半导体ESD模型和测试标准

、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-BodyModel,HBM)(2)机器放电模式(MachineModel,MM)(3)组件充电模式(Charged-DeviceModel,CDM)(4)电场感应模式(Field-InducedModel,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-BodyModel,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-KVESD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(MachineModel,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-883Cmethod3015.7)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1.5KΩ。•表是国际电子工业标准(EIA/JEDECSTANDARD)对人体放电模式订定测试规范(EIA/JESD22-A114-A)机器放电模式(MachineModel,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，该静电便经由IC的pin放电。因为机器是金属，其等效电阻为0Ω，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-121method20，其等效电路图和等级如下：机器放电模式(MachineModel,MM)•2-KVHBM与200-VMM的放电比较如图，虽然HBM的电压2KV比MM的电压200V来得大，但是200-VMM的放电电流却比2-KVHBM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/JEDECSTANDARD)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-DeviceModel,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-DeviceModel,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-DeviceModel,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-InducedModel,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，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/JEDECSTANDARD)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•8kVairdischarge􀇃•4kVcontactmodeformostproducts􀇃•6kVcontactformedicaldevices􀇃TLP模型•为了研究ESD防护器件的工作特性，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2KVHBM,200VMM,与1KVCDM的放电电流比较，其中1KVCDM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。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-20032.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(componentfailure)：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(sensitivity):引起器件失效的ESD等级(level)（3）ESD耐受电压(withstandvoltage)：在不引起器件失效前提下的最大ESD等级（4）步进耐压增强(Stepstresstesthardening):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-20032.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/AEC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(ESDfailurethreshold)』。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ESDfailurethreshold(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ESDfailurethreshold。此颗IC的ESDfailurethreshold定义为所有IC脚中ESDfailurethreshold最小的那个电压值，因此，该颗IC的ESDfailurethreshold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•Systemlevel(系统级)isalsonamedason-boardlevel(电路板级)。主要是接触式放电和非接触式放电•8kVairdischarge􀇃•4kVcontactmodeformostproducts􀇃•6kVcontactformedicaldevices􀇃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SystemlevelESDtestCauseEMCandlatch-upTFTPanelESD5、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Barth4002TLP和Barth4012VF-TLP美国Thermokeytek仪器公司：Thermokeytek是全球测试仪器的老牌巨头。主要是HBM/MMtester的MK2和ZAPMASTER，以及CDMtester.美国Oryx公司日本Hanwa公司价格上从贵到便宜是：Barth－Oryx－Thermokeytek－Hanwa稳定可靠性从高到低是：Barth－Oryx－Thermokeytek－Hanwa标称值上从高到低：Thermokeytek－Oryx－Hanwa－Barth从操作界面说Hanwa－Oryx－Thermokeytek～Barth从使用的用户调查来看：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、宜硕以及广州五所使用的是Barth4002和Keytech的ESD/Lartch-up。，GRACE宏利使用的是Ory