浅谈ESD中，LATCHUP的测试方法，比如针对电源管脚，IO管脚钳位电压的处理方式

只看该作者 · 2025-5-20 23:27

本帖最后由 Gfan 于 2025-5-21 09:14 编辑

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在ESD（静电放电）测试中，Latchup（闩锁效应）是CMOS器件中一种严重的可靠性问题，可能导致器件损坏或功能异常。Latchup测试的核心目标是评估器件在受到外部干扰（如过压、过流）时，内部寄生PNPN结构（SCR结构）是否会被触发并进入低阻状态，从而导致大电流烧毁芯片。

针对电源管脚（VDD/VSS）和IO管脚，Latchup测试方法有所不同，主要体现在注入方式（电流 vs. 电压）和测试条件上。下面详细分析其测试方法、处理方式及背后的原理。

1. Latchup 测试方法概述
Latchup测试通常遵循 JESD78/JESD78F（JEDEC标准），主要分为：
I/O Pin Injection（电流注入）：向IO管脚注入电流，观察是否触发Latchup。
Power Pin Injection（电压注入）：向电源管脚施加过压，观察是否触发Latchup。

（1）IO管脚测试：电流注入
测试方式：
对IO管脚施加±100mA ~ ±200mA（具体值依标准）的电流脉冲（如100ms）。
监测电源电流（\(I_{DD}\)），若电流持续上升（>标准限值，如50mA），则判定Latchup触发。
典型测试条件：
\(V_{DD} = Max\)（最高工作电压，如1.2V/3.3V）。
注入电流极性：正（向VDD注入）或负（向VSS注入）。

为什么IO管脚采用电流注入？
1. 模拟ESD/CDM事件：
IO管脚在ESD事件（如HBM/CDM）中容易受到瞬时大电流冲击（如CDM可能达数安培）。
电流注入直接模拟这种应力，比电压注入更接近真实情况。
2. 避免电压钳位影响：
IO管脚通常集成ESD保护电路（如GGNMOS、二极管），若直接施加高电压，可能被钳位，无法有效触发Latchup。
电流注入可绕过钳位，强制电流流经寄生SCR结构，更易触发闩锁。

（2）电源管脚测试：电压注入
测试方式：
对VDD/VSS施加过压（如\(V_{DD} + 1.5 \times V_{DD}\)，最高不超过7V）。
监测电源电流，若电流持续上升，则判定Latchup触发。
典型测试条件：
电压步进（如0.1V步长）直至触发或达到最大允许电压。
持续时间：通常100ms~1s。

为什么电源管脚采用电压注入？
1. 电源网络的低阻抗特性：
电源管脚直接连接芯片内部全局电源网络，阻抗极低，若直接注入电流，可能无法有效建立足够电压差来触发SCR。
电压注入可强制电源网络电压升高，使寄生SCR两端的PN结正偏，更容易触发Latchup。
2. 模拟电源噪声/瞬态事件：
电源管脚在系统中可能遭受电压浪涌（如热插拔、电感负载开关），电压注入更符合实际失效场景。

2. 关键差异与设计考量

（如\(V_{DD} + 1.5 \times V_{DD}\)，最高不超过7V）。

监测电源电流，若电流持续上升，则判定Latchup触发。

典型测试条件：

电压步进（如0.1V步长）直至触发或达到最大允许电压。

持续时间：通常100ms~1s。

为什么电源管脚采用电压注入？

1. 电源网络的低阻抗特性：

电源管脚直接连接芯片内部全局电源网络，阻抗极低，若直接注入电流，可能无法有效建立足够电压差来触发SCR。

电压注入可强制电源网络电压升高，使寄生SCR两端的PN结正偏，更容易触发Latchup。

2. 模拟电源噪声/瞬态事件：

电源管脚在系统中可能遭受电压浪涌（如热插拔、电感负载开关），电压注入更符合实际失效场景。

2. 关键差异与设计考量

测试方式	IO管脚（电流注入）	电源管脚（电压注入）
模拟场景	ESD/CDM事件（大电流冲击）	电源噪声/瞬态过压（如热插拔）
测试参数	±100mA~±200mA（JESD78）	VDD+1.5VVDD+1.5V（最高7V）
触发机制	电流强制流经寄生SCR	电压强制PN结正偏
ESD保护影响	可能绕过IO钳位电路	电源钳位（如LDO）可能抑制触发
设计优化方向	增加Guard Ring、降低寄生β	优化电源分布、增加去耦电容