中國電子科技集團(tuán)公司弟58研究所 陸堅
摘 要：本文主要論述了靜電放電(ESD)人體放電模式的測試過程，包括測試標(biāo)準(zhǔn)、IC管腳的測試組合、IC失效判別以及靜電放電敏感度等級分類等。
關(guān)鍵詞：ESD；HBM；靜電放電故障臨界電壓
中國分類號：TN407 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
1 前言
靜電放電(ESD，electrostaticdischarge)是電子工業(yè)濟(jì)花代價的損壞原因之一，它會影響到生產(chǎn)合格率、制造成本、產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性以及公司的可獲利潤。隨著IC產(chǎn)品的制造工藝不斷微小化，ESD引起的產(chǎn)品失效問題越來越突出。為了能夠了解我們所制造的IC產(chǎn)品的抵抗靜電打擊的能力，提升產(chǎn)品的質(zhì)量，減少因ESD而引起的損傷，世界各地的IC工程師們研制出了許多靜電放電模擬器，用來模擬現(xiàn)實(shí)生活中的靜電放電現(xiàn)象，用模擬器對IC進(jìn)行靜電測試，借以找出IC的靜電放電故障臨界電壓。本文就是結(jié)合我們現(xiàn)在使用的靜電放電模擬器(ZapMaster)詳細(xì)介紹靜電放電的測試過程。
2靜電放電模式及國際標(biāo)準(zhǔn)
目前在世界工業(yè)界對靜電放電的模式大致定義了四種：人體模式HBM(humanbodymodel)、機(jī)器模式MM(machinemodel)、器件充電模式CDM(chargedevicemodel)、電場感應(yīng)模式FIN(neldinducedmodel)。因為在IC的制造和使用過程中，人體和IC接觸的機(jī)會濟(jì)多，由人體靜電損傷造成IC失效的比例也濟(jì)大，而且在實(shí)際應(yīng)用中工業(yè)界也大多采用HBM模式來標(biāo)注IC的靜電等級。所以本文將著重介紹HBM的測試方法和判別標(biāo)準(zhǔn)。
人體模式(HBM)，是指人體在地上走動、摩擦或者其他因素在人體上已積累了靜電，當(dāng)此人去直接接觸IC時，人體上的靜電便會經(jīng)IC的管腳而進(jìn)入IC內(nèi)，再由IC放電到地去。此放電過程會在短到幾百個納秒的時間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的瞬間放電電流，這個電流會把IC內(nèi)部的元件燒毀。圖1是HBM人體放電模式的電路模型，其中R2模擬人體電阻，C1模擬人體電容。測試過程是先用高壓源經(jīng)過電阻R1對電容C1充電，電容充電后經(jīng)電阻R2對DUT(被測器件)放電。因為靜電電壓有的要達(dá)到幾千伏特甚至上萬伏特，校驗比較困難，而電流的校驗比較容易，因此現(xiàn)在都是采用靜電放電電壓相對應(yīng)產(chǎn)生的電流來校驗。圖2是HBM的放電電流波形。表1為不同的HBM靜電電壓相對應(yīng)產(chǎn)生的放電電流與時間的關(guān)系。
國際上針對HBM人體放電模式已經(jīng)制定了許多通用的國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，比較常見的有以下幾個：
①USMIL-STD-883EMethod3015．7notice8；
②ESDASSOCIATIONSTM5．1-2001；
③JEDECEIA／J~D22-A114-B；
④AutomotiveElectronicsCouncilAEC-Q100-002-REV-C
國內(nèi)主要標(biāo)準(zhǔn)有：GJB548A-96方法3015A
3 靜電放電的測試組合
靜電放電電流在IC中流動是有規(guī)律可循的，所以針對每個PIN做交叉放電分析是我們使用的濟(jì)基本的測試方法。但是并非胡**叉測試就能得到結(jié)論，必須有一套正確而快速的測試方法作為測試的準(zhǔn)則。下面以GJB548A-96方法3015中的要求，詳細(xì)介紹各種靜電放電的測試組合。
3．1 I／O腳對電源腳的靜電放電測試
靜電的積累可能是正的或負(fù)的電荷，因此靜電放電測試對同一IC腳而言要求具有正負(fù)兩種極性。對每一支I／O管腳而言，其對電源腳的HBM靜電放電測試有下列四種ESD測試組合，其等效電路示意圖如圖3-圖6所示。
(1)圖3為PS-模式(Pin-to-Vss正極性)：Vss腳接地，正的ESD電壓出現(xiàn)在該I／O腳對Vss腳放電，此時VDD與其他腳懸空。
(2)圖4為NS-模式(Pin-to-Vss負(fù)極性)：Vss腳接地，負(fù)的ESD電壓出現(xiàn)在該I／O腳對Vss腳放電，此時VDD與其他腳懸空。
(3)圖5為PD-模式(Pin-to-VDD正極性)：VDD腳接地，正的ESD電壓出現(xiàn)在該I／0腳對VDD腳放電，此時Vss與其他腳懸空。
(4)圖6為ND-模式(Pin-to-VDD負(fù)極性)：VDD腳接地，負(fù)的ESD電壓出現(xiàn)在該I/O腳對VDD腳放電，此時Vss與其他腳懸空。
3．2 Pin-to-Pin的靜電放電測試
靜電放電可能出現(xiàn)在IC的任何兩只管腳之間，若該兩只管腳之間無直接的相關(guān)電路，**共同使用的是VDD與Vss電源線相連接，就有可能出現(xiàn)當(dāng)ESD放電發(fā)生在不相干的兩只IC腳之間時，靜電放電電流會先經(jīng)過某部分電路流向VDD或Vss電源線上，再由VDD或Vss電源線連接流向另一只IC腳，再由那只IC腳流出IC。但是如果每一個IC的兩只管腳之間都要做測試，那么一個40HN的IC便要有1560種排列組合的ESD測試，這樣太浪費(fèi)時間。因此測試標(biāo)準(zhǔn)便規(guī)定了改良式的測試方法。如圖7-圖8所示，即所謂的Pin-to-Pin測試。在該種方法的測試組合中，也按靜電放電的正負(fù)兩種極性分成兩種測試模式：
(1)圖7為正極性模式：正的ESD電壓出現(xiàn)在某一I／O腳，此時所有其他I／O腳全部接地，但所有的VDo腳與Vss腳都懸空。
(2)圖8為負(fù)極性模式：負(fù)的ESD電壓出現(xiàn)在某一I／O腳，此時所有其他I／O腳全部接地，但所有的VDD腳與Vss腳都懸空。
3．3 VDD-to-VSS靜電放電測試
靜電放電也可能發(fā)生在VDD腳與VSS腳之間，因此對VDD腳與Vss腳有下列測試組合，其等效電路示意圖如圖9-圖12所示
(1)圖9為VDD-正極性模式：正的ESD電壓出現(xiàn)在VDD腳，此時Vss接地，但所有的I／O腳都懸空。
(2)圖10為VDD-負(fù)極性模式：負(fù)的ESD電壓出現(xiàn)在VDD腳，此時Vss接地，但所有的I／O腳都懸空。
(3)圖11為Vss-正極性模式：正的ESD電壓出現(xiàn)在Vss腳，此時VDD接地，但所有的I／O腳都懸空。
(4)圖12為Vss-負(fù)極性模式：負(fù)的ESD電壓出現(xiàn)在Vss腳，此時VDD接地，但所有的I/O腳都懸空。
這里需要做一些說明：在一個IC中，各個管腳的功能有所不同。可能有兩個或兩個以上標(biāo)注為相同名稱的電源腳(例如：Vcc、VDD、Vss、analog、GND、digital、GND等等)，按照標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，只要這些電源腳在內(nèi)部是通過金屬連接或歐姆連接，兩個電源腳之間的引線電阻小于2Ω，就可以把這一組電源腳或接地腳連在一起，看成是一個VDDGrouppin或VssGrouppin，其他IC腳分別對其進(jìn)行靜電測試。否則就應(yīng)該把這些VDD或Vss看成是各自獨(dú)立的，其他腳分別按照以上的測試組合對其進(jìn)行測試。除了電源腳以外的其他各種類型的管腳，比如數(shù)據(jù)、地址、讀寫控制、時鐘、基準(zhǔn)和補(bǔ)償?shù)裙苣_，在靜電測試時不用考慮其管腳的功能，只把他們看成是Inputpin或Outputpino。
3．4 Analog Pin的靜電放電測試
在類比(Analog)IC中有一種測試組合，在標(biāo)準(zhǔn)中是沒有規(guī)定到，但在實(shí)際使用中有些IC工程師為了能夠更**的測試這類IC的抗靜電能力，經(jīng)常使用這種測試組合，這種組合就是類比(Analog)IC內(nèi)的差動輸入級(DifferentialPair)的測試組合。例如運(yùn)算放大器(OPAMP)的輸入級，如果該差動輸入級的正負(fù)輸入級都連接到IC的管腳時，這兩只輸入腳要另外單獨(dú)做靜電放電測試，以驗證該兩只輸入腳所連接的差動輸入級會不會被靜電放電所破壞，其等效電路示意圖如圖13和圖14所示：
(1)圖13為正極性模式：正的ESD電壓出現(xiàn)在差動輸入級的正輸入腳位，此時差動輸入級的負(fù)輸入腳接地，但其他所有的I／O腳以及VDD與Vss腳都懸空。
(2)圖14為負(fù)極性模式：負(fù)的ESD電壓出現(xiàn)在差動輸入級的正輸入腳位，此時差動輸入級的負(fù)輸入腳接地，但其他所有的I／O腳以及VDD與Vss腳都懸空。
4 靜電測試方式
在ESD測試過程中，我們可以采用從低電壓到高電壓進(jìn)行測試，也可以從高電壓到低電壓進(jìn)行測試，這兩種方式都可以找出IC的"靜電放電故障臨界電壓"。現(xiàn)在以低電壓到高電壓為例詳細(xì)介紹一下靜電測試方法。
在每一個測試組合模式下，IC的某一被測試腳先被打上(ZAP)某一ESD電壓，而且在同一ESD電壓下，IC的該測試腳必須要被ZAP三次，每次ZAP之間間隔的時間為]秒鐘，ZAP三次后再觀看該測試腳是否已被ESD所損傷，若IC尚未被損傷則提升ESD的電壓，再ZAP三次。此ESD電壓由小而逐漸增大，如此重復(fù)下去，直到該IC腳己被ESD所損壞，此時造成IC該測試腳損壞的ESD電壓為"靜電放電故障臨界電壓"。
我們每次提升的ESD電壓幅度要選擇一個合適的數(shù)值，如果幅度太小，則測試到IC管腳損壞要經(jīng)過多次的ESD放電，增長測試時間；若每次提升的幅度太大，則難以較**地測出該IC腳的ESD耐壓能力。因此，根據(jù)我們的實(shí)際測試經(jīng)驗，當(dāng)ESD測試電壓低于1kV時，每次ESD電壓增加量為50V或100V；當(dāng)ESD測試電壓高于1kV時，每次ESD電壓增加量為100V或250V。而ESD測試的起始電壓則從平均ESD故障臨界電壓的70%開始。
例如，某一IC的人體放電模式（HBM）ESD耐壓大概平均在2000V左右，那么起始測試電壓約從1400V開始。測試時，1400V的ESD電壓ZAP到IC的某一腳去（根據(jù)文章弟三部分介紹的測試引腳組合，相應(yīng)的VDD或VSS腳要接地），測試三次1400V的ESD放電，若該IC腳尚未損壞，則提升ESD電壓到1500V，此1500V的ESD電壓再打該IC腳三次，若該IC腳尚未損壞，再提升ESD電壓到1600V，依次類推，直到該IC腳被靜電放電所損壞為止。
我們可以來估算一下，一個40PIN的IC，（38支I/O，1支VDD，一支VSS），他的HBM測試電壓自1400V熾到2000V，每次增加量為100V的情形下，所要測試的次數(shù)：每一測試腳在變化ESD電壓之下的ZAP次數(shù)[（2000-1400）/100+1]；38支I/O腳的測試次數(shù)=38支×4種×21次=3192次；Pin-to-Pin靜電放電測試（如圖3.2.1-3.2.2所示）之次數(shù)=38支×2種×21次=1596次；VDD-to-VSS靜電放電測試（如圖3.3.1-3.3.4所示）之次數(shù)=2支×4種×21次=168次；故該4O腳IC的ESD（1400-2000V）總測試次數(shù)=4956次。
由上述的簡單估算可知，一個具有40支管腳的IC，只從1400V測到2000V，每一次電壓調(diào)升100V，則要4956次的ESD放電測試。而在實(shí)際情況中，IC管腳的耐壓程度可能每一支都不同，要真正測出每一支管腳的ESD耐壓程度，則所需測試次數(shù)會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上述的數(shù)字。因此可根據(jù)你的實(shí)際要求，增加電壓調(diào)升的幅度，這樣可以減少測試的次數(shù)及時間。
5靜電放電故障判斷
每一個IC對靜電放電都有一定的承受能力，要想知道IC的靜電承受能力，除了以上介紹的測試組合外，我們在做測試分析時還需要有一套正確的判別標(biāo)準(zhǔn)，來判別被測試電路是否失效，否則光有方法而無判別標(biāo)準(zhǔn)也是枉然。
IC經(jīng)由ESD測試后，要判斷其是否已被ESD所破壞，以便決定是否要再進(jìn)一步測試下去。但如何判定IC已被ESD所損壞了呢?我們現(xiàn)在使用的靜電測試儀可以在ESD測試前后測量每一支IC管腳I／V特性曲線，再根據(jù)ESD測試前后的特性曲線做比較來判別IC是否發(fā)生失效。具體的判別標(biāo)準(zhǔn)有以下幾種：
①**漏電流：先規(guī)定一個具體的電壓值VF和漏電流極限值IF，當(dāng)IC被ESD測試后，其某一管腳在指定電壓VF以下產(chǎn)生的漏電流大于規(guī)定極限值IF時，失效發(fā)生。漏電流會隨偏壓的大小增加而增加，例如在測漏電流時所加的電壓VF為3V，規(guī)定漏電流極限IP為luA。ESD測試后在3V下如果測試到的漏電流大于luA為失效。
②相對電壓漂移：指定在某一固定電流值IREF時，ESD測試前與測試后電壓漂移量超過指定的百分比，失效發(fā)生。我們比較常用的方式是指定IREF為lμA時的參考電壓VREF漂移量超過土30％，該管腳失效。
③短開路：在經(jīng)ESD測試后，測量被ESD測試后的某一管腳的I／V曲線，如果出現(xiàn)短路到地或開路現(xiàn)象(輸入電壓，電流無窮大或輸入電壓，電流接近于零)，該管腳失效。
④相對I/V漂移：在ESD測試前先測量到某一管腳I/V特性曲線，當(dāng)IC被ESD測試后，自該管腳進(jìn)入IC內(nèi)部的I／V特性曲線漂移量在30％(20％或40％)。例如輸入范圍是3V、1μA，那么它漂移量的包絡(luò)線范圍是2．1V-3．9V和0．7A-1．31lA。如圖15所示，Aftertrace(ESD測試后測量的I／V曲線)已有部分超出Beforetrace(ESD測試前測量的I／V曲線)的30％的包絡(luò)線，該管腳失效。
以上四種是我們的靜電測試儀自帶的濟(jì)常用的幾種簡易判別方法，適合用于大批量的測試，可以進(jìn)行快速判別。
⑤功能測試法：先把功能正常且符合規(guī)格IC的每一支腳依測試組合打上某一電壓準(zhǔn)位的ESD測試電壓，再拿去測試其功能是否仍然符合原來的規(guī)格。這種方法是濟(jì)能夠**反應(yīng)出電路在經(jīng)過ESD測試后電路性能的變化。一般的ESD測試標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定在經(jīng)過ESD測試后要經(jīng)過功能測試(包括靜態(tài)測試和動態(tài)測試)，才能濟(jì)終確定其"靜電放電故障臨界電壓"。
采用不同的故障判定準(zhǔn)則，對同一個IC而言，可能會有差距很大的ESD故障臨界電壓。判別一個電路的ESD故障臨界電壓要在注明其故障判定準(zhǔn)則條件之下，才顯得有意義。否則在你這里選擇這種判別準(zhǔn)則，在另一家選擇其他的判別準(zhǔn)則，會得出不同的ESD故障臨界電壓，這樣就會給別人造成混亂，究竟我的IC的ESD故障臨界電壓是多少?
6 靜電放電測試結(jié)果的判讀及分類
6．1 ESD測試結(jié)果判讀
表3是一個IC的實(shí)際ESD測試濟(jì)低故障臨界電壓，PINl為"VDD"，PIN8為"Vss"，其余PIN為I／O。按照本文弟三部分介紹的測試組合，做了一些簡化，方法ALL-to-VDD指除VDD以外的所有管腳分別對VDD測試，VDD接地；方法ALL-to-Vss指除Vss以外的所有管腳分對Vss打擊，Vss接地；方法IO-to-IO指I／O腳相互測試，沒有被測到的I／O管腳接地，VDD和Vss懸空；"OK"指超過8000V。我們來看PIN2，六種方法測到的濟(jì)低ESD故障臨界電壓分別為7250V、-8000V、7000V、-8000V、6500V和-3500V，該腳的ESD濟(jì)低故障臨界電壓為3500V；再來看PIN3分別是4250V、-500V、4000V、-5750V、7000V、-8000V，該腳的濟(jì)低故障臨界電壓為500V；PIN6分別是6500V、-750V、500V、8000V、2250V、-750V，該腳的濟(jì)低故障臨界電壓為500V。以次類推，每一個腳都能找到其濟(jì)低的ESD故障臨界電壓。這個IC的ESD濟(jì)低故障臨界電壓應(yīng)定為所有腳中濟(jì)低的電壓，既500V。我們可以從上面看到，雖然有的管腳的ESD故障臨界電壓可以達(dá)到3500V或更高，但只要其中有一只管腳的電壓很低，就應(yīng)該以這只濟(jì)低管腳的電壓為整個IC的ESD濟(jì)低故障臨界電壓。
所以我們需要注意的是，在靜電放電保護(hù)電路的設(shè)計中，要能夠提升`IC所有管腳的靜電放電故障臨界電壓，而不是只提升某幾只管腳的靜電放電保護(hù)能力而己。IC的制造過程特性有時會有小幅的(10％)漂移，因此每個IC之間的特性會有些細(xì)微的不同，其ESD耐壓特性也可能會有些差異。每次測試所選用的IC數(shù)目不能太少，應(yīng)至少大于5個，每一個都找出其ESD故障臨界電壓，可能每個IC都不太相同。這時我們定義其中濟(jì)低的ESD故障臨界電壓為該批IC的ESD故障臨界電壓。數(shù)量選的越多，該批IC的ESD故障臨界電壓越**。
6．2靜電放電敏感度分類
不同的ESD測試標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了靜電放電敏感度分類，以下是幾個測試標(biāo)準(zhǔn)的靜電放電敏感度分類：表4為GJB548A-96(MIL883E)的分類，表5為ESDSTM5．1-2001和JEDECEIA／JESD22-A114-B的分類。在IC經(jīng)過ESD測試后，就可以根據(jù)測試結(jié)果，按照你所適用的標(biāo)準(zhǔn)，給你的IC標(biāo)注靜電等級。
7結(jié)束語
隨著電子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，元件尺寸的日益縮小、集成度也日益提高，使得靜電放電對IC造成的破壞越來越嚴(yán)重，各IC相關(guān)的從業(yè)人員也越來越重視這個問題，靜電放電測試結(jié)果已經(jīng)成為評估產(chǎn)品可靠性的一個重要指標(biāo)，靜電放電測試的主要應(yīng)用有兩個：弟一是了解元件的靜電放電敏感度等級，提升產(chǎn)品的可靠性，并且可以給制造、封裝、測試、組裝及運(yùn)輸?shù)热藛T提供參考；弟二可以針對經(jīng)過ESD測試的元件的弱點(diǎn)做故障分析，以便IC設(shè)計人員或工藝人員在查清問題后進(jìn)行設(shè)計或工藝改良。本文就ESD相關(guān)的測試原理和測試方法等作了詳細(xì)的介紹，從文章中可以看到，ESD測試從每一只管腳的測試組合，每一個IC的測試方法，一直到整批IC，ESD故障臨界電壓的判定，都給我們一個很重要的概念，ESD故障臨界電壓不是一只管腳的問題，而是整批的問題。
