ANSI、ESDA、JEDEC JS-002 CDM測(cè)試概覽 IC的ESD損害最大原因來(lái)自充電器

元件充電模式(CDM) ESD被認(rèn)為是代表ESD充電和快速放電的首要實(shí)際ESD模型，能夠恰如其分地表示當(dāng)今集成電路(IC)制造和裝配中使用的自動(dòng)處理設(shè)備所發(fā)生的情況。到目前為止，在制造環(huán)境下的器件處理過(guò)程中，IC的ESD損害的最大原因是來(lái)自充電器事件，這一點(diǎn)已廣為人知。（注1）

充電器件模型路線圖

對(duì)IC中更高速I(mǎi)O的不斷增長(zhǎng)的需求，以及單個(gè)封裝中集成更多功能的需要，推動(dòng)封裝尺寸變大，因而維持JEP157（注2、3）中討論的推薦目標(biāo)CDM級(jí)別將是一個(gè)挑戰(zhàn)。還應(yīng)注意，雖然技術(shù)擴(kuò)展對(duì)目標(biāo)級(jí)別可能沒(méi)有直接影響（至少低至14 nm），但這些高級(jí)技術(shù)改進(jìn)了晶體管性能，進(jìn)而也能支持更高IO性能（傳輸速率），因此對(duì)IO設(shè)計(jì)人員而言，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前目標(biāo)級(jí)別同樣變得很困難。由于不同測(cè)試儀的充電電阻不一致，已公布的ESD協(xié)會(huì)(ESDA)截止2020（注4）年路線圖建議，CDM目標(biāo)級(jí)別將需要再次降低，如圖1所示。

圖1.2010年及以后的充電器件模型靈敏度限值預(yù)測(cè)（版權(quán)所有?2016 EOS/ESD協(xié)會(huì)）

快速瀏覽圖1不會(huì)發(fā)現(xiàn)CDM目標(biāo)級(jí)別有明顯變化，但進(jìn)一步查閱ESDA提供的數(shù)據(jù)（如圖2所示）可知，CDM ESD目標(biāo)級(jí)別的分布預(yù)期會(huì)有重大變化。

圖2.充電器件模型靈敏度分布組別前瞻（版權(quán)所有?2016 EOS/ESD協(xié)會(huì)）

為何討論此變化很重要？它指出了需要采用一致的方法來(lái)測(cè)試整個(gè)電子行業(yè)的CDM，應(yīng)排除多種測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)所帶來(lái)的一些不一致性?，F(xiàn)在，確保制造業(yè)針對(duì)ESDA討論的CDM路線圖做好適當(dāng)準(zhǔn)備比以往任何時(shí)候都更重要。這種準(zhǔn)備的一個(gè)關(guān)鍵方面是確保制造業(yè)從各半導(dǎo)體制造商收到的關(guān)于器件CDM魯棒性水平的數(shù)據(jù)是一致的。對(duì)一個(gè)協(xié)調(diào)一致的CDM標(biāo)準(zhǔn)的需求從來(lái)沒(méi)有像現(xiàn)在這樣強(qiáng)烈。再加上持續(xù)不斷的技術(shù)進(jìn)步，IO性能也會(huì)得到提高。這種對(duì)更高IO性能的需要（以及降低引腳電容的需要），迫使IC設(shè)計(jì)人員別無(wú)選擇，只能降低目標(biāo)級(jí)別，進(jìn)而需要更精密的測(cè)量（在ANSI/ESDA/JEDEC JS-002中有說(shuō)明）。

新聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)

在ANSI/ESDA/JEDEC JS-002之前有四種現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)：傳統(tǒng)的JEDEC (JESD22-C101)（注5）、ESDA S5.3.1（注6）、AEC Q100-011（注7）和EIAJ ED-4701/300-2標(biāo)準(zhǔn)（注8）。ANSI/ESDA/JEDEC JS-002（充電器件模型、器件級(jí)別）（注9）代表了將這四種現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一為單一標(biāo)準(zhǔn)的一次重大努力。雖然所有這些標(biāo)準(zhǔn)都產(chǎn)生了有價(jià)值的信息，但多種標(biāo)準(zhǔn)的存在對(duì)行業(yè)不是好事。不同方法常常產(chǎn)生不同的通過(guò)級(jí)別，多種標(biāo)準(zhǔn)的存在要求制造商支持不同的測(cè)試方法，而有意義的信息并無(wú)增加。因此，以下兩點(diǎn)非常重要：IC充電器件抑制能力的單一測(cè)量水平是廣為人知的，以確保CDM ESD設(shè)計(jì)策略得到正確實(shí)施；IC的充電器件抑制能力同它將接觸到的制造環(huán)境中的ESD控制水平一致。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，2009年成立的ESDA和JEDEC CDM聯(lián)合工作小組(JWG)開(kāi)發(fā)了JS-002。此外，JWG希望根據(jù)引入場(chǎng)感應(yīng)CDM (FICDM)以來(lái)所獲得的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)對(duì)FICDM進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)10。最后，JWG希望盡量減少對(duì)電子行業(yè)的沖擊。為了減少行業(yè)沖擊，工作小組決定，聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)要求購(gòu)買(mǎi)全新場(chǎng)感應(yīng)CDM測(cè)試儀，并且通過(guò)/失敗水平應(yīng)盡可能與JEDEC CDM標(biāo)準(zhǔn)一致。JEDEC標(biāo)準(zhǔn)是使用最廣泛的CDM標(biāo)準(zhǔn)，因此JS-002與當(dāng)前制造業(yè)對(duì)CDM的理解保持一致。

雖然JEDEC和ESDA的測(cè)試方法非常相似，但兩種標(biāo)準(zhǔn)之間有一些不同之處需要化解。JS-002還試圖解決一些技術(shù)問(wèn)題。一些最重要問(wèn)題列示如下。

標(biāo)準(zhǔn)之間的差異

? 場(chǎng)板電介質(zhì)厚度

? 用于驗(yàn)證系統(tǒng)的驗(yàn)證模塊

? 示波器帶寬要求

? 波形驗(yàn)證參數(shù)

標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)問(wèn)題

? 測(cè)量帶寬要求對(duì)CDM而言太慢

? 人為地讓JEDEC標(biāo)準(zhǔn)中的脈沖寬度很寬

為了達(dá)成目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一，作出了如下硬件和測(cè)量選擇。在為期五年的文件編制過(guò)程中，工作小組進(jìn)行了大量測(cè)量才作出這些決定。

硬件選擇

? 使用JEDEC電介質(zhì)厚度

? 使用JEDEC“硬幣”進(jìn)行波形驗(yàn)證

? 禁止在放電路徑中使用鐵氧體

測(cè)量選擇

? 系統(tǒng)驗(yàn)證/驗(yàn)收需要最低6 GHz帶寬的示波器

? 例行系統(tǒng)驗(yàn)證允許使用1 GHz示波器

**盡量減少數(shù)據(jù)損壞并討論隱藏電壓調(diào)整 **

? 讓目標(biāo)峰值電流與現(xiàn)有JEDEC標(biāo)準(zhǔn)一致

? 指定與JEDEC壓力級(jí)別匹配的測(cè)試條件；對(duì)于JS-002測(cè)試結(jié)果，指的是測(cè)試條件(TC)；對(duì)于JEDEC和AEC，指的是伏特(V)

? 對(duì)于JS-002，調(diào)整場(chǎng)板電壓以提供與傳統(tǒng)JEDEC峰值電流要求對(duì)應(yīng)的正確峰值電流

確保較大封裝完全充電

? 為確保較大封裝完全充電，引入了一個(gè)新的程序

下面說(shuō)明這些改進(jìn)。

JS-002硬件選擇

JS-002 CDM硬件平臺(tái)代表了ESDA S5.3.1探針組件或測(cè)試頭放電探針同JEDEC JESD22-C101驗(yàn)證模塊和場(chǎng)板電介質(zhì)的結(jié)合。圖3所示為硬件對(duì)比。ESDA探針組件的放電路徑中沒(méi)有特定鐵氧體。FICDM測(cè)試儀制造商認(rèn)為，鐵氧體是必要的，增加鐵氧體可提高500 ps的半峰全寬(FWHH)額定最小值，并將Ip2（第二波峰）降至第一波峰Ip1的50%以下，從而滿足傳統(tǒng)JEDEC要求。JS-002去掉了此鐵氧體，從而消除了放電中的這種限制因素，使得放電波形更準(zhǔn)確，高帶寬示波器在Ip1時(shí)看到的振鈴現(xiàn)象不再存在。

圖3.JEDEC和JS-002平臺(tái)硬件原理圖

圖4顯示了ESDA和JEDEC CDM標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證模塊的區(qū)別。ESDA標(biāo)準(zhǔn)提供兩個(gè)電介質(zhì)厚度選項(xiàng)，并結(jié)合驗(yàn)證模塊（第二個(gè)選項(xiàng)是模塊和場(chǎng)板之間有一層最多130 μm的額外塑料薄膜，用于測(cè)試帶金屬封裝蓋的器件）。JEDEC驗(yàn)證模塊/FR4電介質(zhì)代表一個(gè)單一小/大驗(yàn)證模塊和電介質(zhì)選項(xiàng)，支持它的JEDEC標(biāo)準(zhǔn)用戶要多得多。

圖4.ESDA和JEDEC驗(yàn)證模塊比較JS-002使用JEDEC模塊。

JS-002測(cè)量選擇

在JS-002標(biāo)準(zhǔn)制定的數(shù)據(jù)收集階段，CDM JWG發(fā)現(xiàn)需要更高帶寬的示波器才能精確測(cè)量CDM波形。1 GHz帶寬示波器未能捕捉到真正的第一峰值。圖5和圖6說(shuō)明了這一點(diǎn)。

圖5.大JEDEC驗(yàn)證模塊在500 V JEDEC時(shí)與JS-002 TC500在1 GHz時(shí)的CDM波形

圖6.大JEDEC驗(yàn)證模塊在500 V JEDEC時(shí)與JS-002 TC500在6 GHz時(shí)的CDM波形

例行波形檢查，例如每日或每周的檢查，仍可利用1 GHz帶寬示波器進(jìn)行。然而，對(duì)不同實(shí)驗(yàn)室測(cè)試站點(diǎn)的分析表明，高帶寬示波器能提供更好的站點(diǎn)間相關(guān)性。（注11）例行檢查和季度檢查推薦使用高帶寬示波器。年度驗(yàn)證或更換/修理測(cè)試儀硬件之后的驗(yàn)證需要高帶寬示波器。

表1.JS-002波形數(shù)據(jù)記錄表示例，顯示了造成TC（測(cè)試條件）電壓的因素9

測(cè)試儀CDM電壓設(shè)置

CDM JWG同時(shí)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同測(cè)試儀平臺(tái)，為了獲得符合先前ESDA和JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試波形，實(shí)際板電壓設(shè)置需要有相當(dāng)大的差異（例如，特定電壓設(shè)置為100 V或更大）。這在任何標(biāo)準(zhǔn)中都沒(méi)有說(shuō)明。JS-002唯一地確定了將第一峰值電流（以及測(cè)試條件所代表的電壓）縮放到JEDEC峰值電流水平所需的偏移或因數(shù)。JS-002附錄G對(duì)此有詳細(xì)說(shuō)明。表1顯示了一個(gè)包含此特性的驗(yàn)證數(shù)據(jù)實(shí)例。

在設(shè)定測(cè)試條件下確保超大器件完全充電

在JS-002開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)收集階段還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與測(cè)試儀相關(guān)的問(wèn)題：放電之前，某些測(cè)試系統(tǒng)未將大驗(yàn)證模塊或器件完全充電到設(shè)定電壓。不同測(cè)試系統(tǒng)的大值場(chǎng)板充電電阻（位于充電電源和場(chǎng)板之間的串聯(lián)電阻）不一致，影響到場(chǎng)板電壓完全充電所需的延遲時(shí)間。結(jié)果，不同測(cè)試儀的第一峰值放電電流可能不同，影響CDM的通過(guò)/失敗分類(lèi)，尤其是大器件。

因此，工作小組撰寫(xiě)了詳實(shí)的附錄H（“確定適當(dāng)?shù)某潆娧舆t時(shí)間以確保大模塊或器件完全充電”），描述了用于確定器件完全充電所需延遲時(shí)間的程序。當(dāng)出現(xiàn)峰值電流飽和點(diǎn)（Ip基本保持穩(wěn)定，設(shè)置更長(zhǎng)的延遲時(shí)間也不會(huì)使它改變）時(shí)，說(shuō)明達(dá)到了適當(dāng)?shù)某潆娧舆t時(shí)間，如圖7所示。確定此延遲時(shí)間，確保放電之前，超大器件能夠完全充電到設(shè)定的測(cè)試條件。

圖7.峰值電流與充電時(shí)間延遲關(guān)系圖示例，顯示了飽和點(diǎn)/充電時(shí)間延遲9

電子行業(yè)逐步采用JS-002

對(duì)于采用ESDA S5.3.1 CDM標(biāo)準(zhǔn)的公司，JS-002標(biāo)準(zhǔn)取代了S5.3.1，應(yīng)將S5.3.1廢棄。對(duì)于先前使用JESD22-C101的公司，JEDEC可靠性測(cè)試規(guī)范文件JESD47（規(guī)定JEDEC電子元件的所有可靠性測(cè)試方法）最近進(jìn)行了更新，要求用JS-002代替JESD22-C101（2016年末）。JEDEC會(huì)員公司轉(zhuǎn)換到JS-002的過(guò)渡時(shí)期現(xiàn)已開(kāi)始。很多公司（包括ADI和Intel）已經(jīng)對(duì)所有新產(chǎn)品利用JS-002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。

國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)最近批準(zhǔn)并更新了其CDM測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IS 60749-28（注12）。此標(biāo)準(zhǔn)全盤(pán)納入JS-002作為其指定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

汽車(chē)電子理事會(huì)(AEC)目前有一個(gè)CDM小組委員會(huì)，其正在更新Q100-011（集成電路）和Q101-005（無(wú)源器件）車(chē)用器件CDM標(biāo)準(zhǔn)文件以納入JS-002，并結(jié)合AEC規(guī)定的測(cè)試使用條件。這些工作預(yù)計(jì)會(huì)在2017年底完成并獲批準(zhǔn)。

結(jié)語(yǔ)

觀察ESDA提供的CDM ESD路線圖，可知在更高IO性能的驅(qū)動(dòng)下，CDM目標(biāo)級(jí)別會(huì)繼續(xù)降低。制造業(yè)對(duì)器件級(jí)CDM ESD耐受電壓的認(rèn)知比以往任何時(shí)候都更重要，而來(lái)自不同CDM ESD標(biāo)準(zhǔn)的不一致產(chǎn)品CDM結(jié)果是無(wú)法傳達(dá)這一訊息的。ANSI/ESDA/JEDEC JS-002有機(jī)會(huì)成為第一個(gè)真正的適用于全行業(yè)的CDM測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。消除CDM測(cè)試頭放電路徑中的電容，可顯著改善放電波形的質(zhì)量。引入高帶寬示波器用于驗(yàn)證，提高到五個(gè)測(cè)試條件波形驗(yàn)證級(jí)別，以及保證適當(dāng)?shù)某潆娧舆t時(shí)間——所有這些措施顯著降低了不同實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果差異，改善了站點(diǎn)間的可重復(fù)性。這對(duì)確保向制造業(yè)提供一致的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。電子行業(yè)接受JS-002標(biāo)準(zhǔn)之后，將有能力更好地應(yīng)對(duì)前方的ESD控制挑戰(zhàn)。