半导体ESD模型和测试标准演示幻灯片.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,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,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-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 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 devices,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,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。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-STM5.1-2001,JESD22-A114D-2005,AEC-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,(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-STM5.1-2001,JESD22-A114D-2005,AEC-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-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,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,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 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,Barth4002TLP,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：,Barth,Oryx,Thermo keytek,Hanwa,稳定可靠性从高到低是：,Barth,Oryx,Thermo keytek,Hanwa,标称值上从高到低：,Thermo keytek,Oryx,Hanwa,Barth,从操作界面说,Hanwa,Oryx,Thermo keytek,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,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,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,IT21500,HBM,MM(9-10),HBM,IEC,(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,测试标准和分类,根据ESD模式分类,HBM测试标准,M,M测试标准,C,D,M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,