A.1 Características dos Circuitos em Modo-Corrente e Modo-Tensão
A.1.6 Sensibilidade a Transitórios Eletrostáticos
Um grande número de danos causados por descargas eletrostáticas induzidas (Eletrotatic Discharge – ESD), em MOSFETs é devido à quebra do óxido isolador do
gate, especialmente quando a espessura do óxido (tox) é excessivamente diminuta, como
ocorre em algumas tecnologias CMOS. Circuitos em modo-tensão são particularmente vulneráveis à essa descarga, na medida que o nó de entrada destes circuitos é o gate de um MOSFET, um nó de alta impedância. Não existem caminhos de baixa impedância entre os pads de entrada e o ground para descarregar a energia eletrostática acumulada nos pads, como mostrado na Figura 7.7(a). Ao contrário, a baixa impedância dos pads de entrada dos circuitos em modo-corrente, previnem o acúmulo de energia eletrostática, como mostra a Figura 7.7(b).
A.1.7 Conclusões
As diferenças intrínsecas e topológicas entre circuitos modo-tensão e modo- corrente foram examinadas, seguidas de uma investigação acerca das impedâncias de entrada, impedância de saída, largura de banda, slew rate, atraso de propagação, sensibilidade à tensão de alimentação e ESD em circuitos modo-corrente e modo-tensão. Foi mostrado que circuitos em modo-corrente oferecem uma largura de banda comparável com circuitos modo-tensão com grande largura de banda, como amplificadores gate-comum e seguidores de fonte. Ao contrário de circuitos modo- tensão, onde o slew rate é definido pelas suas correntes de polarização, o slew rate de circuitos em modo-corrente é proporcional à sua corrente de entrada, o que os torna bastante úteis em aplicações onde um grande slew rate é necessário. As pequenas variações de tensões nos nós destes circuitos, também os tornam atraentes onde um atraso de propagação baixo seja essencial. A baixa impedância de entrada, também os torna menos suscetíveis à danos causados por carga eletrostática.
Apêndice B
Testes de Falha no CI
A versão 1 dos protótipos moduladores, Figura 5.1, retornou do processo de fabricação com problemas. Quando foram realizados os primeiros testes constatou-se a existência de curto-circuito entre os terminais de alimentação Vdd e Gnd. Logo realizou- se uma investigação das causas da falha, conforme descrito a seguir.
O primeiro teste realizado no CI, versão 1, foi alimentar o circuito de referência de tensão e medir a tensão esperada, Vref=1.26V. Neste teste observou-se que os pinos de Vdd e Gnd estavam em curto-circuito. Consecutivamente todos os pinos de Vdd e Gnd de seis blocos independentes no CI foram testados e apresentaram o mesmo comportamento, ou seja, curto-circuito com padrão de 2,5 Ohms.
A Figura 7.8 mostra o comportamento resistivo dos pinos de entrada de alimentação, Vdd e Gnd dos blocos realizados na rodada de fabricação XM50214.1 da XFAB.
Portanto, era imperativo encontrar fisicamente o que estaria causando o curto- circuito, uma vez que não foi detectada qualquer anomalia em simulações com parâmetros extraídos ou nas verificações das regras de leiaute (DRC).
Uma possível causa para tal comportamento seria o efeito de latch-up, mas devido ao comportamento linear entre Vdd e Gnd como se nota na Figura 7.8, este efeito pode ser descartado, pois as tensões de threshold desta tecnologia são em torno de 0,85 e 1 V para junções tipo N e P respectivamente.
Cogitou-se então a possibilidade de ocorrência de danos na estrutura de pads pela solda dos pinos de encapsulamento. Está hipótese foi descartada pelo teste com micro-ponteiras em chip não encapsulado (die chip).
Um segundo teste foi realizado com a intenção de isolar por partes o problema. Um corte a lazer foi realizado na estrutura metálica que liga o pad de Vdd ao circuito interno, dessa forma isolando as estruturas de proteção dos pads, Figura 7.9. Após o corte, a medida de resistência entre Vdd e Gnd permanece.
Figura 7.9 – Corte laser na estrutura de ligação de Vdd
O terceiro passo na investigação seria então, localizar a estrutura comprometida uma vez que ela está presente em todos os circuitos e localizada na estrutura na região dos anéis dos pads. O primeiro teste mais viável para as exigências do momento seria a observação da imagem térmica proporcionada por cristal liquido depositado sobre a superfície do CI alimentado. Este teste foi implementado através de uma solução original [70], que utiliza uma estrutura de cristal liquido polimerizado presente em termômetros clínicos. O método consiste em cortar um retângulo do tamanho da área do chip a ser investigado, Figura 7.10, depositá-la sobre a superfície do mesmo e alimentar o chip até que se visualizem as variações térmicas proporcionadas pela zona aquecida no CI.
Figura 7.10 – Posicionamento do retículo de cristal líquido sob o chip
A Figura 7.11 ilustra uma sequência de fotos tomadas para cada duas medidas da tensão de alimentação. As ocorrências foram registradas para 0.8V e 1.2V com correntes entre 0.2A e 0.3A, respectivamente, para cada circuito implementado no CI.
O circuito foi montado sobre uma placa de circuito de ensaio sendo fornecida corrente ao circuito lentamente, variando-se de zero até o nível em que a temperatura sob o chip seja suficiente para formar manchas térmicas visíveis sobre o cristal liquido. Usando uma câmera digital (Sony Cyber Shot DSC W90, 8.1 MP) adaptada para a terceira ocular de um microscópio (Zeiss tipo Stemi 2000-C) ajustado para amplificação de 50 vezes, as fotos foram feitas sequencialmente mostrando claramente a origem do calor e sua propagação sobre a superfície do chip.
Analisando as imagens da Figura 7.11 e sobrepondo-as a imagem de layout, Figura 4.60, identifica-se que o foco de calor origina-se a partir da estrutura de pads, exatamente no bloco de proteção contra descargas eletrostáticas (ESD).
Com base neste pressuposto, o próximo passo foi investigar a natureza do material ou a estrutura que produz esse curto-circuito. Para isso, os testes foram realizados em uma câmara térmica com medição da resistência ao estresse de temperatura. Os dados obtidos estão resumidos na Tabela 7.1 e indicam um coeficiente térmico positivo para caminho fechado pelo curto-circuito. Isso leva a conclusão que o material em questão tem natureza metálica, pois se fosse de natureza semi-condutora teria coeficiente térmico negativo.
Tabela 7.1 – Teste de resistência com estresse térmico
Estresse térmico (temperatura ºC) Resistência (Ohms)
-50 2.2
27 3.3
100 4.5
Frente a todas as evidências demonstradas pode-se concluir que o defeito tem origem nos pads de proteção para ESD (ou pads clamp) e é de natureza metálica, restando a hipótese de que tenha sido um problema no processo de fabricação.
Contudo, o problema ainda não ficou suficientemente esclarecido, pois o fabricante não admitiu problemas no processo e as evidências descartam problemas de projeto.
Na continuidade, uma nova versão foi concebida, dessa vez sem a implementação das estruturas de pads de proteção para ESD, conforme Capítulo 5.