ESD模型和测试标准

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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

3、的2-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

4、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-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

5、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/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-

6、Device Model, 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

7、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/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 devicesTLP模型

8、 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

9、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 -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

10、数 （2）ESD敏感度(sensitivity):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

11、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-

12、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 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-

13、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 (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

14、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： n正负极性均要测试 n从低压测到高压，起始电压为70%的平均ESD failure threshold (VESD) n步进当小于1000V时步进50V(100V)，大于1000V时步进 100V(250V, 500V) n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

15、failure threshold最小的那个 电压值，因此，该颗 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

16、8kV air discharge 4kV contact mode for most products 6kV contact for medical devices4、 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-upTFT 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 Barth4002TLP和Barth4012VF-TLP 美国Thermo keytek仪