01Latch up概念

在CMOS電路中，存在寄生的PNP和NPN晶體管,它們相互影響在VDD與GND間產生一低阻通路，形成大電流，燒壞芯片，這就是閂鎖效應，簡稱latch-up。

02重要性

隨著IC特征尺寸越來越小，集成度越來越高，閂鎖效應發生的可能性越來越高，這個現象極為重要，因為它有可能導致整個芯片徹底報廢。所以，在質量檢測（QUAL測試）中，latch-up是一個必須檢查的項目，而且它和靜電放電（ESD）防護也是密切相關的

03形成原理

晶體管之間存在PN結。當一個PNP晶體管的集電極連接到NPN晶體管的基極時，如果結反向偏置電壓超過一定閾值，就會發生Latch-up現象，如圖表1所示。

▲圖表1

正常工作情況下，三極管是截止的，不會發生Latch up現象。受到外界來自電源，I/O，ESD靜電泄放的干擾時，當一個PNP晶體管被激活時，它通過連接的NPN晶體管的基極轉導電流，導致NPN晶體管也被激活，形成一個正反饋回路，電流在這個結構里面不斷放大，最終超過芯片承受范圍，使得芯片被燒壞。

▲圖表2

圖中電路結構左半部分相當于一個P管放大電路，右半部分相當于一個N管放大電路，且它們的輸入輸出首尾相連，形成一個正反饋環路。當受到干擾時，PNP管打開，PNP管輸出端產生電流I1，I1流經NPN管放大成I2又輸入到PNP管的基極，從而導致PNP管的輸出端電流I1繼續增加，I1增加又導致經NPN管放大后的I2增加，從而形成正反饋環路，電流不斷增加。

電路中出現一個低電阻的路徑（圖表2紅色線條所示），導致異常電流流過，這會導致電路失去控制，可能導致器件的損壞或電路功能的失效。

04測試流程

Latch-up測試是集成電路可靠性測試的重要項目之一，主要用于檢測芯片在異常電壓或電流條件下是否會出現閂鎖效應（Latch-up）。

1測試標準

Latch up測試主要依據JESD78F標準進行測試，該標準中將Latch-up測試分為電流測試(I-test) 和電壓測試(V-test)。

2測試準備條件

(1)測試溫度（室溫25℃或特殊溫度）;

(2)芯片引腳定義(POWER , GND , INPUT, OUTPUT ,I/O) ;

(3)供電引腳(POWER)及IO引腳(INPUT, OUTPUT ,I/O) 的最大工作電壓。

3測試內容

▲圖表3

上表為測試閂鎖效應的條件及分類：正向電流測試≥100 mA ；負電流測試≥ -100 mA ；電壓測試1.5VCCmax或者MSV, 其中MSV表示（Maximum Stress Voltage）最大允許工作電壓。

電流測試 I-test，用于測試非電源管腳；電壓測試 V-test 用于測試電源管腳。其中I-test又有正向注入/負向抽取兩種，正向注入電流會使得端口電壓升高，負向抽取電流會使得端口電壓降低。

V-test的測試流程

(1)對所有輸出和I/O懸空，所有輸入管腳置于高電平偏置，所有VDD分別加電為對應的Vmax電壓，測量各VDD到GND的漏電流I-pre。

(2)對待測管腳施加V-test源，觸發電壓取1.5×VCCmax或MSV，觸發時間一般取10ms。

(3)去除觸發源后將被測管腳復原，測量漏電流I-post，進行失效判斷。

（如果I-pre≤25mA, 失效標準為I-post> I-pre+ 10 mA；如果I-pre> 25 mA，失效標準為I-post> 1.4 × I-pre）

(4)如果沒有發生Latch-up，對所有輸出和I/O懸空，將所有輸入管腳都置于低電平偏置，所有VDD分別加電為對應的Vmax電壓，測量各VDD到GND的漏電流I-pre，重復實驗。

(5)重復以上步驟，直到每個電源Vsupply管腳（或管腳組合）都通過測試。

▲圖表4

圖表4為V-test波形。

I-test的測試流程

(1) 對所有非待測的輸出和I/O懸空，所有輸入管腳置于高電平偏置，所有VDD分別置于對應的Vmax電壓

(2)測量各VDD到GND的漏電流I-pre。

(3)對待測管腳施加I-test源，正電流觸發限壓取該測試管腳的1.5 × VmaxOP，負電流觸發限壓取該測試管腳的-0.5×Vmax，觸發時間一般取10ms。

(4)去除觸發源后將被測管腳復原，測量漏電流I-post，進行失效判斷。

（如果I-pre≤25mA, 失效標準為I-post> I-pre+ 10 mA；如果I-pre> 25 mA，失效標準為I-post> 1.4 × I-pre）

(5)如果沒有發生Latch-up，對所有未接受測試的輸出和I/O懸空，將所有輸入管腳都置于低電平偏置，所有VDD分別加電為對應的Vmax電壓，測量各VDD到GND的漏電流I-pre，重復實驗。

(6)重復以上步驟，直到所有IO管腳都通過測試(除待測試管腳外的其他非輸入的IO管腳均懸空)。

▲圖表5

圖表5為I-test的正電流及負電流測試波形

特殊功能管腳

某些芯片會具有特殊的功能管腳，例如LDO管腳既可作為電源管腳也可作為輸出管腳，這些芯片的管腳能為其他芯片或器件提供偏置。而針對這類管腳，使用I-test還是V-test需要根據實際應用情況來確定。

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