熱插拔損傷電路的失效分析及整改*

高嘉平，王 彬，司聳濤，虞勇堅

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072)

1 引言

隨著科技日新月異的進步與發(fā)展，各式各樣先進的電子設備與電子元器件被廣泛應用在全世界的各個角落。伴隨著技術的不斷革新，電子元器件和電子設備在高度集成化的道路上從未停止，高度集成化對芯片的制程提出了更高的要求，帶來的是芯片耐壓偏低，電子器件本身對浪涌的防護能力變?nèi)?，在此背景下出現(xiàn)了各種類型的浪涌防護器件[1]，雖然工作原理各不相同，但目的都是抵消或降低浪涌來保護其他電子元器件[2]。目前國內(nèi)有在電路設計時通過總線預充電和電容隔離的方法使板卡在熱插拔過程中對總線的干擾降低到最小。本文主要研究芯片熱插拔損傷后的失效分析過程及解決方案。

2 事件背景及浪涌電流

生產(chǎn)3100 個板卡后，在測試過程中出現(xiàn)大量問題，故障板卡上機后不能正常運行，經(jīng)過簡單測量發(fā)現(xiàn)供電電源存在短路的現(xiàn)象，問題來自32 位單片機芯片 （Microcontroller Unit, MCU）， 型 號 為CKS32F103RBT6，該芯片是基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的嵌入式ARM 處理器，工作頻率為72 MHz，采用標準LQFP64 封裝，內(nèi)置高速存儲器、豐富的增強I/O端口和多個聯(lián)接到兩條APB 總線的外設。

浪涌電流持續(xù)時間一般都在微秒級或以上，所以浪涌大多屬于低頻范圍，在一個特定的電路系統(tǒng)里面，每個路徑或者說每個節(jié)點的等效阻抗是相對固定的。根據(jù)歐姆定律，為了獲得大的電流，就必須要一個大的電壓激勵，所以浪涌電流都是伴隨著電壓的波動而產(chǎn)生的[2]。為了評估一個浪涌，根據(jù)UI=I2R=P，如果電壓很小，即使電流很大也不會造成太大的危害，相反的，如果電壓很高，即使很小的電流也會造成損壞。例如，瞬態(tài)二極管（Transient Voltage Suppressor,TVS）最重要的性能參數(shù)之一就是脈沖峰值電流Ipp，或者說在特定電壓下的最大電流，而不是單純的最大電流[3]。

3 失效分析

3.1 管腳測試

使用萬用表對不良MCU 的電源短路情況進行測試，萬用表電阻檔測量芯片VDD 與GND 管腳，確認芯片VDD 與GND 短路。再用萬用表二極管檔測量芯片各個端口的ESD 管是否完好，測量端口對地ESD管正表筆接GND，負表筆測芯片各個端口，反之測量芯片各個管腳對VDD 的ESD 管二極管特性。發(fā)現(xiàn)芯片問題集中出現(xiàn)在PB8 管腳，PB8 管腳的二極管特性檢測測試結果如表1 所示，可初步判斷PB8 管腳上下兩個ESD 管均已經(jīng)短路，即PB8 管腳與GND 短路，PB8 又與VDD 短路，故出現(xiàn)了電源與地短路的現(xiàn)象。

表1 PB8 管腳二極管測試結果

3.2 X 射線檢查測試

采用德國微焦點的Y.cheetah 型X 射線儀對問題芯片進行X 射線檢查，檢驗鍵合絲是否存在移位或斷裂情況，排除移位或斷裂的鍵合絲與周圍其他鍵合絲或管腳搭接造成的短路，X 射線成像如圖1 所示，從圖中可以看到鍵合絲完整，連接可靠，未見錯位及斷裂的情況發(fā)生，因此可排除鍵合絲移位或斷裂帶來的短路問題。

圖1 X 射線成像

3.3 聲學掃描測試

采用美國SONOSCAN 的D9600Z 型超聲掃描顯微鏡對問題芯片進行超聲掃描檢測，檢測芯片內(nèi)部層級之間是否存在問題，正面聲掃與背面聲掃結果如圖2 所示，正面、背面均未見異常，可排除芯片生產(chǎn)、運輸、存儲等環(huán)節(jié)的物理損傷導致的短路等失效情況。

圖2 超聲掃描正面、背面

3.4 去封裝測試

對不良芯片去封裝，采用上海無陌光學儀器有限公司的金相WMJ-9870 電子顯微鏡對去封裝后的芯片進行觀察，測試結果如圖3 所示，PB8 位置PAD 有明顯燒毀痕跡，該管腳受到異常電流沖擊，導致管腳PAD 大面積燒毀，并且牽連周邊線路?？膳卸≒B8 端口上下兩組ESD 管損壞嚴重。

圖3 PB8 位置燒毀情況

3.5 原理圖分析

板卡上PB8 與板卡背面第3 根金手指直連，位置如圖4 所示。根據(jù)客戶提供的原理圖（圖5）可見，PB8管腳為判斷板卡是否插入背板卡槽的數(shù)字信號，該信號為輸入信號，板卡未插入背板時PB8 通過上拉電阻R1檢測到高電平，板卡插入背板卡槽時PB8 與背板的地線連接，檢測到低電平，該板卡在操作過程中存在熱插拔，但是電路設計時并未設計相應的熱插拔電路或者防護電路，帶電熱插拔過程中該信號線上易產(chǎn)生瞬變電壓[4]，可能導致MCU 系統(tǒng)異常，嚴重時芯片管腳被擊穿燒毀。

圖4 PB8 連接板卡金手指位置

圖5 PB8 部分原理

3.6 原因分析

當子板插入母板時，由于母板及母板上已有的子板，所有的電容均是充滿電的狀態(tài)，而待插入的子板上的電容是零電荷狀態(tài)，當待插入的子板與母板接觸時子板上的電容開始充電，并在短時間內(nèi)從母板上相關的電源吸收大量的電能，并在電能流經(jīng)的線路上形成一股時間短、比正常工作電流高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍的強大過電流，即浪涌電流[5]。如果不采取任何限制措施，就會使電源出現(xiàn)瞬間跌落導致系統(tǒng)復位（電源功率不足時），甚至導致子板與母板連接部位的金手指或者電路相關元件燒壞等現(xiàn)象。從MCU 開蓋后內(nèi)部損傷情況來看，損傷由大電流造成，結合原理圖及板卡實際應用可知損傷由操作過程中熱插拔造成。進行熱插拔操作時，子板與母板之間可能存在比較高的電位差，該板卡設計上沒有采取任何相關措施，這種電位的差異對子板上的MCU 芯片構成了嚴重的危害，因為該MCU 在正常工作條件下的工作電壓為3.3 V，最高耐壓3.6 V，如果瞬態(tài)電壓高出MCU 正常工作的電壓上限太多，就會擊穿MCU 芯片，造成不可逆的損傷。

4 解決方案

電路板設計時對浪涌的防護策略基本類似，都是通過疏或堵的方式。所謂疏，就是將大量的電荷疏導到不影響器件的其他通路，例如通過TVS 管、壓敏電阻等將電荷泄放到地線上，或者通過電容來吸收電荷；所謂堵，就是將大量電荷堵住延緩其流入，避免其影響元器件的正常工作，比如在通路上串聯(lián)一個電阻、電感、磁珠等，也可以理解為一個低通濾波器，將靜電和浪涌的高頻分量濾掉[6]。浪涌防護一般都是針對電源輸入端口來說的，防護方式也比較單一，最為常見的方法就是并聯(lián)放電器件TVS 管；TVS 管受到高于其擊穿電壓的浪涌時就會導通，將浪涌所攜帶的大量沖擊能力瞬間泄放到地層，從而減小或消除浪涌對后方電子元器件的沖擊，避免損傷。TVS 管的反應速度大都在皮秒級，所以能使兩極間的電壓箝位于一個安全值，有效地保護電子線路中的精密元器件免受浪涌脈沖的破壞。TVS 管有單向管也有雙向管，兩個單向管的陰極對陰極串聯(lián)起來就是雙向管。雙向管可以防正脈沖也可以防負脈沖，單向管只能防一個極性的脈沖。在同等封裝、工藝、成本下，單向管的功率一般比雙向管大，所以在電源端口單向管用得較多（如圖6 所示），數(shù)據(jù)端口雙向管用得較多。

圖6 TVS 單向管

其原理是當電壓超過某一個值時，TVS 管近似短路，形成一個低阻抗的泄放路徑，將浪涌迅速泄放到主地[7]。特別說明，浪涌脈寬在10 μs 級別，頻率相當于100 kHz 級別，所以串聯(lián)電感或者磁珠效果不明顯。當然如果電感足夠大，形成一個帶寬足夠低的低通濾波器，也可以成功衰減浪涌。但是在電源通路串聯(lián)一個大電感又會造成其他更為嚴重的電磁干擾（EMI）問題[8]，一般產(chǎn)品設計沒有這么做。另外，在電源線上串聯(lián)電阻，在正常工作狀態(tài)下會有電壓跌落，如果工作電流不斷變化的話，就會造成電源紋波。所以浪涌一般也不會采取串聯(lián)電阻的方法。在實際產(chǎn)品設計中，往往都采用組合設計。比如TVS 管和穩(wěn)壓管、大電容并聯(lián)，或者壓敏電阻和大電容并聯(lián)，或者先串聯(lián)一個電阻，然后再并聯(lián)TVS 管和大電容等等。TVS 理論效果如圖7 所示。

圖7 TVS 管理論效果

解決方案采用了一款無錫中微晶園電子有限公司的TVS 管，型號為JESD10M3.3D6.0A1，參數(shù)如表2所示。添加TVS 前后試驗對比如圖8 所示，明顯可見TVS 對浪涌尖峰的作用效果。

表2 TVS 管JESD10M3.3D6.0A1 參數(shù)

圖8 加TVS 前后試驗對比

5 結論

本文通過各種集成電路失效分析技術鎖定問題，根據(jù)電路設計圖紙進行理論分析，通過增加TVS 等保護器件的整改方案，有效解決客戶板卡在生產(chǎn)測試和應用過程中熱插拔操作導致MCU 芯片受到致命損傷的問題。增加TVS 等保護器件的整改方案可以有效消除浪涌尖峰，避免熱插拔過程中產(chǎn)生的浪涌對MCU端口造成損傷。有熱插拔操作需求的產(chǎn)品必須在設計過程中采取措施消除這些浪涌隱患，否則熱插拔過程產(chǎn)生的瞬態(tài)過電壓和過電流對MCU 端口的傷害是致命的。