ESD模型和测试标准.ppt

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 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 5K 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 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 up TFTPanelESD 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Oryx 目前业界认可的数据 Barth4002BTLP对于更快脉波测试使用 Keytech4012BTLP 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IC 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IT2 1500 HBMMM 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 3AHBM drain区多晶硅filament和Si熔化1 5ATLP D Sfilament 6 拴锁测试 6 拴锁测试 6 拴锁测试 6 拴锁测试 使用curvetracter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 JEDECSolidStateTechnologyAssociation JointElectronDeviceEngineeringCouncil 提出ANSI ESDSTM5 X系列 ESDA协会提出AEC Q100系列 汽车电子委员会AutomotiveElectronicsCouncil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