ESD模型和测试标准.ppt

1、http:/,ESD模型及有关测试,1、ESD模型分类 2、HBM和MM测试方法标准 3、 CDM模型和测试方法标准 4、 EIC模型和测试方法标准 5、 TLP及其测试方法 6、拴锁测试 7、 I-V测试 8、标准介绍,1、ESD模型分类,因ESD产生的原因及其对集成电路放电的方式不同，经过统计，ESD放电模型分下列四类: (1) 人体放电模式 (Human-Body Model, HBM) (2) 机器放电模式 (Machine Model, MM) (3) 组件充电模式 (Charged-Device Model, CDM) (4) 电场感应模式 (Field-Induced Model

2、, FIM) 另外还有两个测试模型： (5)对于系统级产品测试的IEC电子枪空气放电模式 (6)对于研究设计用的TLP模型,人体放电模式 (Human-Body Model, HBM),人体放电模式(HBM)的ESD是指因人体在地上走动磨擦或其它因素在人体上已累积了静电，当此人去碰触到IC时，人体上的静电便会经由IC的脚(pin)而进入IC内，再经由IC放电到地去，如图2.1-1(a)所示。此放电的过程会在短到几百毫微秒(ns)的时 间内产生数安培的瞬间放电电流，此电流会把IC内的组件 给烧毁。 不同HBM静电电压相对产生的瞬间放电电流与时间的关系 显示于图2.1-1(b)。对一般商用IC的2

3、-KV ESD放电电压而言，其瞬间放电电流的尖峰值大约是1.33 安培。,机器放电模式 (Machine Model, MM),有关于HBM的ESD已有工业测试的标准： 图显示工业标准 (MIL-STD-883C method 3015.7)的等效电路图，其中人体的 等效电容定为100pF，人体的等效放电电阻定为1.5K。 表是国际电子工业标准(EIA/JEDEC STANDARD) 对人体放电模式订定测试规范(EIA/JESD22-A114-A),机器放电模式 (Machine Model, MM),机器放电模式的ESD是指机器(例如机械手臂)本身累积了静电，当此机器去碰触到IC时，该静电便

4、经由IC的pin放电。因为机器是金属，其等效电阻为0，其等效电容为200pF。由于机器放电模式的等效电阻为0，故其放电的过程更短，在几毫微秒到几十毫微秒之内会有数安培的瞬间放电电流产生。 此机器放电模式工业测试标准为 EIAJ-IC-121 method20，其等效电路图和等级如下：,机器放电模式 (Machine Model, MM),2-KV HBM与200-V MM的放电比较如图，虽然HBM的电压2 KV比MM的电压200V来得大，但是200-V MM的放电电流却比2-KV HBM的放电电流来得大很多，放电电流波形有上下振动(Ring)的情形，是因为测试机台导线的杂散等效电感与电容互相耦

5、合而引起的。因此机器放电模式对IC的破坏力更大。 国际电子工业标准 (EIA/JEDEC STANDARD) 亦对此机器放电模式订定测试规范 (EIA/JESD22-A115-A),组件充电模式 (Charged-Device Model, CDM),此放电模式是指IC先因磨擦或其它因素而在IC内部累积了静电，但在静电累积的过程中IC并未被损伤。此带有静电的IC在处理过程中，当其pin去碰触到接地面时，IC内部的静电便会经由pin自IC内部流出来，而造成了放电的现象。 此种模式的放电时间更短，仅约几毫微秒之内，而且放电现象更难以真实的被模拟。,组件充电模式 (Charged-Device Mo

6、del, CDM),CDM模式ESD可能发生的情形显示： (1) IC自IC管中滑出后，带电的IC脚接触接到地面而形成放电现象。 (2) IC自IC管中滑出后，IC脚朝上，但经由接地的金属工具 而放电。(1) (2),组件充电模式 (Charged-Device Model, CDM),IC内部累积的静电会因IC组件本身对地的等效电容而变，IC摆放角度与位置以及IC所用包装型式都会造成不同的等效电容。此电容值会导致不同的静电电量累积于IC内部。,电场感应模式 (Field-Induced Model, FIM),FIM模式的静电放电发生是因电场感应而起的。当IC因输送带或其它因素而经过一电场时

7、，其相对极性的电荷可能会自一些IC脚而排放掉，等IC通过电场之后，IC本身便累积了静电荷，此静电荷会以类似CDM的模式放电出来。有关FIM的放电模式早在双载子(bipolar)晶体管时代就已被发现，现今已有工业测试标准。国际电子工业标准(EIA/JEDEC STANDARD) 中亦有此电场感应模式订定测试规范 (JESD22-C101) 。,IEC电子枪空气放电模式,主要是接触式放电和非接触式放电 8kV air discharge 4kV contact mode for most products 6kV contact for medical devices,TLP模型,为了研究ESD防

8、护器件的工作特性，了解ESD脉冲来的时候，落在ESD防护器件上的电压电流，包括开启的电压和ESD脉冲持续期间的ESD防护器件的每个点的电压电流，也就是触发电压电流、回退电压电流和二次崩溃电压电流等。为了达到上述目的，就要将ESD脉冲离散化。这就是用TLP的矩形脉冲模拟HBM的放电脉冲和放电行为。TLP脉冲上升时间和HBM一致，TLP矩形脉冲脉宽西面的能量与HBM能量一致。,HBM, MM与CDM模型参数比较,2KV HBM, 200V MM, 与1KV CDM的放电电流比较，其中1KV CDM的放电电流在不到1ns的时间内，便已冲到约15安培的尖峰值，但其放电的总时段约在10ns的时间内便结束

9、。此种放电现象更易造成集成电路的损伤。,HBM, MM与CDM比较,2、HBM和MM测试方法标准,HBM测试方法及标准 1.ANSI-STM5.1-2001JESD22-A114D -2005AEC-Q100-002D -2003 2.该标准用于明确HBM模式下的ESD电压敏感度的测试、评价以及分级过程 3.整个测试过程繁琐，尤其对仪器及脉冲波形的校验工作，但非常必要 4. ESD测试中，器件不在工作状态,2、HBM和MM测试方法标准,一些比较重要的概念: （1）器件失效(component failure)：当器件不再符合厂商或用户提供的器件动态和静态特性参数 （2）ESD敏感度(sensi

10、tivity):引起器件失效的ESD等级(level) （3）ESD耐受电压(withstand voltage)：在不引起器件失效前提下的最大ESD等级 （4）步进耐压增强(Step stress test hardening):在步进增加的测试电压下，器件的耐受电压的现象,2、HBM和MM测试方法标准,用于验证脉冲电流波形的仪器：示波器、连个电阻负载和一个电流传感器。具体指标：示波器：分辨率100mA/1cm、带宽350MHz、1cm/ns的显示输出速度；负载电阻：Load1:短路线， Load2：500ohm电流探针：带宽 350MHz，峰值电流12A，上升时间小于1ns,仪器和脉冲波形

11、检测和校准 初次使用时检测 例行检测 维修后检测 测试版或引脚插槽更换或移动后检测记录波形(用于对比和校验) 新机器 老机器,2、HBM和MM测试方法标准,测试板的校验程序： （1）测试板上所有引脚的电气连贯性 （2）对于新安装的测试板找出测试板上离脉冲发生器最近的一个引脚，将其作为参考节点连接到B端。其他所有引脚依次连接到A端，并且在AB间接入短接线。使用正负1000V的脉冲电压在AB端，观察波形，经过所有引脚对的电流波形必须符合如图波形,2、HBM和MM测试方法标准,HBM测试方法及标准 1.ANSI-STM5.1-2001JESD22-A114D -2005AEC-Q100-002D -

12、2003 2.该标准用于明确HBM模式下的ESD电压敏感度的测试、评价以及分级过程 3.整个测试过程繁琐，尤其对仪器及脉冲波形的校验工作，但非常必要 4. ESD测试中，器件不在工作状态,对于尾波校准,2、HBM和MM测试方法标准,2、HBM和MM测试方法标准,2、HBM和MM测试方法标准,2、HBM和MM测试方法标准,2、HBM和MM测试方法标准,HBM和MM测试方法,所有管脚（一次一根）对（第X组）接地管脚（接地） 所有管脚（一次一根）对（第y组）电源管脚（接地） 所有I/O管脚（一次一根）对所有其他I/O管脚（接地） NC管脚 依美军标MIL-883不测试 依民标ESDA/JEDEC/A

13、EC均要求测试在每一测试模式下，IC的该测试脚先被打上(Zap)某一ESD电压，而且在同一ESD电压下，IC的该测试脚必须要被Zap三次，每次Zap之间的时间间隔约一秒钟，Zap三次之后再观看该测试脚是否己被ESD所损坏，若IC尚未被损坏则调升ESD的电压，再Zap三次。此ESD电压由小而逐渐增大，如此重复下去，直到该IC脚己被ESD所损坏，此时造成IC该测试脚损坏的ESD测试电压称为静电放电故障临界电压 (ESD failure threshold)。,HBM/MM测试内容,如果每次调升的ESD测试电压调幅太小，则测试到IC脚损坏要经过多次的ESD放电，增长测试时间; 若每次调升的ESD测试

14、电压太大，则难以较精确测出该IC脚的ESD耐压能力。规定： 正负极性均要测试 从低压测到高压，起始电压为70%的平均ESD failure threshold (VESD) 步进当小于1000V时步进50V(100V)，大于1000V时步进100V(250V, 500V) 可以是一个管脚步进测量或者所有管脚扫描测量,HBM/MM测量方法,最短间隔时间和测试次数,上述测试的方法在MM/CDM中都是相同的,每一脚都有ESD failure threshold。此颗IC的ESD failure threshold定义为所有IC脚中ESD failure threshold最小的那个电压值，因此，该颗

15、IC的ESD failure threshold仅达500V。 IC制程特性有时会有小幅的(10%) 漂移，所以在相同批次IC中随机取样至少大于5颗。,3、CDM模型和测试方法标准,3、CDM模型和测试方法标准,3、CDM模型和测试方法标准,3、CDM模型和测试方法标准,3、CDM模型和测试方法标准,3、CDM模型和测试方法标准,3、CDM模型和测试方法标准,3、CDM模型和测试方法标准,System level(系统级) is also named as on-board level (电路板级) 。主要是接触式放电和非接触式放电 8kV air discharge 4kV contact

16、mode for most products 6kV contact for medical devices,4、 EIC模型和测试方法标准,4、 EIC模型和测试方法标准,4、 EIC模型和测试方法标准,4、 EIC模型和测试方法标准,System level ESD test Cause EMC and latch-up,TFT Panel ESD,5、 TLP及其测试方法,5、 TLP及其测试方法,目前的TLP生产厂家有： 美国Barth 电子公司：Barth是世界上最早（60年代）从事TLP产品的公司，其产品以经典、稳定、可靠著称，目前其产品占据全球75以上市场。主要是Barth400

17、2TLP和Barth4012VF-TLP 美国Thermo keytek仪器公司： Thermo keytek是全球测试仪器的老牌巨头。主要是HBM/MM tester的MK2和ZAP MASTER，以及CDM tester. 美国Oryx公司 日本Hanwa公司价格上从贵到便宜是：BarthOryxThermo keytekHanwa 稳定可靠性从高到低是：BarthOryxThermo keytekHanwa 标称值上从高到低：Thermo keytekOryxHanwaBarth 从操作界面说HanwaOryxThermo keytek Barth 从使用的用户调查来看：TSMC、UMC

18、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、宜硕以及广州五所使用的是Barth 4002和Keytech的ESD/Lartch-up。 ，GRACE宏利使用的是Oryx。,目前业界认可的数据：Barth 4002B TLP对于更快脉波测试使用：Keytech 4012B TLP,TLP测试标准,5、 TLP及其测试方法,5、 TLP及其测试方法,5、 TLP及其测试方法,各种测试的校准和比对性,实际上使用TLP/HBM等的结果很多情况下是不一致的，即使一样的设备和测试方法有时候重复性也不是很好。ESDA：硬盘驱动I

19、C、音频IC、数据通信接口IC、汽车电子IC，0.9、1.2、1.5工艺一般：TLP的IT21500HBMMM(9-10)HBMIEC(1300-2000)HBM栅氧ESD击穿电压1.2栅氧静态击穿电压 *栅氧击穿场强栅氧厚度静态击穿电压,TLP和HBM 也会产生不同的失效机理1.3A HBM：drain区多晶硅filament和Si熔化 1.5A TLP：D-S filament,6、拴锁测试,6、拴锁测试,6、拴锁测试,6、拴锁测试,使用curve tracter测试拴锁,6、拴锁测试,7、 I-V测试,使用HP4155/4156C 使用KIELITHY4200B测试方法略,8、ESD测试

20、标准和分类,根据ESD模式分类 HBM测试标准 MM测试标准 CDM测试标准根据提出标准的组织分类 JESD22系列，JEDEC Solid State Technology Association (Joint Electron Device Engineering Council)提出 ANSI-ESDSTM5.X系列，ESDA协会提出 AEC-Q100系列，汽车电子委员会Automotive Electronics Council提出 MIL-STD-883E系列，美国军方国防部提出HBM测试特点 HBM测试标准基本上是依据美国军方测试标准MIL-STD-883E改进而成 HBM和MM测试方法差不多 CDM测试方法和测试仪器与前两者差别大,