Electrostatic discharge (ESD) problems have attracted a lot of attentions in these days because ESDs causes severe damages on chips such as melt of interconnect and junction breakdown. To reduce the damages and protect chips from ESD damages, previous researches introduced chip-level protection methods. However, it is getting more difficult to protect chips from ESD damages because the protection capacity of on-chip ESD circuit is significantly reduced as scaling down of chip technologies. To make up for limitation of on-chip ESD protections, board-level ESD protection is required. In previous researches, bulk current probes or near-filed sensor are used for analysis of ESD current paths. The bulk current probe has been used for sensing ESD currents, however it is difficult to be used when we measure the ESD current generated inside PCBs because the bulk current probe needs additional lines or structures.
For a specialized ESD current detection, We propose a novel toroidal current probe embedded in multi-layer printed circuit boards (PCBs) for electrostatic discharge (ESD) detection. The proposed current probe adopts toroidal coil concept. Toroidal coil is implemented by through-hole via array and transmission lines. The proposed current probe consists of an inner via-array, bridge lines, and an outer via-array, which surround an ESD current path and form a toroidal to detect an ESD current. It captures magnetic field generated from ESD current flowing at the center via. The captured magnetic field is measured as a form of voltage and converted to the current through a simple math operation. A transfer impedance between a port injected an ESD current and the proposed current probe is used for analysis of an ESD current coupling. Through experimental measurements, we verified the proposed current probe by comparison with a conventional current probe. By embedded in PCB, the proposed current probe can provides accurate and high reproducible measurement. Furthermore, it doesn’t need a modification of the dut structure for the purpose of detection. It means we can always get original ESD current distribution of the DUT.
Electrostatic discharge (ESD) from power/ground (P/G) planes is measured using the proposed current probe. The P/G plane in charging part and a line in discharging part are modeled as equivalent circuits for analysis of ESD current waveform. The test vehicles are fabricated on multilayer printed circuit boards (PCBs). The ESD modeling of low voltage charged power/ground plane is verified through measurements using the proposed current probe. We also investigate the effects of decoupling capacitors on ESD of P/G plane.
정전기 방전은 칩 내에 심각한 손상을 주어 칩 동작에 많은 문제를 발생한다. 정전기 방전에 의한 높은 전류, 전압은 칩이 녹거나 타는 현상이 나타날 수 있으며 게이트 옥사이드가 높은 전압을 견디지 못하여 오동작을 일으키게 된다. 이는 공정 스케일이 점점 작아지면서 정전기 방전을 견딜 수 있는 내압 또한 낮아지게 된다. 이 대 칩으로 들어가는 정전기 방전을 보드상에서 분석하는 것이 중요하다. 이전 정전기 방전 전류를 측정하기 위한 방법으로 전류측정기, 근접 필드 측정기가 있지만 이는 정확성과 재현성이 낮으며 그리고 구조 자체를 변형시키지 않아야 한다.
정전기 방전 전류를 측정하기 위한 방법으로 새로운 구조의 전류 프로브를 제안한다. 제안된 전류 프로브는 환형구조 코일 개념을 도입하여 PCB 내에 관통형 비아와 라인을 이용하여 설치하였다. 이 구조는 안쪽의 관통형 비아와 바깥쪽 관통형 비아를 라인을 통하여 환형구조형으로 구현하였으며, 정전기 방전 전류에 의해 생기는 자장을 쉽게 얻을 수 있도록 제작되었다. 제안된 전류 프로브는 정확성과 재현성이 높으며 기존 구조 자체를 변형하지 않아도 되는 장점이 있다.
전류 프로브로 측정된 전압을 간단한 계산 과정을 통해 정전기 방전 전류를 구할 수 있다. 전달 임피던스를 이용하여 측정된 전압을 정전기 방전 전류로 바꿀 수 있으며 이러한 방법으로 쉽게 측정이 가능하다. 제안된 전류측정기의 입증을 위해 기존의 전류측정기와 비교하였다.
파워 그라운드에서 발생하는 정전기 방전을 제안된 프로브로 측정하였다. 파워 그라운드에서 발생하는 정전기 방전에 대해 모델링 하여 이를 예측하고 분석하였다. 테스？ 보드는 다중 층을 가진 PCB에 구현을 하였고, 안정성을 위해 낮은 전압에서의 정전기 방전을 관찰하였다.
