래치업 Latch-up: 꺼지지 않은 보호 소자

무엇을 만들고 있었나

5V 레일 위의 USB Type-C 포트입니다. 아주 평범한 설계로 커넥터, 데이터 라인과 VBUS의 ESD 보호, 그 뒤에 컨트롤러가 있었습니다. 설계자는 대부분의 사람과 같은 방식으로 보호 소자를 골랐습니다. 데이터시트에서 클램핑 전압이 가장 낮은 부품을 찾은 것입니다. 클램핑이 낮을수록 칩에 도달하는 전압이 작아지니, 낮은 쪽이 당연히 더 안전할 것이라고 본 것이죠.

실제로 일어난 일

±8kV 접촉 방전 시험 중에 그 포트가 응답하지 않게 되었습니다. 이후 벤치에서 측정한 결과입니다.

• VBUS가 5V가 아니라 약 2.4V에 머물러 있음
• 보호 소자로 흘러 들어가는 전류가 정상 누설 전류를 훨씬 넘어섬, nA가 아니라 mA
• 손으로 만져도 알 수 있을 만큼 소자가 따뜻함
• 전원을 껐다 켜니 모든 것이 정상으로 돌아옴

마지막 항목이 핵심입니다. 망가진 부품은 전원을 껐다 켠다고 되살아나지 않습니다. 이 소자는 손상되지 않았습니다. 도통하고 있었던 것입니다. 그것도 방전 순간부터, 방전 자체가 끝난 뒤로도 계속.

누구나 처음 떠올리는 답

가장 자연스러운 해석은 "서지가 부품이 견딜 수 있는 것보다 컸으니 더 강한 부품을 쓰자"입니다. 그러면 서지 내량이 높은 소자를 고르게 되고, 그것은 보통 더 큰 다이이며, 보통 더 높은 커패시턴스를 뜻합니다. USB 3.x 레인에서는 그 커패시턴스가 신호 무결성을 해치므로, 설계는 문제가 하나에서 둘로 늘어납니다.

게다가 이것으로는 아무것도 해결되지 않습니다. 애초에 과부하된 것이 없기 때문입니다. 실제로 무슨 일이 있었는지 보려면 소자가 켜지는 과정의 거동을 봐야 하고, 그것을 보여주는 측정은 TLP 곡선뿐입니다.

문제가 보이는 측정

TLP(Transmission Line Pulse, 전송선 펄스) 시험은 짧고 정밀하게 제어된 펄스를 소자에 가하면서, 소자 양단의 전압과 흐르는 전류를 함께 기록합니다. 레벨을 단계적으로 올려가면 그 소자의 진짜 전류–전압 곡선이 나옵니다. 마케팅 숫자가 아니라 실제 거동입니다.

왼쪽에서 오른쪽으로 읽습니다.

• 0V부터 6.3V까지 소자는 꺼져 있고 전류는 거의 흐르지 않습니다. 이것이 트리거 전압이며 보통 V_t1로 표기합니다.
• 6.3V에서 켜지고, 소자 양단 전압이 약 2.4V까지 거꾸로 떨어집니다. 이 접힘이 이 소자 유형의 이름입니다: 스냅백.
• 거기서부터 도통하여 11V/16A까지 올라갑니다. 도통 중 전압이 이렇게 낮다는 점이, 스냅백 소자의 클램핑 수치가 그토록 좋은 이유 그 자체입니다.

중요한 숫자는 접힘의 바닥에 있는 값, 즉 유지 전압 V_h입니다. 소자 양단 전압이 이보다 낮아져야 소자가 놓아주고, 이보다 높으면 계속 도통합니다.

왜 꺼지지 않았나

방전이 소자를 트리거했습니다. 그건 문제가 아닙니다. 그게 소자의 일이니까요. 문제는 그 직후에 소자가 무엇을 마주했는가입니다.

이 소자는 살아 있는 5V 레일에 걸려 있습니다. 유지 전압은 2.4V입니다. 과도 현상이 지나간 뒤에도 레일은 그대로 있고, 전류를 계속 밀어줄 수 있으며, 소자를 약 2.4V에 붙잡아 둡니다. 소자가 놓아주는 수준보다 한참 위입니다. 그래서 계속 켜져 있었던 것입니다.

이제 전원은 접지로 곧장 이어진 저임피던스 경로에 전류를 공급하고 있습니다. VBUS가 2.4V로 측정된 이유, 전류가 컸던 이유, 소자가 따뜻했던 이유가 모두 이것입니다. 전원을 껐다 켜니 해결된 이유이기도 합니다. 레일을 제거하는 것이 전압을 V_h 아래로 낮추는 유일한 방법이기 때문입니다. 이것이 래치업(latch-up)입니다. 오래 두면 결국 열이 소자를 파괴합니다. 그리고 그 고장은 "약한 부품"처럼 보이므로, 다음 엔지니어는 다시 잘못된 결론으로 끌려갑니다.

왜 머무를 곳이 있는가

지금까지의 이야기에는 더 정확한 표현이 있고, 그림 한 장을 쓸 가치가 있습니다. 전원이 공급할 수 있는 범위를 소자와 같은 축에 그리고, 두 선이 만나는 지점을 보십시오.

A점은 보드가 정상 동작하는 상태입니다. 소자 양단 5V, 전류는 흐르지 않습니다. B점이 고장입니다. 2.4V에 전류가 흐릅니다. 중요한 단어는 둘 다입니다. 각각이 회로가 무기한 머무를 수 있는 자리입니다. ESD 펄스는 아무것도 파괴하지 않았습니다. 그저 회로를 A에서 B로 옮겼을 뿐이고, B에 도착한 뒤에는 회로 안에 그것을 되돌릴 무언가가 없습니다.

이것이 스스로 회복되는 고장과 그렇지 않은 고장의 차이입니다. 소자에 접힘이 없다면 도통 가지는 전부 레일 오른쪽에 있게 되고 두 번째 교점은 존재하지 않습니다. 머무를 자리가 하나뿐이면 래치업은 일어날 수 없습니다. 접힘이 두 번째 보금자리를 만듭니다.

이름이 같은 두 가지 고장

이 부분은 조심스럽게 나눠 둘 가치가 있습니다. 같은 단어가 서로 다른 두 현상에 쓰이고, 해결 방법도 다르기 때문입니다.

첫 번째는 보호받는 칩 내부의 래치업입니다. 모든 CMOS 공정에는 아무도 원하지 않은 4층 구조가 존재합니다. NMOS 소스, p형 기판, N 웰, PMOS 소스가 쌓여 P-N-P-N이 됩니다. 아무도 설계하지 않았고 아무도 원하지 않은 사이리스터입니다. 이것은 서로의 베이스에 연결된 두 개의 바이폴라 트랜지스터처럼 동작합니다. 평소에는 둘 다 꺼져 있고 수 nA만 흘립니다. 그러나 둘 중 하나에 충분한 전류가 주입되면, 그것이 다른 하나를 켜고, 그 다른 하나가 첫 번째를 더 세게 켜서, 둘이 함께 V_DD에서 접지로 이어지는 저저항 경로로 래치됩니다. 시작을 만든 과도 현상은 이미 사라진 뒤입니다. 유지하는 것은 전원입니다.

두 번째는 보호 소자 자신이 래치되는 경우로, 이 글에서 다루는 고장입니다. 컨트롤러 내부에서는 아무 일도 일어나지 않았습니다. TVS가 유지 전압까지 접혀 돌아갔고, 레일이 그것을 붙잡아 둘 만큼 높았을 뿐입니다.

벤치에서는 두 경우가 거의 똑같아 보입니다. 레일이 어떤 이상한 고정값으로 주저앉고, 전류가 지나치게 크고, 어딘가가 뜨겁고, 전원을 껐다 켜면 해결됩니다. 차이는 어느 부품이 그 전류를 감당하고 있는가입니다. 뜨거운 쪽이 보호 소자라면 보호 소자이고, 뜨거운 쪽이 컨트롤러이고 보호 소자가 차갑다면 래치업은 칩 내부에 있습니다. 보호 소자의 한쪽 단자를 띄우고 시험을 다시 하면 1분이면 판별됩니다.

실제 유발 원인

두 종류 모두 첫 전류를 주입할 무언가가 필요합니다. 실무에서는 다음과 같습니다.

• 포트로 들어오는 과도 현상. ESD, 서지, 활선 상태의 핫플러그, 또는 케이블 자체에 저장된 전하가 커넥터로 쏟아지는 것. 이것이 가장 흔하며 USB Type-C 포트는 매일 이것을 겪습니다. 애초에 전원이 살아 있는 상태에서 꽂고 뽑도록 설계된 포트이기 때문입니다.
• 레일이 너무 빠르게 올라감. 상승이 빠르거나 전원 투입 시 오버슈트하는 전원은, 보드가 동작을 시작하기도 전에 기생 구조로 충분한 변위 전류를 밀어 넣어 트리거할 수 있습니다.
• 무거운 부하가 레일을 흔듦. 큰 전류 스텝이 전원을 끌어내리거나 국부 접지를 들어 올리면, 칩 내부 위치 간 전위가 어긋납니다. 그 어긋남이 꺼져 있어야 할 접합을 순방향 바이어스시킬 수 있습니다.
• 유지 전압이 레일보다 낮은 보호 부품을 고름. 이것은 두 번째 유형만 일으키며, 앞의 세 가지와 달리 불운이 아닙니다. 몇 달 전 책상 앞에서 내린 선정 결정입니다.

앞의 세 가지는 관리해야 할 조건입니다. 마지막 하나는 그냥 피하면 되는 것이고, 피하는 데 비용이 전혀 들지 않습니다. 완성된 제품에서 이것을 발견했을 때 가장 억울한 이유가 바로 여기에 있습니다.

보드에 무슨 일이 생기나

래치업은 하나의 사건이 아니라 보드가 갇혀 버린 하나의 상태입니다. 손상은 단계적으로 쌓이며, 어디까지 진행되는지는 전원이 얼마나 오래 켜져 있었는지, 그리고 전원이 얼마나 큰 전류를 낼 수 있는지에 달려 있습니다.

1. 레일이 유지 전압까지 무너집니다. 0V가 아니라, 래치된 소자가 머무는 값까지입니다. 이 보드에서는 5V가 2.4V가 되었습니다. 그 레일에 물린 모든 칩이 이제 최소 동작 전압 아래에서 돌아가고 있는 셈입니다.
2. 통신이 끊기거나 깨집니다. 포트가 죽거나, 더 나쁘게는 간헐적으로 이상해집니다. 데이터 라인에서는 같은 고장이 깔끔한 정지가 아니라 오류와 재시도로 나타나므로 추적하기가 훨씬 어렵습니다.
3. 발열과 함께 전류가 계속 늘어납니다. 래치된 경로는 저항이 낮아서 전원은 자기 한계까지 공급합니다. 전원에 전류 제한이 있으면 래치와 줄다리기를 하며 양쪽이 다 뜨거워집니다. 제한이 없으면 전류를 정하는 것은 보드뿐입니다.
4. EOS로 무언가가 망가집니다. ESD가 아니라 전기적 과부하(EOS)입니다. 순간적인 파괴가 아니라 서서히 진행되는 열 파괴입니다. 대개는 래치된 소자가 단락되어 죽습니다. 본딩 와이어가 끊어지기도 합니다. 뒤에 있는 칩이 먼저 가기도 합니다.

마지막 단계야말로 이 고장이 제품을 바꿔가며 반복되는 이유입니다. 열이 보호 소자를 파괴하고 나면 래치되었다는 증거도 함께 사라집니다. 고장 분석 책상에 도착하는 것은 ESD 시험에 떨어진 보드에 실린 단락된 TVS입니다. 너무 약했던 부품과 정확히 똑같아 보입니다. 그래서 다음 개정판에는 서지 내량이 더 높은 소자가 실리는데, 그 소자의 유지 전압은 같은 경우가 매우 흔합니다. 보드는 똑같은 방식으로 다시 고장 나고, 이번에는 데이터 라인의 커패시턴스까지 늘어난 상태입니다.

이 글에서 진단 습관을 하나만 가져가신다면 이것으로 하십시오. 전원을 껐다 켜면 되살아나는 보호 소자는 애초에 약했던 것이 아닙니다. 더 강한 부품을 주문하기 전에 유지 전압을 확인하십시오.

최저 클램핑 전압의 함정

여기서부터가 불편한 이야기입니다. 스냅백 소자의 클램핑 전압이 낮은 것은 접히기 때문입니다. 접힘은 결함이 아니라 특징입니다. 그래서 대리점 목록을 클램핑 전압으로 정렬해 가장 좋은 숫자를 고르면, 조용히 유지 전압이 가장 낮은 소자, 즉 살아 있는 레일에서 가장 래치되기 쉬운 소자, 를 골라내고 있는 셈입니다.

데이터시트에서 가장 매력적으로 보이는 숫자가, 바로 그 위험을 만드는 숫자입니다.

해결 방법

유효한 답은 두 가지이며, 어느 쪽을 쓸지는 그 네트가 무엇인지에 달려 있습니다.

1. 스냅백을 계속 쓰되 숫자를 확인합니다. 규칙은 간단합니다. V_h는 그 레일이 도달할 수 있는 최대 전압보다 높아야 합니다, 공차와 오버슈트를 포함해서입니다. 레일이 소자를 V_h 이상으로 붙잡아 둘 수 없다면 래치업은 일어날 수 없습니다.
2. 접히지 않는 소자를 씁니다. 일반 애벌런치 클램프에는 접힘이 없습니다. 항복 전압 위에서만 도통하므로 5V 레일이 그것을 켜 둘 방법이 없습니다. 클램핑 성능을 조금 양보하는 대신 이 고장 모드 자체를 없앱니다.

앞의 보드에서는 두 번째가 정답이었습니다. VBUS는 항상 전원이 살아 있는 레일이며, 정상 동작 여부가 전원 공차에 달린 보호 소자를 원하는 사람은 없습니다.

왜 접히는 소자가 있는가

그렇다면 왜 켜진 채로 붙잡힐 수 있는 보호 소자를 만드느냐고 묻는 것이 당연합니다. 답은, 접힘이 결함이 아니라 그 소자들의 클램핑 성능이 좋은 이유 그 자체이기 때문입니다. 보호 소자는 크게 세 가지 구조로 나뉘며, 접힘의 형태가 그 경계입니다.

• 애벌런치 클램프. 항복 전압을 넘으면 도통하기 시작해 계속 올라가는 다이오드 접합입니다. 접힘이 없으므로 확인할 유지 전압도 없고, 항복 전압보다 낮은 레일이 켜 둘 방법도 없습니다. 대가는 전류가 올라갈수록 양단 전압도 올라간다는 점이며, 큰 전류에서의 클램핑 성능은 셋 중 가장 약합니다.
• BJT형. 컬렉터의 애벌런치로 트리거되는 바이폴라 트랜지스터입니다. 도통하면 트랜지스터 동작이 전압을 눌러 내리므로 접히지만 그 폭은 크지 않습니다. 이 유형은 애매한 중간에 있습니다. 접힘은 분명히 존재하고, 유지 전압이 흔한 레일 전압 바로 근처에 오는 경우가 많기 때문입니다. 데이터시트가 확인해 봐야겠다는 생각이 들 만큼 극적으로 보이지 않아서, 가장 많이 걸려드는 부류입니다.
• SCR형. 의도적으로 만들어 제어한 4층 사이리스터입니다. CMOS 칩 안에서 우연히 생기는 그 구조를, 일부러 만든 것입니다. 두 절반이 서로를 켜 둔 채로 붙잡으므로 전압이 깊게 무너집니다. 그래서 셋 중 가장 낮은 클램핑 전압을 얻고, 그것도 작은 다이로 구현하므로 커패시턴스도 낮습니다. 단위 면적당 보호 성능으로는 최고이며, 동시에 레일이 허락하면 그대로 계속 도통하는 소자이기도 합니다.

그러므로 중요한 순위는 "어느 것이 가장 좋은가"가 아닙니다. 접힘이 깊을수록 클램핑은 좋아지고 다이는 작아지고 커패시턴스는 낮아지며, 동시에 레일이 켜 둘 가능성도 높아집니다. 여러분은 이 절충선 위에서 어디에 설지를 고르는 것이며, 답은 그 네트에 DC 전원이 있는지 여부로 완전히 결정됩니다.

데이터시트에서 잡아내기

보호 부품이 살아 있는 네트에 올라가기 전에 세 가지를 확인하십시오.

1. 유지 전압을 찾습니다. 데이터시트에 V_h가 있으면 레일의 최대 전압과 비교하십시오. V_h가 더 낮다면 그 부품은 그 네트에서 래치될 수 있습니다.
2. I-V 또는 TLP 곡선을 봅니다. 곡선이 뒤로 접히면 홍보 문구가 무엇이든 스냅백 소자입니다. 곧게 올라가기만 하면 아닙니다.
3. 제조사가 알려주기는 하는지 봅니다. 유지 전압을 공개하지 않는 제조사도 있습니다. 살아 있는 레일에 올릴 부품에 이 값이 없다면 요구하십시오, 아니면 공개하는 부품을 고르십시오.

믿으면 안 되는 것이 하나 있습니다. 부품 번호입니다. 접두어는 제품군 이름일 뿐 도통 메커니즘을 보장하지 않으며, 이는 업계 전체가 같고 저희 제품군도 예외가 아닙니다. 같은 제품군 안에 두 종류가 함께 있을 수 있습니다. 결론을 내려 주는 것은 위의 세 가지 확인입니다. BOM을 한 품목씩 확인하기 번거로우시면, 살아 있는 전원 레일에 올라가 있는 부품 번호를 보내주십시오. 유지 전압을 귀사의 레일 전압과 대조해 확인해 드리겠습니다.

스냅백은 나쁜 소자가 아니다

여기서 "스냅백은 피하라"로 끝내기는 쉽지만, 그것은 틀린 결론입니다. 고속 데이터 라인에서는 스냅백이 더 나은 선택인 경우가 많습니다. 클램핑 전압이 더 낮고, 그것을 아주 작은 커패시턴스로 해내기 때문입니다. 이는 멀티 기가비트 레인이 정확히 필요로 하는 조건입니다. 그리고 데이터 라인에는 DC 전원이 실리지 않으므로, 펄스가 지나간 뒤 소자를 켜 둘 것이 아예 없습니다.

같은 소자가 데이터 라인에서는 훌륭한 선택이고, 전원 레일에 걸리면 부채가 됩니다. 그것은 한 번도 나쁜 부품이었던 적이 없습니다. 잘못된 네트에 놓인 좋은 부품이었을 뿐입니다.