压超过元件的忍受能力时，就会产生元件烧毁的现象，元件烧毁的型态依放电路径决定，如Junction 漏电、Gate Oxide Breakdown、 Drain 与Source 间的击穿或两个不同元件间的击穿等等，元件烧毁严重者会往上向金属层延伸。由于是元件烧毁，基本上很适合以Photon Emission Microscopy（PEM，俗称EMMI）定位出烧毁位置，而OBIRCH 由于其检测阻值变化的能力，若需进一步确认烧毁位置，也是可以考虑的定位工具。
静电放电烧毁的位置依所发生的电路一般可分为两类，ESD 电路（IO Cell）与内部电路。IO Cell 烧毁可以理解成ESD 电路发挥了导流的作用，避免静电击伤内部电路，但过电流超过了ESD 电路的忍受值而有烧毁的现象，这类的烧毁由于对应到参数测试有异常的Pin 脚，故寻找烧毁位置上相对来说是较简单的。
依全晶面防护的理论，当静电放电不循期望导通的IO Cell，而延着最快速最脆弱的路径时，便有可能击伤内部电路，此时便一定需要定位工具找出烧毁元件，才能了解放电路径做进一步的设计防堵。
若是已知毁损电路在IO Cell，为了快速确认，可以执行全层次去除（Total Delayer）后，再以光学显微镜（OM）或扫描式电子显微镜（SEM）观察，如图四所示。
以亮点定位工具，EMMI 或OBIRCH 找出亮点位置所在的元件，在一些情况下，IC设计研发工程师能依据亮点对应的元件推导出ESD 失效模型，进而做出设计改良，如图五所示。
承上，为验证精确的失效机制，可以逐层将金属层去除直到最底层的Contact/Poly/AA 露出，观察烧毁的现象，甚至有时需以特别的样品制备方式确认Gate Oxide Pinhole，特别是CDM 失效的实验，如图六所示。
以上ESD 失效分析流程中很重要的目的是要确认放电路径，在此要求下，建议以平面观察（Plan View）的方式找出损伤的痕迹，如此才能建立静电放电失效的模型，并提出“疏”和“堵”的对策，若是“疏”，就是设计的导通路径，比如更多的Contact 来减少电流密度（Current Density），若是“堵”，可以设计限流的电阻以避免过多的电流造成烧毁的结果。
LU 的产生是因为外界的干扰信号触发了寄生SCR 元件，产生了过大的电流造成功能性的问题，因此LU 解析的第一步就是确认寄生SCR 元件在哪里。当LU 发生时，过大的电流有可能造成芯片严重的烧毁，烧毁的位置虽可经由电性定位工具轻易地找出，但要注意的是烧毁的位置是大电流经过的路径，并不一定是寄生SCR 元件所在，故碰到烧毁的现象反而不容易找到真因。
SCR 作动时，EMMI 可以侦测元件作动时发出的光，所以若LU 现象造成的大电流没有损伤芯片，可以在设定触发LU 的条件下执行EMMI 的定位，便可找出寄生SCR 元件的位置，进一步，在其相对应的Layout 位置上确认pnpn 的结构，将此结构绘出寄生SCR 结构图，之后再从LU 产生的原理去理解是什么效应触发了LU 现象，是某处的片状电阻（Sheet Resistance）过高，亦或是某处节点有浮接（Floating）的情形等等，推理出失效模型后，LU 的问题即可迎刃而解，其道理可参考图八。
在产品的研发阶段，ESD 与LU 测试与分析是不可或缺的一环，依循本文的验证流程，可以快速的解决认证方面的问题。
