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淺談SIM芯片的ESD測試與設(shè)計(jì)

文章出處:http://m.botanicstilllife.com 作者: 人氣: 發(fā)表時間:2013年02月06日

[文章內(nèi)容簡介]:上海華虹集成電路有限責(zé)任公司是國內(nèi)最大的智能卡芯片開發(fā)及系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商,連續(xù)九年蟬聯(lián)中國IC集成電路行業(yè)的前十強(qiáng)。本文將簡要介紹SIM芯片ESD的測試現(xiàn)狀以及主流的設(shè)計(jì)。

  當(dāng)前,我國IC卡應(yīng)用已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)。各個行業(yè)的IC卡應(yīng)用已陸續(xù)啟動,主要涉及電信卡、社???、公安部身份證、衛(wèi)生部健康卡、石油行業(yè)加油卡和金融業(yè)銀 行卡等諸多領(lǐng)域。IC卡產(chǎn)業(yè)的發(fā)展壯大為我國的經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。

  IC卡目前的發(fā)展趨勢主要朝著高安全性和高可靠性方面發(fā)展。作為IC卡質(zhì)量可靠性的重要指標(biāo)之一,抗靜電ESD能力是衡量IC卡產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)。該能力目前已作為各行業(yè)強(qiáng)制性檢測的要求,而且抗靜電的級別有越來越高的趨勢,已經(jīng)突破集成電路人體模式2000V的一般要求,如中國移動已要求智能卡至少要求滿足4000V的檢測要求。而且,ESD之后除了功能正常以外,功耗方面也要符合GSM標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求。因此,ESD設(shè)計(jì)仍然是各個SIM芯片廠商設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn),也是一款產(chǎn)品設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

  上海華虹集成電路有限責(zé)任公司是國內(nèi)最大的智能卡芯片開發(fā)及系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商,連續(xù)九年蟬聯(lián)中國IC集成電路行業(yè)的前十強(qiáng)。本文將簡要介紹SIM芯片ESD的測試現(xiàn)狀以及主流的設(shè)計(jì)。

  ESD測試模型

  目前SIM產(chǎn)品的測試主要有三種模型:人體放電模式(HBM)、機(jī)械模式(MM)和帶電器件放電模式(CDM)。人體放電模式(HBM)ESD是指因人在地面走動磨擦或其它因素在人體上累積了靜電,當(dāng)人碰觸到IC時,人體上的靜電便會經(jīng)由IC的管腳而進(jìn)入到IC內(nèi)部,再經(jīng)由IC放電到地去。該放電過程會在幾百毫微秒短的時間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的瞬間放電電流,該電流會把IC內(nèi)的組件給燒毀。機(jī)器放電模式(MM)ESD是指機(jī)器本身累積了靜電,當(dāng)該機(jī)器碰觸到IC 時,該靜電便會經(jīng)由IC的管腳放電。由于機(jī)器是金屬材質(zhì),其等效電阻為0Ω,其等效電容為200pF。其放電的過程更短,在幾毫微秒到幾十毫微秒之間會有數(shù)安培的瞬間放電電流產(chǎn)生。帶電器件放電模式(CDM)是指IC因磨擦或其它因素在IC內(nèi)部累積了靜電,但在靜電累積的過程中IC并未受到損傷。此帶有靜電的IC在處理過程中,當(dāng)其管腳碰觸到接地面時,IC內(nèi)部的靜電便會經(jīng)由管腳自IC內(nèi)部流出來,而造成了放電的現(xiàn)象。

  有些用戶關(guān)注系統(tǒng)級ESD測試,系統(tǒng)級ESD測試與HBM、MM、CDM測試模型主要有三個方面的區(qū)別:一是使芯片與其相關(guān)的終端設(shè)備作為整體進(jìn)行測試,二是在帶電工作狀態(tài)下進(jìn)行測試,三是通過接觸和非接觸兩種方式進(jìn)行觸發(fā)電壓測試。

  以下是2kV HBM、200V MM和1kV CDM模式的放電波形比較。雖然HBM的電壓2kV比MM的電壓200V大,但是200V MM的放電電流卻比2kV HBM的放電電流要大很多,因此,機(jī)器放電模式對IC的破壞力更大。1kV CDM模式的電流最大,放電時間最短(圖1)。

圖1:HBM、MM、CDM模式波形比較。

  目前,ESD測試主要關(guān)注HBM模式。在電信卡第三方測試、銀 行卡第三方檢測機(jī)構(gòu)的測試過程中,也都采用了電子qiang進(jìn)行ESD測試。電子qiang的測試主要采用SCHAFFNER公司的NSG 435型號的電子qiang測試。但此設(shè)備主要用于系統(tǒng)級ESD測試,主流的ESD HBM在測試機(jī)構(gòu)主要采用KEYTEK ZAPMASTER設(shè)備。這兩者測試的波形會有不同。一般情況下,電子qiang測試的ESD的電流會更大一些,因此,這將造成兩種測試結(jié)果會有所不同。有的芯片可能會出現(xiàn)在ZAPMASTER設(shè)備下通過8000V測試,但通不過NSG電子qiang3000V的情況。

  圖2是8kV系統(tǒng)級ESD和人體模式ESD的測試波形。系統(tǒng)級ESD主要遵循IEC61000標(biāo)準(zhǔn),人體模式主要采用美軍標(biāo)MIL-STD883標(biāo)準(zhǔn)。

圖2:系統(tǒng)級ESD和器件級ESD的比較。

  ESD設(shè)計(jì)保護(hù)電路設(shè)計(jì)

  SIM芯片工藝也在不斷改進(jìn)。CMOS的電路尺寸不斷縮小,柵氧厚度越來越薄,MOS管能承受的電流和電壓越來越小,從而工藝集成度越高降低ESD性能。但是,芯片面積和價格將成為各廠商競爭的焦點(diǎn),其設(shè)計(jì)一般考慮性能和面積的平衡。SIM的觸點(diǎn)說明見圖3和表1。

圖3:智能卡典型封裝管腳圖。

表1:智能卡典型封裝管腳列表。

  ESD保護(hù)原理

  ESD 保護(hù)電路設(shè)計(jì)的目的是提供瞬間大電流的快速泄放通路,以避免工作電路成為ESD放電通路而遭到損害。為了保證各個管腳都具有ESD保護(hù)能力,每個管腳都要設(shè)計(jì)ESD保護(hù)電路。電源腳、輸入腳和輸出腳因其功能不同,ESD保護(hù)電路也不盡相同。在電路正常工作時,抗靜電結(jié)構(gòu)是不工作的;在保護(hù)電路時,抗靜電結(jié)構(gòu)自身不能被損壞,并防止靜電結(jié)構(gòu)發(fā)生閂鎖。

  ESD設(shè)計(jì)架構(gòu)和改進(jìn)

  ESD保護(hù)電路主要在SIM的三個 PAD(RST、CLK、IO)內(nèi)部(圖4)。PAD內(nèi)部的ESD通路主要由連接到電源的PMOS和連接到地的NMOS兩個通道形成。二極管形成電源和地之間的保護(hù)器件。由于ESD放電的路徑可能發(fā)生在任何兩個PAD之間,如果PAD與電源之間正向放電,那么在PAD與電源之間以及電源與地之間的保護(hù)電路的性能對于抗ESD能力將起到?jīng)Q定性作用——不僅要泄放電源與地之間的ESD電流,還要在PAD之間形成ESD泄放的通路。其工作原理是:當(dāng)電源對地有一負(fù)向ESD脈沖時,此二極管正向?qū)ㄐ狗臙SD電流;當(dāng)電源相對地有一正向ESD脈沖時,二極管反向工作,在擊穿電壓附件將電壓鉗制在一定的電位,并泄放過量的ESD電流。

典型的ESD保護(hù)電路

圖4:典型的ESD保護(hù)電路。

  目前在市場上存在各種各樣的不規(guī)范的讀卡器、山寨機(jī)和終端設(shè)備,這些終端的上電時序不符合7816的規(guī)范。這可能會對這種結(jié)構(gòu)的SIM芯片帶來一些威脅。曾在某移動代理機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)的一種不標(biāo)準(zhǔn)的讀卡器仍然使用C6的VPP管腳。該管腳具有3.8V電壓,在插入或拔卡的過程中,卡片的VCC腳會接觸到激卡器的C5 腳(GND)。同時,卡片的RST會先接觸到讀卡器的C6腳,這樣就會在VCC和RST之間瞬間形成反向電壓——這個電壓足以使PMOS打開并形成一個大電流,而有可能導(dǎo)致金絲燒斷或芯片損傷。因此,對上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改,刪除PMOS與PAD之間的ESD放電通路(ESD放電NMOS是主要的ESD放電通道)(圖5)。當(dāng)VDD接地時,該輸入PAD電壓會先經(jīng)過至GND的ESD防護(hù)電路,沿GND電源流向VCC與GND之間的ESD防護(hù)電路,最后經(jīng)VCC 流出IC。

改進(jìn)后的ESD保護(hù)架構(gòu)

圖5:改進(jìn)后的ESD保護(hù)架構(gòu)。

  此外,在設(shè)計(jì)SIM ESD電路時需遵循一定的排布規(guī)則。在進(jìn)行PAD排布時,各輸入PAD應(yīng)盡可能地并列排放,與電源和地的距離應(yīng)盡可能地短,為ESD提供有效的快速放電回路。因此,在SIM外封的5個主要PAD中,RST、CLK和IO的位置應(yīng)盡可能地與VCC和GND放置較近——放電路徑越短,放電速度越快。電源和地的走線應(yīng)盡可能寬,以減小走線的電阻。為了增加ESD的保護(hù)性能,可以建立二級ESD保護(hù)電路,保護(hù)輸入、輸出信號;可以在電源和地間加Power Clamp(ESD放電通道),增強(qiáng)電源和地間的泄防能力。

  最后,提醒一下在ESD在版圖中的設(shè)計(jì)要求。在工藝中,LDD(輕摻雜漏)技術(shù)、silicide(硅化物)技術(shù)和polycide(多硅結(jié)構(gòu))技術(shù)提高了CMOS的性能,但是降低了抵御ESD的能力。在版圖設(shè)計(jì)時,對 MOS漏極進(jìn)行加寬處理,其目的是增加漏極電阻,迫使ESD電流到來時可以引流到其它的ESD保護(hù)管中去,分散單個ESD管子的通過電流量以達(dá)到保護(hù)作用。同時,對于ESD管子采取添加阻擋層RPO,來阻擋部分的silicide和polycide。加大柵漏極的寄生電阻,ESD大電流通過后不會因過熱而燒壞管子,從而達(dá)到保護(hù)管子的目的。

  作者:金雁、提敏誠(上海華虹集成電路有限責(zé)任公司)

本文關(guān)鍵詞:SIM芯片,ESD,SIM
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