半導(dǎo)體ESD模型和測試標(biāo)準(zhǔn)

1、http:/ESD模型及有關(guān)測試1、ESD模型分類2、HBM和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)3、 CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)4、 EIC模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)5、 TLP及其測試方法6、拴鎖測試7、 I-V測試8、標(biāo)準(zhǔn)介紹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-Body Model, HBM)(2) 機器放電模式 (Machine Model, MM)(3) 組件充電模式 (Charged-Device Model, CDM)(4) 電場感應(yīng)模式 (Field-Induced Model, FIM)另外還有兩個測試模

2、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模型人體放電模式 (Human-Body Model, 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-KV ESD放電電壓而言，其瞬間放電電

3、流的尖峰值大約是1.33 安培。 機器放電模式 (Machine Model, 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-883C method 3015.7)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1.5K。表是國際電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(EIA/JEDEC STANDARD) 對人體放電模式訂定測試規(guī)范(EIA/JESD22-A114-A)機器放電模式 (Machine Model, MM)機器放電模式的ESD是指機器(例如機械手臂)本身累積了靜電，當(dāng)此機器去碰觸到IC時，該靜電便經(jīng)由IC的pin放電。因為機器是金屬，其等效電阻為

4、0，其等效電容為200pF。由于機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。此機器放電模式工業(yè)測試標(biāo)準(zhǔn)為 EIAJ-IC-121 method20，其等效電路圖和等級如下：機器放電模式 (Machine Model, MM)2-KV HBM與200-V MM的放電比較如圖，雖然HBM的電壓2 KV比MM的電壓200V來得大，但是200-V MM的放電電流卻比2-KV HBM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。因此機器放電模式對IC的破壞力更大。國際電子

5、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (EIA/JEDEC STANDARD) 亦對此機器放電模式訂定測試規(guī)范 (EIA/JESD22-A115-A)組件充電模式組件充電模式 (Charged-Device Model, 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。組件充電模式組件充電模式 (Charged-Device Model, CDM)CDM模式ESD可能發(fā)

6、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)組件充電模式組件充電模式 (Charged-Device Model, 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。 電場感應(yīng)模式電場感應(yīng)模式 (Field-Induced Model, 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

7、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/JEDEC STANDARD) 中亦有此電場感應(yīng)模式訂定測試規(guī)范 (JESD22-C101) 。 IEC電子槍空氣放電模式電子槍空氣放電模式主要是接觸式放電和非接觸式放電 8kV air discharge 4kV contact mode for most products 6kV contact for medical devicesTLP模型 為了研究ESD防護(hù)器件的工作

8、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。HBM, MM與CDM模型參數(shù)比較2KV HBM, 200V MM, 與1KV CDM的放電電流比較，其中1KV CDM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

9、更易造成集成電路的損傷。HBM, MM與CDM比較2、HBM和和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)測試方法標(biāo)準(zhǔn)HBM測試方法及標(biāo)準(zhǔn)1.ANSI-STM5.1-2001 JESD22-A114D -2005 AEC-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)2、HBM和和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)測試方法標(biāo)準(zhǔn)一些比較重要的概念:（1）器件失效(component failure)：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(sensiti

10、vity):引起器件失效的ESD等級(level)（3）ESD耐受電壓(withstand voltage)：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(Step stress test hardening):在步進(jìn)增加的測試電壓下，器件的耐受電壓的現(xiàn)象 2、HBM和和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)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儀器和

11、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)新機器老機器2、HBM和和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)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2、HBM和和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)測試方法標(biāo)準(zhǔn)HBM測試方法及標(biāo)準(zhǔn)1.ANSI-STM5.1-2001 JESD22-A114D -2005 AEC-Q10

12、0-002D -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) 對于尾波校準(zhǔn)2、HBM和和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)測試方法標(biāo)準(zhǔn)2、HBM和和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)測試方法標(biāo)準(zhǔn)2、HBM和和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)測試方法標(biāo)準(zhǔn)2、HBM和和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)測試方法標(biāo)準(zhǔn)2、HBM和和MM測試方法標(biāo)準(zhǔn)測試方法標(biāo)準(zhǔn)HBM和和MM測試方法測試方法所有管腳（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）

13、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 (ESD failure threshold)。 HBM/MM測試內(nèi)容測試內(nèi)容 如果每次調(diào)升的ESD測試電壓調(diào)幅太小，則測

14、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：n正負(fù)極性均要測試n從低壓測到高壓，起始電壓為70%的平均ESD failure threshold (VESD)n步進(jìn)當(dāng)小于1000V時步進(jìn)50V(100V)，大于1000V時步進(jìn)100V(250V, 500V)n可以是一個管腳步進(jìn)測量或者所有管腳掃描測量HBM/MM測量方法測量方法最短間隔時間和測試次數(shù)上述測試的方法在MM/CDM中都是相同的每一腳都有ESD failure threshold。此顆IC的ESD failure threshold定義為所有I

15、C腳中ESD failure threshold最小的那個電壓值，因此，該顆IC的ESD failure threshold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中隨機取樣至少大于5顆。3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)3、CDM模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn) Sys

16、tem level(系統(tǒng)級) is also named as on-board level (電路板級) 。主要是接觸式放電和非接觸式放電 8kV air discharge 4kV contact mode for most products 6kV contact for medical devices4、 EIC模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)4、 EIC模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)4、 EIC模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)4、 EIC模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)模型和測試方法標(biāo)準(zhǔn)System level ESD test Cause EMC and latch-upTFT P

17、anel ESD 5、 TLP及其測試方法及其測試方法5、 TLP及其測試方法及其測試方法目前的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Thermo keytek儀器公司： Thermo keytek是全球測試儀器的老牌巨頭。主要是HBM/MM tester的MK2和ZAP MASTER，以及CDM tester.美國Oryx公司日本Hanwa公司價格上從貴到便宜是：BarthOryxThermo keyte

18、kHanwa穩(wěn)定可靠性從高到低是：BarthOryxThermo keytekHanwa標(biāo)稱值上從高到低：Thermo keytekOryxHanwaBarth從操作界面說HanwaOryxThermo keytek 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Barth 4002和Keytech的ESD/Lartch-up。 ，GRACE宏利使用的是Oryx。目前業(yè)界認(rèn)可的數(shù)據(jù)：Barth 4002B TLP對于更快脈波測試使用：Keytec

19、h 4012B TLPTLP測試標(biāo)準(zhǔn)測試標(biāo)準(zhǔn)5、 TLP及其測試方法及其測試方法5、 TLP及其測試方法及其測試方法5、 TLP及其測試方法及其測試方法各種測試的校準(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的的IT21500HBM MM(9-10)HBM IEC(1300-2000)HBM 柵氧柵氧ESD擊穿電壓擊穿電壓1.2柵氧靜態(tài)擊穿電壓柵氧靜態(tài)擊穿電壓*柵氧擊穿場強柵氧擊穿場強柵氧厚度靜態(tài)擊穿電壓柵氧厚度靜態(tài)擊穿電壓 TLP