淺談SIM芯片ESD測(cè)試與設(shè)計(jì)

1、淺談SIM淺談SIM芯片ESD測(cè)試與設(shè)計(jì)發(fā)布時(shí)間：2013-1-31、引言當(dāng)前我國(guó)IC卡應(yīng)用已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行各業(yè)，各個(gè)行業(yè)的IC卡應(yīng)用陸續(xù)啟動(dòng)，主要有電信卡、社保卡、公安部身份證、衛(wèi)生部健康卡、石油行業(yè)加油卡、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(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。IC卡目前的發(fā)展趨勢(shì)，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)，目前都已作為各行業(yè)強(qiáng)制性檢測(cè)的要求，而且抗靜電的級(jí)別有越來(lái)越高的趨勢(shì)，已經(jīng)突破集成電路人體模式2000V的一般要求，如中國(guó)移動(dòng)已要求智能卡至少要求滿足4000V的

2、檢測(cè)要求，而且ESD之后除了功能正常之外，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(gè)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。華虹設(shè)計(jì)是國(guó)內(nèi)最大的智能卡芯片開(kāi)發(fā)及系統(tǒng)解決方案供應(yīng)商，連續(xù)九年我們蟬聯(lián)中國(guó)IC集成電路行業(yè)前十強(qiáng)，本文簡(jiǎn)要介紹SIM芯片ESD的測(cè)試現(xiàn)狀以及主流的設(shè)計(jì)。2、ESD測(cè)試模型目前在SIM產(chǎn)品測(cè)試主要有三種模型：人體放電模式（HBM）、機(jī)械模式（MM）、帶電器件放電模式（CDM）。人體放電模式（HBM）ESD是指因人體在地上走動(dòng)磨擦或其它因素在人體上已累積了靜電，當(dāng)人去碰觸到IC時(shí)，人體上的靜電便會(huì)經(jīng)由IC的PIN腳而進(jìn)入IC內(nèi)，再經(jīng)由I

3、C放電到地去，此放電的過(guò)程會(huì)在短到幾百毫微秒的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的瞬間放電電流，此電流會(huì)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)此機(jī)器去碰觸到IC時(shí)，該靜電便經(jīng)由IC的pin放電。因?yàn)闄C(jī)器是金屬，其等效電阻為0Q,其等效電容為200pF。其放電的過(guò)程更短，在幾毫微秒到幾十毫微秒之內(nèi)會(huì)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先因磨擦或其它因素而在IC內(nèi)部累積了靜電，但在靜電累積的過(guò)程中IC并未被損傷。此帶有靜電的IC在處理過(guò)程中，當(dāng)其pin去碰觸到接地面時(shí)，IC內(nèi)部的靜電便會(huì)經(jīng)由pin自IC內(nèi)部流出來(lái)，而造成了放電的現(xiàn)象。此外，有些用戶關(guān)注系

4、統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試，把芯片和系統(tǒng)PCB板使芯片在工作狀態(tài)下考核系統(tǒng)ESD性能。以下是2KVHBM、200VMM、1KVCDM模式的放電波形比較，雖然HBM的電壓2KV比MM的電壓200V來(lái)得大，但是200VMM的放電電流卻比2KVHBM的放電電流來(lái)得大很多，因此機(jī)器放電模式對(duì)IC的破壞力更大。1KVCDM模式的電流最大，放電時(shí)間最短。ComparisonHBM,MMandCDMpulse目前ESD目前ESD測(cè)試主要關(guān)注SCHAFFNER公司的NSG435型號(hào)的電子槍測(cè)試。但此設(shè)備主要用于系統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試，主流的ESDHBM在測(cè)試機(jī)構(gòu)主要采用KEYTEKZAPMASTER設(shè)備。這兩者測(cè)試的波形會(huì)有不

5、同，一般情況下電子槍測(cè)試的ESD的電流會(huì)更大一些，因此造成兩種測(cè)試結(jié)果會(huì)有不同。有的芯片可能現(xiàn)在ZAPMASTER設(shè)備通過(guò)8000V測(cè)試，但可能通不過(guò)NSG電子槍3000V的情況。timeinsl測(cè)試，但可能通不過(guò)NSG電子槍3000V的情況。以下是8KV系統(tǒng)級(jí)ESD和人體模式ESD的測(cè)試波形。系統(tǒng)級(jí)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)。1EC61D00-1-2150pF；Rhem=MIL-STD-883100pF；R|4BM=System-LevI10、.Component-LevelQ二h匸MOn忌90ns150nsUnder8kVESDzap

6、ping,thepeakcurrentinsystem-levelESDisabout5timeslargert圖21EC61D00-1-2150pF；Rhem=MIL-STD-883100pF；R|4BM=System-LevI10、.Component-LevelQ二h匸MOn忌90ns150ns3、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(lái)越薄，MOS管能承受的電流和電壓越來(lái)越小，從而工藝集成度越高降低ESD性能;但是芯片面積和價(jià)格成為各廠商競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)，其設(shè)計(jì)一般考慮性能和面積的平衡。3.1SIM觸點(diǎn)說(shuō)明圖3智能卡典型封裝管腳圖編號(hào)管腳名功

7、能描述管腳類(lèi)型C1VCC電源輸入C2RST復(fù)位信號(hào)輸入C3CLK外部時(shí)鐘輸入管腳輸入C4NC系統(tǒng)保留C5GND電源地輸入C6NC系統(tǒng)保留C710數(shù)據(jù)通訊管腳輸入/輸出C8NC系統(tǒng)保留表一智能卡典型封裝管腳列表3.2ESD保護(hù)原理ESD保護(hù)電路設(shè)計(jì)目的是提供瞬間大電流的快速泄放通路，避免工作電路成為ESD放電通路而遭到損害。為了保證各個(gè)PIN都具有ESD保護(hù)能力，每個(gè)PIN都要設(shè)計(jì)ESD保護(hù)電路。電源PIN、輸入PIN和輸出PIN因其功能不同，ESD保護(hù)電路也不近相同。在電路正常工作時(shí)，抗靜電結(jié)構(gòu)是不工作的，在保護(hù)電路的同時(shí)，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。3.3ESD設(shè)計(jì)架構(gòu)

8、和改進(jìn)ESD保護(hù)電路主要在SIM的三個(gè)PAD（RST、CLK、IO）內(nèi)部，PAD內(nèi)部的ESD通路主要由與電源之間的PMOS和與地之間的NMOS兩個(gè)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(gè)PAD之間，如果PAD與電源之間正向放電，此時(shí)在PAD與電源之間以及電源和地之間保護(hù)電路的性能對(duì)于抗ESD能力起著決定性作用，不僅要泄放電源和地之間的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(duì)地有一負(fù)向的ESD脈沖時(shí)，此二極管正向?qū)ㄐ狗臙SD電流；當(dāng)電源相對(duì)地有一正向ESD脈沖時(shí)，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

9、過(guò)量的ESD電流。圖4典型的ESD保護(hù)電路目前在市場(chǎng)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(shí)序不符合7816的規(guī)范?？赡軙?huì)對(duì)這種結(jié)構(gòu)的SIM芯片帶來(lái)一些威脅。曾在某移動(dòng)代理機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)一種不標(biāo)準(zhǔn)的讀卡器：這種讀卡器仍然使用C6的VPP管腳，該管腳具有3.8V電壓，在插入或拔卡的過(guò)程中，卡片的VCCPIN會(huì)接觸到激卡器的C5PIN(GND)，同時(shí)卡片的RST會(huì)先接觸到讀卡器的C6PIN,就會(huì)在VCC和RST之間瞬間形成反向電壓，這個(gè)電壓足以使PMOS打開(kāi)并形成一個(gè)大的電流，大電流可能導(dǎo)致金絲燒斷或芯片損傷。因此對(duì)上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改，刪除PMOS與PAD之間的ESD放電通路，E

10、SD放電NMOS是主要ESD放電通道。當(dāng)VDD接地，此輸入PAD電壓會(huì)先經(jīng)過(guò)到GND之間的ESD防護(hù)電路，沿到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。圖5：改進(jìn)后的ESD保護(hù)架構(gòu)此外，在設(shè)計(jì)SIMESD電路時(shí)需遵循一定的排布規(guī)則。在進(jìn)行PAD排布時(shí)，各輸入PAD盡可能的并列排放，與電源和地的距離盡可能的短，為ESD提供有效快速的放電回路。因此在SIM外封的5個(gè)主要PAD中RST,CLK和IO的位置盡可能地與VCC和GND放置較近，放電路徑越短，放電速度越快。電源和地的走線盡可能寬，減小走線的電阻。為了增加ESD的保護(hù)性能，可以建立二級(jí)ESD保護(hù)電路，保護(hù)輸入、輸出信號(hào)；可以在電源和地間加POWERCLAMP,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技術(shù)、silicide技術(shù)、polycide技術(shù)提高了CMOS的性能，但是降低了抵御ESD的能力。