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本文主要介紹可靠性試驗(yàn)之ESD的相關(guān)模型及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試結(jié)果及判定、ESD相關(guān)防護(hù)等。

 

1、ESD模型

ESD放電模型分下列四類：

• 人體放電模式(Human-Body Model，HBM)

• 機(jī)器放電模式(Machine Model，MM)

• 組件充電模式(Charged-Device Model，CDM)

• 電場(chǎng)感應(yīng)模式(Field-Induced Model，F(xiàn)IM)

 

測(cè)試模型分為以下兩類：

• 對(duì)于系統(tǒng)級(jí)產(chǎn)品測(cè)試的IEC電子槍放電模式

• 對(duì)于研究設(shè)計(jì)用的TLP模型

 

1.1、芯片級(jí)測(cè)試模型

人體放電模式(HBM)的ESD是指因人體在地上走動(dòng)磨擦或其它因素在人體上已累積了靜電，當(dāng)此人去碰觸到IC時(shí)，人體上的靜電便會(huì)經(jīng)由IC的引腳而進(jìn)入IC內(nèi)，再經(jīng)由IC放電到地去。此放電的過程會(huì)在短到幾百毫微秒(ns)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的瞬間放電電流，此電流會(huì)把IC內(nèi)的組件給燒毀。對(duì)一般商用IC的2-kV ESD放電電壓而言，其瞬間放電電流的尖峰值大約是1.33安培。

HBM測(cè)試模型如下圖所示：

 

不同HBM靜電電壓與其產(chǎn)生的瞬間放電電流及持續(xù)時(shí)間的關(guān)系如下圖所示：

 

機(jī)器放電模式(MM)的ESD是指機(jī)器（例如機(jī)械手臂）本身累積了靜電，當(dāng)此機(jī)器去碰觸到IC時(shí)，該靜電便經(jīng)由IC的pin放電。因?yàn)闄C(jī)器是金屬，其等效電阻為0Ω，其等效電容為200pF。由于機(jī)器放電模式的等效電阻為0，故其放電的過程更短，在幾毫微秒到幾十毫微秒(ns)之內(nèi)會(huì)有數(shù)安培的瞬間放電電流產(chǎn)生。

MM測(cè)試模型如下圖所示：

 

不同MM靜電電壓與其產(chǎn)生的瞬間放電電流及持續(xù)時(shí)間的關(guān)系如下圖所示：

 

組件充電模式(CDM)是指IC先因磨擦或其它因素而在IC內(nèi)部累積了靜電，但在靜電累積的過程中IC并未被損傷。此帶有靜電的IC在處理過程中，當(dāng)其pin去碰觸到接地面時(shí)，IC內(nèi)部的靜電便會(huì)經(jīng)由pin自IC內(nèi)部流出來，而造成了放電的現(xiàn)象。此種模式的放電時(shí)間更短，僅約幾毫微秒之內(nèi)，而且放電現(xiàn)象更難以真實(shí)的被模擬。IC內(nèi)部累積的靜電會(huì)因IC組件本身對(duì)地的等效電容而變，IC擺放角度與位置以及IC所用包裝型式都會(huì)造成不同的等效電容。此電容值會(huì)導(dǎo)致不同的靜電電量累積于IC內(nèi)部。

 

 

CDM測(cè)試模型如下圖所示：

 

CDM模式ESD可能發(fā)生的情形如下：

• IC自IC管中滑出后，帶電的IC腳接觸到地面而形成放電現(xiàn)象。

• IC自IC管中滑出后，IC腳朝上，但經(jīng)由接地的金屬工具而放電。

 

 

FIM模式的靜電放電發(fā)生是因電場(chǎng)感應(yīng)而起的。當(dāng)IC因輸送帶或其它因素而經(jīng)過一電場(chǎng)時(shí)，其相對(duì)極性的電荷可能會(huì)自一些IC腳而排放掉，等IC通過電場(chǎng)之后，IC本身便累積了靜電荷，此靜電荷會(huì)以類似CDM的模式放電出來。

HBM，MM與CDM模型參數(shù)比較

 

 

 

 

 

1.2、系統(tǒng)級(jí)測(cè)試模型

 

系統(tǒng)級(jí)測(cè)試一般采用靜電槍模擬，靜電槍模型如下圖所示：

 

靜電槍一般有兩種放電頭（球頭不太常見），如下圖所示：

 

靜電放電產(chǎn)生器輸出電流波形及參數(shù)如下圖所示：

 

不同測(cè)試等級(jí)的具體電流波形參數(shù)不一樣，具體見下表：

 

測(cè)試等級(jí)	電壓(KV)	放電峰值電流±10%(A)	放電開關(guān)操作時(shí)的上升時(shí)間tr(ns)	在30ns時(shí)的電流±30%(A)	在60ns時(shí)的電流±30%(A)
1	2	7.5	0.7~1	4	2
2	4	15	0.7~1	8	4
3	6	22.5	0.7~1	12	6
4	8	30	0.7~1	16	8

 

2、標(biāo)準(zhǔn)

ESD測(cè)試有系統(tǒng)級(jí)的IEC61000-4-2測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（靜電槍模擬放電）和零件級(jí)（芯片級(jí)）的JEDEC的JESD22-A114（HBM）、A115（MM）、C101（CDM、FIM）測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

 

IEC61340系列標(biāo)準(zhǔn)：

• IEC61340-1：ESD總論

• IEC61340-2-1：靜電測(cè)量方法——帶電特性

• IEC61340-2-2：靜電測(cè)量方法——電阻和電阻率

• IEC61340-3-1：靜電影響模擬方法——靜電放電模擬——人體模型（HBM）

• IEC61340-3-2：靜電影響模擬方法——靜電放電模擬——機(jī)器模型（MM）

• IEC61340-3-3：靜電影響模擬方法——靜電放電模擬——帶電器件模型（CDM）

• IEC61340-4-1：特別應(yīng)用的測(cè)試——安裝地板及地面覆蓋物的靜電特性

• IEC61340-4-2：待考慮

• IEC61340-4-3：特別應(yīng)用的測(cè)試——防靜電鞋類的特性

• IEC61340-5-1：電子器件的靜電保護(hù)——一般性要求

• IEC61340-5-2：電子器件的靜電保護(hù)——用戶指南

 

ESD敏感度測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)：

• ANSI/ESD STM5.1人體模型

• ANSI/ESD STM5.2機(jī)器模型

• ANSI/ESD STM5.3.1組件充電模型

• ANSI/ESD SP5.3.2

• ANSI/ESD SP5.4

• ANSI/ESD SP5.5.1

 

模型		規(guī)范	備注
芯片級(jí)	人體放電模式工業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)	MIL-STD-883C method 3015.7 ANSI-STM5.1-2001 JESD22-A114D-2005 AEC-Q100-002D-2003 IEC61340-3-1	人體的等效電容定為100pF，人體的等效放電電阻定為1.5KΩ
	機(jī)器放電模式工業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)	EIAJ-IC-121 method20 ANSI-STM5.2-1999 JESD22-A115-A-1997 AEC-Q100-003E-2003 IEC61340-3-2	等效電阻為0Ω，其等效電容為200pF
	組件充電模式工業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)	JESD22-C101-C ESD DS5.3.1 AEC-Q100-011B -2003	IC對(duì)地等效電容各異，沒有統(tǒng)一模型參數(shù)
	電場(chǎng)感應(yīng)模式工業(yè)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)	JESD22-C101-C
	TLP(Transmission Line  Pulse)	ESD SP5.5.1-2004	TLP測(cè)試可以用來代替人體模型中的雙指數(shù)波形對(duì)設(shè)備進(jìn)行抗擾度測(cè)試，通過對(duì)元件失效機(jī)理的分析，可以得出靜電放電脈沖注入到元件內(nèi)的能量是導(dǎo)致元件失效的主要因素
系統(tǒng)級(jí)	人體-金屬模型(Body-Metal Model)，也叫場(chǎng)增強(qiáng)模型（靜電槍模型）	IEC801-2 IEC1000-4-2 IEC61000-4-2	系統(tǒng)級(jí)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，模型的儲(chǔ)能電容為150pF（包括發(fā)生器和受試設(shè)備、接地參考平面以及耦合板之間的分布電容）；放電電阻為330Ω，用以代表人手握金屬時(shí)的人體電阻；充電電阻為50~100MΩ。

在對(duì)電火工品進(jìn)行靜電敏感度測(cè)試時(shí)，根據(jù)MIL-STD-1512采用的HBM的參數(shù)為電容500pF，電阻5kΩ；在汽車行業(yè)中，HBM參數(shù)為電容330pF，電阻2kΩ。

 

3、ESD等級(jí)及測(cè)試

ESD測(cè)試結(jié)果的評(píng)判等級(jí)分為芯片級(jí)和系統(tǒng)級(jí)，具體定義如下表所示：

 

芯片級(jí)				系統(tǒng)級(jí)
	HBM	MM	CDM	接觸放電(Contact Discharge)			空氣放電(Air Discharge)
等級(jí)	測(cè)試電壓/KV			等級(jí)	測(cè)試電壓/KV	探頭類型	等級(jí)	測(cè)試電壓/KV	探頭類型
Okey	±2	±0.2	±1	1	±2	尖頭探頭	1	±2	圓頭探頭（為了防止電荷泄漏），15KV以上用球形放電頭
Safe	±4	±0.4	±1.5	2	±4		2	±4
Super	±10	±1	±2	3	±6		3	±8
				4	±8		4	±15
				x	特殊		x	特殊

 

芯片級(jí)測(cè)試波形參數(shù)如下所示 ：

 

 

 

3.1、系統(tǒng)級(jí)測(cè)試方法

系統(tǒng)級(jí)ESD測(cè)試中，接觸放電是首選的測(cè)試方法，也就是說在相同的放電電壓情況下，接觸放電的嚴(yán)格度遠(yuǎn)大于空氣放電。

特例：某些情況下，如鍵盤的金屬導(dǎo)電部分藏在絕緣層覆蓋下，及設(shè)備螺釘?shù)慕饘俨糠钟袝r(shí)可見不可及，此時(shí)就不得不用空氣放電測(cè)試。

 

接觸放電：

• 放電對(duì)象（位置）

• 放電等級(jí)

• 判斷標(biāo)準(zhǔn)

• 放電方法

• 放電導(dǎo)線與槍頭同時(shí)放在被測(cè)端子（表面）上，進(jìn)行連續(xù)放電，放電間隔時(shí)間應(yīng)不少于1秒；

• 先用槍頭對(duì)被測(cè)端子（表面）放電，然后將槍頭移開，再用放電導(dǎo)線對(duì)被測(cè)端子（表面）的電荷導(dǎo)入大地。

• 如果上述兩種測(cè)試方法的結(jié)果不同時(shí)，應(yīng)以惡劣的結(jié)果為準(zhǔn)。

 

空氣放電：

• 放電對(duì)象（位置）

• 放電等級(jí)

• 判斷標(biāo)準(zhǔn)

• 放電方法：槍頭緊貼絕緣件的表面，絕緣件之間的縫隙滑行，如在某點(diǎn)出現(xiàn)放電現(xiàn)象（可能是對(duì)絕緣表面下的非絕緣器件放電），則需對(duì)該點(diǎn)放電10次。（對(duì)無放電現(xiàn)象發(fā)生的表面，無需進(jìn)行10次放電操作）無需對(duì)水平、垂直金屬板進(jìn)行放電操作。

 

3.2、芯片級(jí)測(cè)試方法

芯片級(jí)的測(cè)試，靜電加在引腳之間，各種引腳可以進(jìn)行組合，詳細(xì)見下：

 

• 加在I/O口和VDD/VSS之間

 

• 加在pin和pin之間

 

• 加在VDD和VSS之間

 

• 加在多個(gè)VSS和VDD之間

 

• 加在模擬引腳之間

 

4、ESD防護(hù)

 

ESD防護(hù)器件的一般連接方式如下圖所示：

 

4.1、系統(tǒng)級(jí)防護(hù)

系統(tǒng)級(jí)防護(hù)主要就是增加板級(jí)ESD防護(hù)器件，具體可參見之前的文章《防護(hù)類器件介紹》。

選擇ESD器件應(yīng)該遵循下面的要求：

• 選擇靜電保護(hù)器件是應(yīng)注意鉗制電壓不要超過受保護(hù)器件的最大承受電壓；

• 電路電壓不超過保護(hù)器件工作電壓；

• 低電容值、漏電流盡可能的減少干擾及損耗；

• 靜電保護(hù)器件盡量安裝在最接近靜電輸入的地方，遠(yuǎn)離被保護(hù)器件；

• 靜電保護(hù)器件一定接的是大地，不是數(shù)字地；

• 盡可能的用Vcc和地平面充當(dāng)電源和地分散能量；

• 回地的線路盡量的短，靜電保護(hù)器件與被保護(hù)線路之間的距離盡量的短；要確保印刷電路上的走線從ESD保護(hù)二極管陣列的Vp和Vn到Vcc和地平面間走線盡量地短、寬。理想情況是，將Vp和Vn直接通過多個(gè)過孔接到Vcc和地平面；

• 在Vp和地平面間連入一個(gè)高頻旁路電容——用最短的走線使自感最??；

• 盡量避免被保護(hù)與未被保護(hù)線路并排走線。

 

4.2、芯片級(jí)防護(hù)

隨著器件尺寸越來越小，結(jié)深越來越淺，GOX（柵氧化層）越來越薄，所以靜電擊穿越來越容易，而且在高級(jí)制程里面，Silicide引入也會(huì)讓靜電擊穿變得更加尖銳，所以幾乎所有的芯片設(shè)計(jì)都要克服靜電擊穿問題。

靜電放電保護(hù)可以從FAB端的Process解決，也可以從IC設(shè)計(jì)端的Layout來設(shè)計(jì)，所以你會(huì)看到Process有一個(gè)ESD的option layer，或者Design rule里面有ESD的設(shè)計(jì)規(guī)則可供客戶選擇等等。當(dāng)然有些客戶也會(huì)自己根據(jù)SPICE model的特性通過layout來設(shè)計(jì)ESD。

 

4.2.1、制程上的ESD

制程上解決ESD問題，要么改變PN結(jié)，要么改變PN結(jié)的負(fù)載電阻，而改變PN結(jié)只能靠ESD_IMP了，而改變PN結(jié)的負(fù)載電阻，就是用non-silicide或者串聯(lián)電阻的方法了。

• Source/Drain的ESD implant：因?yàn)長(zhǎng)DD結(jié)構(gòu)在gate poly兩邊很容易形成兩個(gè)淺結(jié)，而這個(gè)淺結(jié)的尖角電場(chǎng)比較集中，而且因?yàn)槭菧\結(jié)，所以它與Gate比較近，所以受Gate的末端電場(chǎng)影響比較大，所以這樣的LDD尖角在耐ESD放電的能力是比較差的(<1kV)，所以如果這樣的Device用在I/O端口，很容造成ESD損傷。所以根據(jù)這個(gè)理論，需要一個(gè)單獨(dú)的器件沒有LDD，但是需要另外一道ESDimplant，打一個(gè)比較深的N+_S/D，這樣就可以讓那個(gè)尖角變圓而且離表面很遠(yuǎn)，所以可以明顯提高ESD擊穿能力(>4kV)。但是這樣的話這個(gè)額外的MOS的Gate就必須很長(zhǎng)防止穿通(punch through)，而且因?yàn)槠骷灰粯恿耍孕枰獑为?dú)提取器件的SPICE Model。

 

• 接觸孔(contact)的ESD implant：在LDD器件的N+漏極的孔下面打一個(gè)P+的硼，而且深度要超過N+漏極(drain)的深度，這樣就可以讓原來Drain的擊穿電壓降低(8V→6V)，所以可以在LDD尖角發(fā)生擊穿之前先從Drain擊穿導(dǎo)走，從而保護(hù)Drain和Gate的擊穿。所以這樣的設(shè)計(jì)能夠保持器件尺寸不變，且MOS結(jié)構(gòu)沒有改變，故不需要重新提取SPICE model。當(dāng)然這種只能用于non-silicide制程，否則contact你也打不進(jìn)去implant。

 

• SAB (SAlicide Block)：一般為了降低MOS的互連電容，會(huì)使用silicide/SAlicide制程，但是這樣器件如果工作在輸出端，器件負(fù)載電阻就會(huì)變低，外界ESD電壓將會(huì)全部加載在LDD和Gate結(jié)構(gòu)之間很容易擊穿損傷，所以在輸出級(jí)的MOS的Silicide/Salicide通常會(huì)用SAB(SAlicide Block)光罩擋住RPO，不要形成silicide，增加一個(gè)photo layer成本增加，但是ESD電壓可以從1kV提高到4kV。

 

• 串聯(lián)電阻法：這種方法不用增加光罩，應(yīng)該是最省錢的了，原理有點(diǎn)類似第三種(SAB)增加電阻法，故意給他串聯(lián)一個(gè)電阻(比如Rs_NW，或者HiR，等)，這樣也達(dá)到了SAB的方法。

 

4.2.2、設(shè)計(jì)上的ESD

這完全靠設(shè)計(jì)者的功夫，有些公司在設(shè)計(jì)規(guī)則就已經(jīng)提供給客戶solution了，客戶只要照著畫就行了，有些沒有的則只能靠客戶自己的designer了，很多設(shè)計(jì)規(guī)則都是寫著這個(gè)只是guideline/reference，不是guarantee的。一般都是把Gate/Source/Bulk短接在一起，把Drain結(jié)在I/O端承受ESD的浪涌(surge)電壓，NMOS稱之為GGNMOS(Gate-Grounded NMOS)，PMOS稱之為GDPMOS(Gate-to-Drain PMOS)。

以NMOS為例，原理都是Gate關(guān)閉狀態(tài)，Source/Bulk的PN結(jié)本來是短接0偏的，當(dāng)I/O端有大電壓時(shí)，則Drain/Bulk PN結(jié)雪崩擊穿，瞬間bulk有大電流與襯底電阻形成壓差導(dǎo)致Bulk/Source的PN正偏，所以這個(gè)MOS的寄生橫向NPN管進(jìn)入放大區(qū)(發(fā)射結(jié)正偏,集電結(jié)反偏)，所以呈現(xiàn)Snap-Back特性，起到保護(hù)作用。PMOS同理推導(dǎo)。

 

 

本文主要介紹了ESD的相關(guān)模型及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)試結(jié)果及判定、ESD相關(guān)防護(hù)等。ESD防護(hù)可以參見《防護(hù)類器件介紹》中的相關(guān)部分。