JP2008124442A - 過電圧検出回路のための方法と装置 - Google Patents

Abstract

【課題】限度を超えた電圧の検出／記録機構を集積回路のシリカウェーハ上へ埋め込んで、予め設定された電圧限界を超える過電圧を検出し、保護しかつ記録するための方法と装置を提供する。
【解決手段】検出器回路及び記録回路は、集積回路デバイスと外部電源へ接続される電圧ピンとの間の電気接続部に直列又は並列で配置される。電圧源が接続されて過電圧状態が検出されると、検出器回路は接続部へ短絡し、記録回路は後の調査のためにこのイベントを記録する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、集積回路の誤用を同定する過電圧検出回路のための方法と装置に関し、より具体的には、指定された限度／範囲を超える印加電圧を検出しかつ記録するために限度を超えた電圧イベントを検出する機構と記録する機構とを集積回路基板上へ集積化することに関する。

携帯電話は、所定の電圧パラメータ内で動作するように設計される。指定された正又は負の最大電圧を超えると、電話の内部回路は損傷する。集積回路に指定された最大値を超える電圧が印加されると、電気的過剰ストレス（ＥＯＳ）による損傷が発生する。ＥＯＳ損傷（ダメージ）は、集積回路の故障の原因となり、携帯電話を使用不可にする。

以下は、ＥＯＳ損傷を引き起こす可能性のある状態の３つの例である。第１は、外部バッテリ及び充電器が動作用の電力を供給する状態である。この外部バッテリ又は充電器に欠陥があれば、又は誤って設計されていれば、指定された最大電圧を超える電圧が供給される場合がある。第２に、携帯電話は製造中、検査動作の間に外部検査ジグにより異なる電圧で刺激される。この検査ジグが誤って設計されていれば、又は規格外であれば、指定された最大電圧が超過される場合がある。第３に、最終の顧客は、認可されていない第三者のアクセサリを使用することにより、誤って規格を超える電圧を印加するかもしれない。同じく検出可能なＥＯＳ損傷を発生させる状態は、他にも存在する。

上述の状態を発生するＥＯＳにさらされる電話及びデバイスは、故障する可能性がある。電話メーカーは、現在、故障した電話及びデバイスをデバイスメーカーに返している。これらのデバイスに対しては、欠陥を決定する故障モード解析（ＦＭＡ）が実行される。故障モードタイプの１つは、上述したようにＥＯＳであり、集積回路上で観察される障害シグニチャによって決定される。ＥＯＳ損傷を引き起こす場合のある状態は、幾つか存在する。メーカーは、幾つかのデバイスに異なる過電圧条件を課し、その各々にＦＭＡ解析を実行することによってＥＯＳ損傷の予想される原因を同定しようとする。ある実験的デバイスが顧客の故障したデバイスに似た特徴を示せば、メーカーは原因を理論づけることができる。

しかしながら、発生されるＥＯＳ損傷を上述のように検出するためには、多大なＦＭＡ作業が必要とされる。正常に機能しない電話やデバイスは、故障した経緯の説明なしに返される場合が多い。最終の顧客は、ＥＯＳ損傷がどのようにして発生されるかを知らないか、開示したくないかのどちらかである。ＯＥＭの中間顧客は、電話はコンプライアンスを外れた使用には絶対にされていないものと想定し、メーカーにそのメーカーのデバイスが「正常な」動作環境に耐えられなかった理由を説明するように求める。唯一、ＥＯＳによる故障という状態証拠だけは、指定された正又は負の最大電圧を超える電圧がこれらのデバイスに印加されたことを示しているが、このようなイベントを指摘する確実な証拠は絶対に存在せず、よって顧客は、持ち込まれた故障に対するメーカーの応答に決して完全には満足しない。

さらに、デバイスを予測された方法で損傷させる実験を実行し、次にＦＭＡ解析を実行してそれが元の故障した顧客デバイスに一致するか否かを決定することは極めて時間のかかる作業である。各実験サイクルは、７営業日を追加することにもなる。実験サイクルが数サイクルになることはめずらしくなく、よって評価間隔に１４−２０日はすぐに追加される可能性がある。通常、ＥＯＳ損傷は極めて重要であるとされていて、工場の組立ラインが停止される場合もあり、両方の企業の収益が失われる結果となる。問題を可能な限り迅速に解決することは、メーカー及び小売り業者の両方にとって経費の節約になる。

最後に、ＦＭＡの実行は高価である。ＥＯＳ故障の根本的原因を決定する際に必要なＦＭＡサイクルがただ１つであれば、多大な経費を節約することができる。新しく故障した顧客デバイス及び実験デバイスに対して複数のＦＭＡサイクルが必要であれば、コストは膨大なものになる可能性があるが、ＥＯＳ故障を１つのＦＭＡサイクルで解決できれば、コストは大幅に節約される。

現在の方法は、故障の正確な原因を同定するものではなく、代わりに、故障した顧客デバイスに見受けられる損傷のタイプに一致する状態証拠を提示する。この証拠は決定的なものではなく、故障の根本的原因を明白には同定しない。明確に同定された根本的原因が顧客側にあれば、顧客は、そのプロセス又は使用ケースを探索して、故障の原因となる状態が如何にして発生したかを決定することができる。

従って、本発明は、デバイスに印加される入力電圧が指定された最大値を超えると検出するインジケータを集積回路上へ配置することにより、これらの課題に対処する。

集積回路上へは、指定された正又は負の最大値を超える入力電圧が印加されると検出する回路が配置される。このような回路は、このような過剰電圧の決定及び記録を支援するソフトウェアプログラム及び読み取り可能なレジスタを使用することができる。検出器／レコーダ回路は、将来の調査のためにこのイベントを永久的に記録する。

本発明は、その特徴及び優位点と共に、添付の図面を参照して行う以下の詳細な説明からより明らかとなるであろう。

図１乃至図６ａ及び図６ｂまでは、集積回路の誤用を同定する過電圧検出及び記録回路の装置と方法、及びその例を示す。検出回路及び記録回路（以下、総称して「イベント記録機構」という。）は、疑わしい電圧源に関して限度を超える電圧イベントを監視するために集積回路上に置かれる。「限度を超える電圧イベント」は、集積回路ピンへ上記回路の指定された正又は負の最大パラメータを超える電圧レベルが提示される任意の時間として定義される。上述したように、限度を超える電圧イベントはＥＯＳ損傷を発生させて集積回路を動作不能にする可能性がある。

次に、図１を参照すると、本図は、集積回路用の電圧が内部ソース又は外部ソースのいずれから供給されてもよいことを示している。入力バッテリ１は、電気接続部１０及び１５を介して各々外部電源チップ２又は電力管理デバイス３へ接続されてもよい。入力バッテリ１は、直流電源から電気エネルギーが得られるのではなく、好適には内部に化学エネルギーが蓄積されて直接電気エネルギーへ変換されかつそこから電圧が得られる任意のデバイスであることが理解されるが、前者のような電源も本発明の範囲内にあることは理解されるべきである。とって代わって、外部電源チップ２を使用して接続部２０から集積回路へ直接電力を供給することもできる点は理解されるべきである。

入力バッテリ１又は外部電源チップ２から電力を供給される電力管理デバイス３は、充電入力３０を介して外部充電器アダプタ（図示せず。）へ接続されてもよい。電力管理デバイス３の１つの目的は、電源に関連づけられるピーク及びディップを平滑又は調整することによって、電話の集積回路コンポーネントを電力サージ及び電圧スパイクから保護することにある。

図１に示すように、検出回路及び記録回路の配置を必要とする電話コンポーネントは回路基板上の集積回路（すなわち、主として半導体デバイス及び受動素子から成る小型電子回路デバイスを含むもの）である。よって、本図にはデジタルベースバンド集積回路４及びアナログベースバンド集積回路５が示されている。説明の便宜上、デジタル集積回路は、とりわけ、論理ゲート、フリップフロップ、マルチプレクサ及び他の回路を含んでもよく、アナログ集積回路は増幅器、フィルタ、変調器及びミキサを含んでもよい。但し、混合された信号の集積回路（すなわち、同一チップ上のアナログ及びデジタル回路の両方）及びメモリデバイス集積回路が本発明の範囲内に含まれてもよいことは理解されるべきである。またさらに、イベント記録機構は、電源からの限度を超える電圧イベントだけでなく、このようなイベントがチップ内の様々なサブコンポーネントに与える影響をも記録するために集積回路全体の様々なポイントに配置されることも理解されるべきである。

入力バッテリ１及び外部電源チップ２は集積回路内の回路へ直接に電気的に接続されてもよいことから、本発明の検出及び記録回路は、指定されたその最大動作電圧を超えて駆動される確率が高い任意の入力ピン上へ配置されるべきである。例えば、これらのピンとしては、Ｖｉ／ｏピン４１及び５１、Ｖｃｏｒｅピン４２及び５２及びＶＳｉｍピン５５が含まれてもよい。Ｖｉ／ｏピンは、集積回路内の回路へ電力が供給される入力／出力接続部であるとして理解される。Ｖｃｏｒｅピンは、集積回路のコア回路へ電力が供給される接続部であるとして理解される。ＶＳｉｍピンは、ＳＩＭカード（図示せず。）へ電力が供給される接続部であるとして理解される。通常このような電力は電話自体によって供給されるが、場合によっては、検査がこのような接続部における電圧を誘起することがある。当然ながら、顧客のアプリケーションは事前に知られていないことから、通常はチップセット内の電源によって電力を供給されるが外部デバイスによって電力を供給される場合もあるピンが保護されるべきである点は理解されなければならない。さらに、当然ながら、上記接続部はピンに限定される必要はなく、電流を流すことのできる任意の手段であってもよい点も理解されるべきである。

次に、図２を参照すると、最大仕様を超える電圧条件によって損傷を被りやすい各電源入力に安価な「最大電圧検出器」回路及び記録回路が配置されることが例示的に示されている。ここで、集積回路６は、外部電源７へ接続される電圧ピン６０と、外部バッテリ電源８へ接続される電圧ピン６１とを有する。当然ながら、集積回路６はデジタル、アナログ又は混合された信号の集積回路であってもよいこと、電圧ピン６０及び６１はＶｉ／ｏピン、Ｖｃｏｒｅピン又はＶＳｉｍピンであってもよいこと、及び外部電源７及び８は認可される任意の電源であってもよいことは理解されるべきである。

集積回路６内には、検出器回路９と、記録回路１０とが配置される。図に示すように、イベント記録機構は、電圧ピン６０から延在する電気接続部が示すように並行に配置されても、電圧ピン６１から延びる電気接続部が示すように直列に配置されてもよいことは理解されるべきである。従って、並列に配置されれば、イベント記録機構の各々は同じ電圧を受けることになるが、直列に配置されれば、イベント記録機構の各々には同じ電流が流れることになる。イベント記録回路は、ＥＯＳ損傷に関してどのような情報が求められるかに依存して適宜構成されることが可能である。当然ながら、必要に応じて２つ以上の検出器回路９及び記録回路１０が各電圧ピン６０／６１によって使用されてもよいことは理解されるべきである。従って、イベント記録機構は、並行配置及び直列配置の両方が包含されるように使用されてもよい。最後に、イベント記録機構は別個の回路であるとして図示されているが、各機能を単一の回路で達成することが可能である点は理解されるべきである。

ある好適な実施形態では、検出器回路９及び記録回路１０は集積回路のシリコン内に埋め込まれる。従って、半導体デバイスの周知の製造技術（すなわち、イメージング、蒸着、エッチング）を使用して、シリカウェーハ上へイベント記録機構が形成されてもよい。このような製造の間、検出器回路は、集積回路のその他の部分の指定された最大動作電圧をわずかに上回る電圧で動作するように設計されることが重要である。好適には、入力電圧が指定された最大動作電圧を超えると指摘するためのしきい値は、残りの集積回路コンポーネントのデータシートに記載されている「最大動作電圧」（正負両方）によって決定されてもよい。こうして、イベント記録回路は、限度を超える電圧イベントを検出しても正常に動作することが保証される。

図３を参照すると、ＥＯＳ損傷を検出しかつ記録する方法は、ステップ３００において集積回路６の起動と同時に開始される。次に、ステップ３１０において、基準電圧Ｖ_ｒｅｆが検索される。このような基準電圧はメモリ（図示せず。）に蓄えられる場合もあり、或いは何らかの他の手段によって供給されてもよいが、先にも述べたように、イベント記録機構が接続される集積回路コンポーネントの指定された最大許容電圧をわずかに上回るものであるべきである。デバイスピンＶ_ｐｉｎ６０及び／又は６１を介して電流が印加されると、ステップ３２０において、このデバイスピンにおけるこのような電圧が測定される。ステップ３３０では、基準電圧Ｖ_ｒｅｆと、デバイスピンＶ_ｐｉｎにおける印加電圧とが比較される。測定された電圧Ｖ_ｐｉｎが基準電圧Ｖ_ｒｅｆより大きいことが決定されると、ステップ３４０において、限度を超える電圧イベントが記録される。測定された電圧Ｖ_ｐｉｎが基準電圧Ｖ_ｒｅｆより大きくないことが決定されると、デバイスピン６０、６１を通る電圧の測定（すなわち、ステップ３２０）が継続される。このような検出及び記録は、ステップ３５０で停止されるまで継続される。

よって、次に図４を参照すると、ＥＯＳ損傷を検出しかつ記録する方法の全体的な機能態様及びイベント記録機構の動作が示されている。各々基準電圧Ｖ_ｒｅｆ及びデバイスピンＶ_ｐｉｎにおける電圧から成る入力情報４００及び４１０は、比較器４２０によって受信される。比較器４２０は、デバイスピン及びデバイスピンにおける電圧を継続して監視する。上述したように、この電圧は所定の基準電圧と比較され、比較器４２０は、デバイスピンＶ_ｐｉｎ上の電圧が基準電圧Ｖ_ｒｅｆより大きい場合はいつも「真」と登録する。このような「真」のイベントは、記録される４３０。

以後の説明では、電源が電圧ピン６０又は６１のいずれかに接続される場合に発生する限度を超える電圧イベントの動作例については論じない。外部電源７が電圧ピン６０へ接続され、ある電位において一般にスパイク又はピークと呼ばれるサージが発生する例では、このような電圧は接続ワイヤに沿って検出器回路９及び記録回路１０へ導かれる。導かれる電圧が集積回路６のデバイス（図示せず。）の最大動作電圧より高ければ、検出回路は短絡する。本質的に、開回路が発生するとき、もはや電気を導くことはできない。バッテリ８が電圧ピン６１から検出器回路９及び記録回路１０へ接続される場合も、同じことが言える。例えば、集積回路６のデバイス（図示せず。）の最大動作電圧が６ボルトに設定されていれば、６．１ボルト以上の電圧がバッテリ８からピン６１を介して得られ、検出器回路９は短絡を起こしてバッテリ８からの集積回路６のデバイスの電気接触を破壊し、一方で記録回路１０はこのイベントを、限度を超えるこの電圧イベントに関する情報を後に検索できるようにして記録する。従って、好適には、検出器回路９は回路ブレーカ、ヒューズ（電気又は半導体のいずれかのタイプ）又は代替の電気回路デバイスで構成されてもよく、よって記録回路１０はメモリセル（フラッシュドライブメモリ等）で構成されてもよい。さらに、検出器は、静電放電（ＥＳＤ）イベントを無視するように設計されるべきである。

通常、ＥＯＳイベントは集積回路をそれが動作し得ないように損傷させる。従って検出器は、過電圧イベントが発生するときを、後に集積回路を動作させることなく決定される方法で記録すべきである。このような方法の１つは、ソフトウェアを利用するものであろう。例えば、比較器４２０の出力は、値を読み取って不揮発性メモリへ格納するソフトウェアプログラムによって監視されてもよい。このようなソフトウェアアルゴリズムの一例としては、下記が考えられる。

［表１］
＝＝＝＝＝
（デバイスピン（Ｖ_ｐｉｎ）の値）を読み取る。
もし（Ｖ_ｐｉｎ＞Ｖ_ｒｅｆ）であれば、
（Ｐｉｎ_ｘ上で超える最大電圧値）を書き込む。
＝＝＝＝＝

図５に示すように、電圧が指定された最大値を超えるときのこのような後の決定を行う（考慮する）このような方法の別の例は、全ての検出器／記録デバイスの値を読み取り可能なレジスタ５００に読み込む方法である。過電圧イベントが発生するとき、レジスタ５００の特定のビット５１０を設定することができる。この時点で、チップがまだ機能していれば、集積回路を破壊することなく記録デバイスの状態を読み返すことが可能であると思われる。残念ながら、ＥＯＳ損傷は集積回路を無能にする場合が多く、よってレジスタを使用して何らかの外的な読出し手段なしにこの方法で問い合わせを行うことはできないかもしれない。

電圧が指定された最大値を超えるときのこのような後の決定を行う（考慮する）このような方法の別の例の前後を、各々図６ａ及び図６ｂに示す。この例では、このような実施形態における検出器回路４３０はヒューズリンク６００を永久的に飛ばし、そのイベントを指示する。周知のように、ヒューズはさらに、電流が過剰になると溶融することによって回路を保護することができる。ＦＭＡプロセスの間は、パッケージを剥いでヒューズリンクを物理的に観察することにより、その状態が検出される。検出器デバイスがヒューズリンクであれば、検出器の状態は、ヒューズが飛んでいるか否かを観察することによって容易に決定される。

検出器／記録回路は、経済的な理由から可能な限り小さく保持されるべきである。本発明への拡張は、１つの検出器につき、正電圧用に１つと負電圧用に１つである２つの記録回路を有することにより行われる。この機構の使用法の１つは、正確にどのような類の電圧条件がＥＯＳ損傷を発生させたかを顧客に通知することである。これにより、顧客は、根本的原因の探索を正又は負の最大電圧のいずれかに絞り込むことができる。

従って、上述の開示内容から分かるように、本発明は、指定された最大値を超える電圧がデバイスに供給されると発生するＥＯＳ故障を同定し、このような過電圧故障を検出するための時間及び経費を低減し、かつ最終的に、メーカーがそのプロセスにおける特有の課題を確定すべくアクティブに追求することができるようにＥＯＳ損傷の根本的原因を指摘する。

以上、特有の例を参照して本発明による方法及び装置を説明した。当業者であれば、本明細書に開示した方法及び装置の原理の変形を実行することは理解されかつ予期されるべきであり、このような修正、変更及び置換は添付の請求の範囲に記載されている本発明の範囲に含まれることが意図される。従って、明細書及び図面は限定的でなく、例示的に考慮されるべきものである。

本発明の一実施形態に係る電気的過剰ストレス（ＥＯＳ）による損傷検出を必要とする電圧インタフェースを示す。 本発明の一実施形態に係る電話コンポーネント内の検出器及び記録回路の配置を示す。 本発明の一実施形態に係るＥＯＳを検出して記録する方法ステップを示す。 本発明の一実施形態に係る過電圧の検出及び記録回路の装置と方法の機能態様を示す。 本発明の一実施形態に係るエラーレジスタを介してＥＯＳ損傷を記録する方法の一例を示す。 本発明の一実施形態に係る可視リンクを介してＥＯＳ損傷を記録する方法の一例を示す。 本発明の一実施形態に係る可視リンクを介してＥＯＳ損傷を記録する方法の一例を示す。

Claims (19)

1. 集積回路を過電圧イベントから保護するための装置において、
   電源が接続されるコネクタピンを有する集積回路チップと、
   上記コネクタピンと上記集積回路チップ上に含まれる少なくとも１つの回路デバイスとの間に接続されて上記集積回路チップ内に埋め込まれる過電圧イベント記録機構とを備え、
   上記過電圧イベント記録機構は、上記集積回路チップ上に短絡状態を発生させることによって上記少なくとも１つの回路デバイスを保護する装置。
2. 上記過電圧イベント記録機構はさらに、
   上記集積回路チップ上の上記少なくとも１つの回路デバイスの指定された最大動作電圧をわずかに超える電圧で動作するように設計される検出器回路と、
   上記過電圧イベントを、後に上記イベントに関する情報を検索できる媒体に記録するように設計される記録回路と
   のうちの少なくとも一方を備える請求項１記載の装置。
3. 上記過電圧イベント記録機構はさらに、
   回路ブレーカと、
   電気又は半導体のいずれか一方のタイプのヒューズと、
   過電圧状態において短絡を発生させるように設計される電気回路コンポーネントと、
   メモリセルと、
   読み取り可能なレジスタと
   のうちの少なくとも１つを備える請求項１記載の装置。
4. 上記過電圧イベント記録機構は、少なくとも１つの検出器回路と、直列に接続される少なくとも１つの記録回路のうちの少なくとも一方を備える請求項１記載の装置。
5. 上記過電圧イベント記録機構は、少なくとも１つの検出器回路と、並列に接続される少なくとも１つの記録回路のうちの少なくとも一方を備える請求項１記載の装置。
6. 上記過電圧イベント記録機構は、少なくとも１つの検出器回路と、直列及び並列の組合せ式に接続される少なくとも１つの記録回路のうちの少なくとも一方を備える請求項１記載の装置。
7. 上記過電圧イベント記録機構は、静電放電イベントを無視するように設計される請求項１記載の装置。
8. 過電圧イベントが発生するとき、このようなイベント発生の決定を物理的観察によって行うことができる、請求項１記載の装置。
9. 物理的観察は、上記回路ブレーカの状態、上記ヒューズの状態及び上記読み取り可能なレジスタの値のうちの少なくとも１つを視ることによって可能である請求項９記載の装置。
10. 電話デバイスのコネクタピンへ印加される電圧を検出するための装置において、
    外部電源から上記電話デバイスの集積回路への上記コネクタピンにおける電圧を考慮するように設計され、かつ、
    このような電圧伝送の過電圧イベントを検出するための手段と、
    上記過電圧イベントを記録するための手段とを備える少なくとも１つの検出器回路を備え、
    上記検出器回路は上記集積回路のシリカウェーハ上へ埋め込まれる装置。
11. 上記このような電圧伝送の過電圧イベントを検出するための手段は、
    回路ブレーカと、
    電気的なタイプ又は半導体タイプのいずれか一方のタイプのヒューズと、
    過電圧状態において短絡を発生させるように設計される電気回路コンポーネントと
    のうちの少なくとも１つを備える請求項１０記載の装置。
12. 上記過電圧イベントを記録するための手段は、
    メモリセルと、
    読み取り可能なレジスタと
    のうちの少なくとも一方を備える請求項１０記載の装置。
13. 上記少なくとも１つの検出器回路は、上記電話デバイスの上記集積回路上の少なくとも１つの回路デバイスの指定された最大動作電圧をわずかに超える電圧で動作するように設計される、請求項１０記載の装置。
14. 上記少なくとも１つの検出器回路は、上記過電圧イベントを、後に上記イベントに関する情報を検索できる媒体に記録するように設計される請求項１０記載の装置。
15. 上記少なくとも１つの検出器回路は、それ自体及び上記電話デバイスの上記集積回路の少なくとも１つの回路コンポーネントの少なくとも一方と、並列の電気接続状態、直列の電気接続状態及び並列／直列の組合せ式電気接続状態であるように上記集積回路のシリカウェーハ上に埋め込まれる請求項１０記載の装置。
16. 上記少なくとも１つの検出器回路は、静電放電イベントを無視するように設計される請求項１０記載の装置。
17. 過電圧イベントが発生するとき、このようなイベント発生の決定を物理的観察によって行うことができる請求項１０記載の装置。
18. 物理的観察は、回路ブレーカの状態、ヒューズの状態及び読み取り可能なレジスタの少なくとも１つの値のうちの少なくとも１つを視ることによって可能である請求項１７記載の装置。
19. 上記電話デバイスの集積回路は、デジタル集積回路、アナログデジタル回路、混合信号集積回路及びメモリデバイス集積回路のうちの１つである請求項１０記載の装置。

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