ESD模型和測試標(biāo)準(zhǔn)

ESD模型和測試標(biāo)準(zhǔn)第1頁/共116頁1、ESD模型分類因ESD產(chǎn)生的原因及其對集成電路放電的方式不同，經(jīng)過統(tǒng)計，ESD放電模型分下列四類:(1)人體放電模式(Human-BodyModel,HBM)(2)機(jī)器放電模式(MachineModel,MM)(3)組件充電模式(Charged-DeviceModel,CDM)(4)電場感應(yīng)模式(Field-InducedModel,FIM)另外還有兩個測試模型：(5)對于系統(tǒng)級產(chǎn)品測試的IEC電子槍空氣放電模式(6)對于研究設(shè)計用的TLP模型第2頁/共116頁人體放電模式(Human-BodyModel,HBM)人體放電模式(HBM)的ESD是指因人體在地上走動磨擦或其它因素在人體上已累積了靜電，當(dāng)此人去碰觸到IC時，人體上的靜電便會經(jīng)由IC的腳(pin)而進(jìn)入IC內(nèi)，再經(jīng)由IC放電到地去，如圖2.1-1(a)所示。此放電的過程會在短到幾百毫微秒(ns)的時間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的瞬間放電電流，此電流會把IC內(nèi)的組件給燒毀。不同HBM靜電電壓相對產(chǎn)生的瞬間放電電流與時間的關(guān)系顯示于圖2.1-1(b)。對一般商用IC的2-KVESD放電電壓而言，其瞬間放電電流的尖峰值大約是1.33安培。第3頁/共116頁機(jī)器放電模式(MachineModel,MM)有關(guān)于HBM的ESD已有工業(yè)測試的標(biāo)準(zhǔn)：圖顯示工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(MIL-STD-883Cmethod3015.7)的等效電路圖，其中人體的等效電容定為100pF，人體的等效放電電阻定為1.5KΩ。表是國際電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(EIA/JEDECSTANDARD)對人體放電模式訂定測試規(guī)范(EIA/JESD22-A114-A)第4頁/共116頁機(jī)器放電模式(MachineModel,MM)機(jī)器放電模式的ESD是指機(jī)器(例如機(jī)械手臂)本身累積了靜電，當(dāng)此機(jī)器去碰觸到IC時，該靜電便經(jīng)由IC的pin放電。因為機(jī)器是金屬，其等效電阻為0Ω，其等效電容為200pF。由于機(jī)器放電模式的等效電阻為0，故其放電的過程更短，在幾毫微秒到幾十毫微秒之內(nèi)會有數(shù)安培的瞬間放電電流產(chǎn)生。此機(jī)器放電模式工業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)為EIAJ-IC-121method20，其等效電路圖和等級如下：

第5頁/共116頁機(jī)器放電模式(MachineModel,MM)2-KVHBM與200-VMM的放電比較如圖，雖然HBM的電壓2KV比MM的電壓200V來得大，但是200-VMM的放電電流卻比2-KVHBM的放電電流來得大很多，放電電流波形有上下振動(Ring)的情形，是因為測試機(jī)臺導(dǎo)線的雜散等效電感與電容互相耦合而引起的。因此機(jī)器放電模式對IC的破壞力更大。國際電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(EIA/JEDECSTANDARD)亦對此機(jī)器放電模式訂定測試規(guī)范(EIA/JESD22-A115-A)第6頁/共116頁組件充電模式(Charged-DeviceModel,CDM)此放電模式是指IC先因磨擦或其它因素而在IC內(nèi)部累積了靜電，但在靜電累積的過程中IC并未被損傷。此帶有靜電的IC在處理過程中，當(dāng)其pin去碰觸到接地面時，IC內(nèi)部的靜電便會經(jīng)由pin自IC內(nèi)部流出來，而造成了放電的現(xiàn)象。此種模式的放電時間更短，僅約幾毫微秒之內(nèi)，而且放電現(xiàn)象更難以真實的被模擬。第7頁/共116頁組件充電模式(Charged-DeviceModel,CDM)CDM模式ESD可能發(fā)生的情形顯示：(1)IC自IC管中滑出后，帶電的IC腳接觸接到地面而形成放電現(xiàn)象。(2)IC自IC管中滑出后，IC腳朝上，但經(jīng)由接地的金屬工具而放電。(1)(2)第8頁/共116頁組件充電模式(Charged-DeviceModel,CDM)IC內(nèi)部累積的靜電會因IC組件本身對地的等效電容而變，IC擺放角度與位置以及IC所用包裝型式都會造成不同的等效電容。此電容值會導(dǎo)致不同的靜電電量累積于IC內(nèi)部。

第9頁/共116頁第10頁/共116頁電場感應(yīng)模式(Field-InducedModel,FIM)FIM模式的靜電放電發(fā)生是因電場感應(yīng)而起的。當(dāng)IC因輸送帶或其它因素而經(jīng)過一電場時，其相對極性的電荷可能會自一些IC腳而排放掉，等IC通過電場之后，IC本身便累積了靜電荷，此靜電荷會以類似CDM的模式放電出來。有關(guān)FIM的放電模式早在雙載子(bipolar)晶體管時代就已被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今已有工業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)。國際電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(EIA/JEDECSTANDARD)中亦有此電場感應(yīng)模式訂定測試規(guī)范(JESD22-C101)。

第11頁/共116頁IEC電子槍空氣放電模式主要是接觸式放電和非接觸式放電8kVairdischarge4kVcontactmodeformostproducts6kVcontactformedicaldevices第12頁/共116頁TLP模型為了研究ESD防護(hù)器件的工作特性，了解ESD脈沖來的時候，落在ESD防護(hù)器件上的電壓電流，包括開啟的電壓和ESD脈沖持續(xù)期間的ESD防護(hù)器件的每個點的電壓電流，也就是觸發(fā)電壓電流、回退電壓電流和二次崩潰電壓電流等。為了達(dá)到上述目的，就要將ESD脈沖離散化。這就是用TLP的矩形脈沖模擬HBM的放電脈沖和放電行為。TLP脈沖上升時間和HBM一致，TLP矩形脈沖脈寬西面的能量與HBM能量一致。第13頁/共116頁第14頁/共116頁第15頁/共116頁HBM,MM與CDM模型參數(shù)比較第16頁/共116頁2KVHBM,200VMM,與1KVCDM的放電電流比較，其中1KVCDM的放電電流在不到1ns的時間內(nèi)，便已沖到約15安培的尖峰值，但其放電的總時段約在10ns的時間內(nèi)便結(jié)束。此種放電現(xiàn)象更易造成集成電路的損傷。第17頁/共116頁HBM,MM與CDM比較第18頁/共116頁2、HBM和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)HBM測試方法及標(biāo)準(zhǔn)1.ANSI-STM5.1-2001JESD22-A114D-2005AEC-Q100-002D-20032.該標(biāo)準(zhǔn)用于明確HBM模式下的ESD電壓敏感度的測試、評價以及分級過程3.整個測試過程繁瑣，尤其對儀器及脈沖波形的校驗工作，但非常必要4.ESD測試中，器件不在工作狀態(tài)第19頁/共116頁第20頁/共116頁2、HBM和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)一些比較重要的概念:（1）器件失效(componentfailure)：當(dāng)器件不再符合廠商或用戶提供的器件動態(tài)和靜態(tài)特性參數(shù)（2）ESD敏感度(sensitivity):引起器件失效的ESD等級(level)（3）ESD耐受電壓(withstandvoltage)：在不引起器件失效前提下的最大ESD等級（4）步進(jìn)耐壓增強(qiáng)(Stepstresstesthardening):在步進(jìn)增加的測試電壓下，器件的耐受電壓的現(xiàn)象第21頁/共116頁第22頁/共116頁2、HBM和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)用于驗證脈沖電流波形的儀器：示波器、連個電阻負(fù)載和一個電流傳感器。具體指標(biāo)：示波器：分辨率100mA/1cm、帶寬350MHz、1cm/ns的顯示輸出速度；負(fù)載電阻：Load1:短路線，Load2：500ohm電流探針：帶寬350MHz，峰值電流12A，上升時間小于1ns第23頁/共116頁儀器和脈沖波形檢測和校準(zhǔn)——初次使用時檢測——例行檢測——維修后檢測——測試版或引腳插槽更換或移動后檢測記錄波形(用于對比和校驗)——新機(jī)器——老機(jī)器第24頁/共116頁2、HBM和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)測試板的校驗程序：（1）測試板上所有引腳的電氣連貫性（2）對于新安裝的測試板找出測試板上離脈沖發(fā)生器最近的一個引腳，將其作為參考節(jié)點連接到B端。其他所有引腳依次連接到A端，并且在AB間接入短接線。使用正負(fù)1000V的脈沖電壓在AB端，觀察波形，經(jīng)過所有引腳對的電流波形必須符合如圖波形第25頁/共116頁第26頁/共116頁第27頁/共116頁2、HBM和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)HBM測試方法及標(biāo)準(zhǔn)1.ANSI-STM5.1-2001JESD22-A114D-2005AEC-Q100-002D-20032.該標(biāo)準(zhǔn)用于明確HBM模式下的ESD電壓敏感度的測試、評價以及分級過程3.整個測試過程繁瑣，尤其對儀器及脈沖波形的校驗工作，但非常必要4.ESD測試中，器件不在工作狀態(tài)第28頁/共116頁第29頁/共116頁對于尾波校準(zhǔn)第30頁/共116頁2、HBM和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)第31頁/共116頁2、HBM和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)第32頁/共116頁第33頁/共116頁2、HBM和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)第34頁/共116頁2、HBM和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)第35頁/共116頁2、HBM和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)第36頁/共116頁第37頁/共116頁第38頁/共116頁第39頁/共116頁第40頁/共116頁HBM和MM測試方法第41頁/共116頁所有管腳（一次一根）對（第X組）接地管腳（接地）所有管腳（一次一根）對（第y組）電源管腳（接地）所有I/O管腳（一次一根）對所有其他I/O管腳（接地）NC管腳——依美軍標(biāo)MIL-883不測試——依民標(biāo)ESDA/JEDEC/AEC均要求測試在每一測試模式下，IC的該測試腳先被打上(Zap)某一ESD電壓，而且在同一ESD電壓下，IC的該測試腳必須要被Zap三次，每次Zap之間的時間間隔約一秒鐘，Zap三次之后再觀看該測試腳是否己被ESD所損壞，若IC尚未被損壞則調(diào)升ESD的電壓，再Zap三次。此ESD電壓由小而逐漸增大，如此重復(fù)下去，直到該IC腳己被ESD所損壞，此時造成IC該測試腳損壞的ESD測試電壓稱為『靜電放電故障臨界電壓(ESDfailurethreshold)』。

HBM/MM測試內(nèi)容第42頁/共116頁如果每次調(diào)升的ESD測試電壓調(diào)幅太小，則測試到IC腳損壞要經(jīng)過多次的ESD放電，增長測試時間;若每次調(diào)升的ESD測試電壓太大，則難以較精確測出該IC腳的ESD耐壓能力。規(guī)定：正負(fù)極性均要測試從低壓測到高壓，起始電壓為70%的平均ESDfailurethreshold(VESD)步進(jìn)當(dāng)小于1000V時步進(jìn)50V(100V)，大于1000V時步進(jìn)100V(250V,500V)可以是一個管腳步進(jìn)測量或者所有管腳掃描測量HBM/MM測量方法第43頁/共116頁最短間隔時間和測試次數(shù)上述測試的方法在MM/CDM中都是相同的第44頁/共116頁每一腳都有ESDfailurethreshold。此顆IC的ESDfailurethreshold定義為所有IC腳中ESDfailurethreshold最小的那個電壓值，因此，該顆IC的ESDfailurethreshold僅達(dá)500V。 IC制程特性有時會有小幅的(10%)漂移，所以在相同批次IC中隨機(jī)取樣至少大于5顆。 第45頁/共116頁第46頁/共116頁第47頁/共116頁第48頁/共116頁第49頁/共116頁第50頁/共116頁第51頁/共116頁第52頁/共116頁第53頁/共116頁第54頁/共116頁第55頁/共116頁第56頁/共116頁第57頁/共116頁第58頁/共116頁第59頁/共116頁第60頁/共116頁第61頁/共116頁第62頁/共116頁第63頁/共116頁第64頁/共116頁3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)第65頁/共116頁3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)第66頁/共116頁3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)第67頁/共116頁3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)第68頁/共116頁3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)第69頁/共116頁3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)第70頁/共116頁3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)第71頁/共116頁3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)第72頁/共116頁第73頁/共116頁第74頁/共116頁第75頁/共116頁第76頁/共116頁第77頁/共116頁Systemlevel(系統(tǒng)級)isalsonamedason-boardlevel(電路板級)。主要是接觸式放電和非接觸式放電8kVairdischarge4kVcontactmodeformostproducts6kVcontactformedicaldevices4、EIC模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)第78頁/共116頁4、EIC模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)第79頁/共116頁4、EIC模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)第80頁/共116頁4、EIC模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)第81頁/共116頁第82頁/共116頁第83頁/共116頁第84頁/共116頁SystemlevelESDtestCauseEMCandlatch-up第85頁/共116頁TFTPanelESD第86頁/共116頁5、TLP及其測試方法第87頁/共116頁5、TLP及其測試方法第88頁/共116頁目前的TLP生產(chǎn)廠家有：美國Barth電子公司：Barth是世界上最早（60年代）從事TLP產(chǎn)品的公司，其產(chǎn)品以經(jīng)典、穩(wěn)定、可靠著稱，目前其產(chǎn)品占據(jù)全球75％以上市場。主要是Barth4002TLP和Barth4012VF-TLP美國Thermokeytek儀器公司：Thermokeytek是全球測試儀器的老牌巨頭。主要是HBM/MMtester的MK2和ZAPMASTER，以及CDMtester.美國Oryx公司日本Hanwa公司價格上從貴到便宜是：Barth－Oryx－Thermokeytek－Hanwa穩(wěn)定可靠性從高到低是：Barth－Oryx－Thermokeytek－Hanwa標(biāo)稱值上從高到低：Thermokeytek－Oryx－Hanwa－Barth從操作界面說Hanwa－Oryx－Thermokeytek～Barth從使用的用戶調(diào)查來看：TSMC、UMC前前后后都是使用的是Barth的TLP，而ESD/Lartch-up基本上使用的是Keytech的，SMIC、HHNEC、宜碩以及廣州五所使用的是Barth4002和Keytech的ESD/Lartch-up。

，GRACE宏利使用的是Oryx。第89頁/共116頁目前業(yè)界認(rèn)可的數(shù)據(jù)：Barth4002BTLP對于更快脈波測試使用：Keytech4012BTLP第90頁/共116頁第91頁/共116頁TLP測試標(biāo)準(zhǔn)第92頁/共116頁第93頁/共116頁第94頁/共116頁第95頁/共116頁5、TLP及其測試方法第96頁/共116頁5、TLP及其測試方法第97頁/共116頁5、TLP及其測試方法第98頁/共116頁各種測試的校準(zhǔn)和比對性實際上使用TLP/HBM等的結(jié)果很多情況下是不一致的，即使一樣的設(shè)備和測試方法有時候重復(fù)性也不是很好。ESDA：硬盤驅(qū)動IC、音頻IC、數(shù)據(jù)通信接口IC、汽車電子IC，0.9、1.2、1.5工藝一般：TLP的IT2×1500＝HBMMM×(9-10)＝HBMIEC－(1300-2000)＝HBM柵氧ESD擊穿電壓＝1.2×柵氧靜態(tài)擊穿電壓*柵氧擊穿場強(qiáng)×柵氧厚度＝靜態(tài)擊穿電壓第99頁/共116頁