MediaTek再一次在东南大学和西安电子科技大学举办了暑期夏令营，今年的模拟IC部分由我来讲（之前的讲师没时间），PPT因为信息安全问题拿不出来，我就把讲稿整理了一下形成本文。
这是第二部分的讲稿，第一部分是消费电子中SerDes的发展趋势和关键技术。
1. 标题
上一部分很多同学可能听得有点云里雾里，这是正常现象，一方面是我讲得还不够通俗易懂，另一方面是毕竟行业高度细化，不同方向的知识储备大相径庭。不过我觉得没必要记住每个细节，只要能留下点印象就算没白听。等到哪天你遇到了什么问题，然后脑中灵光一闪：“哎，我好像在哪听过一个什么讲座，里面有这种问题的解法”。然后仔细一想，记起来几个词，顺着这几个关键词在Google上找到了相关的内容，或许就能解决你的问题。
这部分我们就讲点通俗的、更偏向实际应用的内容——可靠性与ESD。不过大家在学校里做的项目可能还不太关注这部分，但对于真正量产的产品来说是至关重要的。接下来我会做一些介绍，希望大家可以有所收获。
2. 自我介绍
这部分就跳过了。
3. 课程安排
我大约会用30分钟的时间来分享我对可靠性和ESD的认识。
4. 大纲
分别会介绍可靠性和ESD是什么，然后讲一下它们是怎么测的，如果有什么问题可以在问答环节向我提问。
5. 可靠性介绍
首先请大家回忆一下，你买的电子产品多久会坏？坏掉的原因是什么？我记得我小时候，电视机之类的东西坏掉的时候都会用力拍几下，或许就能拍好。这是因为有接触不良，拍几下带来的震动让它恢复接触了，也就暂时解决了故障。现在大家生活条件好了，电子产品的价格也下来了，这种“传统手艺”好像都要失传了……大家年纪比较小，正好赶上了数码产品大换代的时候，是不是还没等到用坏就淘汰了？那我们设计的芯片会因为用得久了而坏掉吗？如何保证芯片能用到被淘汰？
事实上芯片工作的久了的确会有出现故障的现象，它的原因是多样的，让我们逐一看一下。
6. 热载流子注入（HCI）
第一个是热载流子注入效应，它是因为沟道里的载流子在横向移动的时候会撞到氧化层上，氧化层是很薄的，载流子撞穿后会形成栅极电流或者衬底电流，这会导致管子的跨导下降或者阈值电压上升。对应到应用就是数字电路会因此增大延迟时间，模拟电路会因此出现增益下降。记住这个效应出现的条件是载流子在沟道里快速移动时。
7. 负偏压温度不稳定性（NBTI）
负偏压温度不稳定性效应，这个效应出现在PMOS上，因为空穴在负偏压下会注入到栅极氧化层，造成管子的阈值电压增大、沟道饱和电流减小。同样的，NBTI效应也会造成电路的性能下降。它出现的条件是PMOS，并且栅极电压比衬底低。
8. 经时击穿（TDDB）
与时间相关的介电质击穿效应，或者叫经时击穿效应，这个效应产生的原因是氧化层中间会随机地出现缺陷，叫做“电子陷阱”。这些缺陷如果连在了一起，从正极一直连到负极，就会导致电流导通，即为“击穿”。它轻则会导致漏电增大，重则会导致器件失效。这个效应出现的条件是栅极和衬底的电压不一致。
9. 可靠性举例
让我们来看一个简单的例子，这是一个反相器，给它输入“高低高低”的波形，它会输出“低高低高”的波形。那么前面所述的几种效应会分别出现在什么时期呢？
热载流子注入效应出现在沟道里有载流子快速移动时，那就对应了反相器状态翻转时，就是右图中的A、C期间，无论PMOS还是NMOS都会受这个效应影响；
负偏压温度不稳定性效应出现在PMOS的栅压低于衬底电压时，即为D期间，只有PMOS受这个效应影响；
经时击穿出现在栅压和衬底电压不一致时，对于NMOS是B期间，对于PMOS是D期间。
10. 大纲
好了，可靠性就简单地介绍完了，接下来让我们看看ESD。
11. ESD介绍
ESD的全称是什么？静电释放。说起静电大家应该不会陌生，北方的冬天特别明显，尤其是一些体质特异的人，简直都成皮卡丘了，不管到哪都是一路火花带闪电。这些静电打到门把手上是无所谓的，要是打在电子设备上会怎么样？
12. ESD介绍（续）
电子设备上通常会有很多接口，接口再通过导线连接到芯片的管脚上，然后连到芯片内部。静电释放时产生的高电压可能会击穿管子，大电流可能会烧熔器件。那么要怎么防护呢？
13. ESD介绍（续）
让我们想一想人们是如何应对雷击的，用避雷针。但关键点在于避雷针吗？不知道大家有没有留意过，建筑物除了在顶上放避雷针外，还要用一根很粗的导线从避雷针引到地下，埋在很深的地方。正是这根导线提供了一条到地的、阻抗远低于建筑物本身的通道，才能旁路分流走绝大部分电流，从而保护了建筑物。
14. 放电路径
同样的道理，如果我们能提供一条针对静电的放电通道，也可以保护内部的电路。如这张图所示的，无论输入、输出还是电源、地，都有ESD保护电路。
15. 放电路径（续）
让我们来看看保护电路是如何工作的。以这幅图为例，假如输入PAD上出现了一个正的电流脉冲，首先会通过二极管向电源放电；如果电源没能泄放掉，ESD检测电路会把连接在电源和地之间的管子打开，把电流向地上引导；如果到了地上仍然没有放完，电流会通过二极管流向输出PAD。这些通道可以提供无论是从哪到哪、无论是正是负的低阻通道，可以快速地旁路掉电流，保护内部电路。
16. 大纲
说完了原理，让我们来看看如何进行测试。
17. 芯片失效率
首先大家要知道产品的失效率存在这么一个现象，失效率随着时间先减少，再稳定，再增加，与人的健康状况随年龄的变化相似，呈现出两头高中间低的浴盆形状。如果我们能尽量的筛除早期失效的，那么到客户手里的就会是稳定的、健康的产品。
18. 流片后测试
在设计时，不同规格的产品对寿命的要求是不一样的，比如消费级通常是2~5年，工业级是5~10年，车用的会更久。同时对温度、湿度也有不同的要求，对失效率的容忍程度也不一样。
在芯片封装完后，经过最终测试，会进行可靠性测试，再交付给用户，以保证使用寿命和失效率。但是我们在测试时不可能真的测两年或者五年，那怎么办呢？当然有的产品是真的会去测能用多久，比如圆珠笔芯、中性笔芯，他们真的会用机械臂拿着笔芯去划，测试墨水写多长后会用完，以及滚珠会不会提前掉下来。对于芯片来说我们可以去测各种应用场景的功能，但是可靠性要怎么测？如果不测的话你怎么能向客户证明这个产品是可以坚持几年的使用时间呢？
19. 加速可靠性测试
答案就是改变测试条件，从前面的原理介绍我们可以知道失效效应与电压、温度相关，在高温、高压下更容易出现失效，因此可以做一个等效，在高温高压下工作若干时间，相当于在常温常压下工作了多少倍的时间。这个测试方法是不是偷懒？是，但是没有更好的办法。
20. 高温老化测试
这种在高温高压下测试使用寿命的测试项称作高温老化试验HTOL，属于固态技术协会制定的测试标准清单中的一项。而这个技术协会里有大家几乎所有耳熟能详的集成电路公司，所以这是业界公认的测试方法。
21. 高温老化测试条件与规格
这里列出来了其中的测试条件和规格，比如消费级产品要在1.1倍电源电压、85摄氏度环境温度下工作200~500小时，然后再测试电路是否能正常工作、性能有多少衰减等。下面的表格列出的是器件级的规格，这里就不展开讲了。
22. 大纲
接着看一下ESD的测试。
23. ESD测试流程
同样的，ESD测试也属于测试标准，它分成几个测试Case，让我们依次看一下。
24. ESD测试模型 - 人体模型（HBM）
首先是模拟人用手触摸芯片时的情况，叫做人体模型。假设人体带电，去碰触芯片的一根管脚，产生放电现象。它的模型如右图所示，测试时先把开关拨到左边对电容充电，再把开关拨到右边，通过1.5kOhm的电阻对芯片放电，这里的1.5kOhm电阻模拟的是人体电阻。
25. ESD测试模型 - 机器模型（MM）
另一种模型是机器模型，模拟的是通过机械手或者其他电阻较小的工具触碰芯片时发生静电释放的情形。它的模型与人体模型的区别在于电容更大、没有电阻，因此可想而知放电电流会大得多，而且由于导线的电感效应还会出现震荡电流，即对芯片放电的电流是正负变化的。
26. ESD测试模型 - 元件充电模型（CDM）
前两种模型模拟的都是带电体向芯片放电的情况，元件充电模型则模拟的是芯片自身带电，向地放电的情形，从在仓库存放了一段时间的包装里把芯片拿出来时会发生这种现象。这种情况下没有电阻、电容，而是芯片通过管脚直接对地放电，如右图所示。
27. ESD测试方法
在测试时涉及到4种放电组合：电源对地、Pin对电源、Pin对地和Pin对Pin，这里我放了其中的两种示意。
在测电源对地时，先把所有的地接在一起，连到测试电路的地上，其他管脚浮空，然后对要测试的电源管脚打正、负电压，测试时逐步抬高电压值，看能否达到要求。
而在测试Pin对Pin时，会把电源地浮空，把除了待测Pin以外的Pin接测试电路的地，再对待测Pin打ESD脉冲。
28. 放电电流
如果我们对比一下三种模型下的放电电流波形，就会发现人体模型由于存在电阻，放电会温和很多，CDM的幅度较大，能达到人体模型放电电流大小的40倍，但持续时间很短，是纳秒级的。
29. ESD测试规格
对于不同的模型有不同的规格，一般人体模型要容忍2kV，机器模型要容忍200V，元件充电模型要容忍250V才算及格。
30. 总结
最后总结一下，前面介绍了可靠性、ESD的原理和测试方法。可靠性问题来自于热载流子注入、负偏压温度不稳定性、经时击穿等效应对器件性能的退化和破坏，测试时通过在高温高压下进行来缩短测试时间。ESD会直接对器件造成破坏，需要保护电路来旁路分流掉放电电流以避免损耗内部电路，测试时有人体模型、机器模型、元件充电模型等模型。
31. 问答
以上就是全部内容，大家有什么要问的吗？
后记：
可靠性和ESD是学生在学校做项目时很少会考虑的事情，即使是在公司做项目也不会是设计时关注的重点，只要最后能过rule就可以了。除非因为ESD器件拖累了速度，需要跟ESD负责人做一些讨价还价。拿这部分作为在暑期夏令营的分享本身就不太合适，奈何之前就有这部分，我也就只能在其基础上按照我的思路补充完善一下去讲。此外之前的分享中还有关于Converter的部分，但是由于我没深入做过相关内容，担心到时候露怯，就没作为今年分享的主题。
本来打算过几天去西安的，但是疫情又有了反复，限制了跨省流动，讲座就改成了线上。唉……我的凉皮、米皮、肉夹馍、羊肉泡馍……
