技術(shù)干貨 | 集成電路如何應(yīng)對(duì)人體靜電沖擊？HBM測(cè)試告訴你！

ESD（Electro-Static discharge）意為靜止電荷放電。靜止電荷簡(jiǎn)稱靜電，作為一種客觀自然的現(xiàn)象，表現(xiàn)為電子的過多或不足。當(dāng)靜電荷積聚在某一物體上時(shí)，該物體的分子會(huì)處于電失衡狀態(tài)。在兩個(gè)平面之間或者一個(gè)平面與地之間，帶有多余電子的表面呈現(xiàn)負(fù)電性，而電子缺失的表面則呈現(xiàn)正電性。靜電放電則是這些電荷在不同靜電勢(shì)的物體或表面之間轉(zhuǎn)移的過程。

靜電的特點(diǎn)在于其高電壓、低電量、小電流以及作用時(shí)間短。盡管對(duì)人體可能只造成輕微沖擊，但對(duì)于微電子元件而言卻是致命的。在IC行業(yè)中，ESD是主要的可靠性威脅之一，是導(dǎo)致約三分之一IC失效的原因。

靜電產(chǎn)生的常見原因包括接觸、剝離、摩擦和感應(yīng)，其中摩擦生電是最典型且常見的現(xiàn)象。靜電可能來源于人體，也可能來自儀器設(shè)備或電子元器件本身。根據(jù)靜電源頭的不同，ESD測(cè)試可分為人體模型（HBM）、機(jī)器模型（MM）和充電器件模型（CDM）。其中，人體是最重要的靜電來源，因此HBM模擬測(cè)試在ESD防護(hù)設(shè)計(jì)中尤為重要。

不同情形下的靜電電壓等級(jí)示例

HBM模型的提出

人體模型（Human Body Model，簡(jiǎn)稱HBM）是ESD防護(hù)研究中建立最早且最主要的模型之一。當(dāng)人體因摩擦等原因積聚靜電荷后，若與集成電路的某些引腳接觸，同時(shí)集成電路的另一部分引腳接觸到地面，人體上的靜電荷便會(huì)通過集成電路流入大地。

人體能夠儲(chǔ)存一定量的電荷，因此具有明顯的電容特性。同時(shí)，人體也具備一定的電阻，這取決于人體的肌肉彈性、水分含量以及接觸電阻等因素。大部分研究人員認(rèn)為電容器串聯(lián)一個(gè)電阻是較為合理的電氣模型。

早在1962年，美國國家礦務(wù)局進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，測(cè)得人體電容范圍在95～398PF之間，平均電容值為240PF。同時(shí)，手與手之間的平均電阻測(cè)得為4000Ω。這些數(shù)據(jù)為建立人體模型提供了寶貴的依據(jù)，經(jīng)過一些修正后，被用于電子工業(yè)中早期的模擬電路設(shè)計(jì)。

后續(xù)研究中，Kirk等人進(jìn)一步測(cè)得人體電容值的范圍為132－190PF，而人體電阻值則在87－190Ω之間。為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，美國海軍在1980年提出了一個(gè)被廣泛接受的人體模型參數(shù)，即電容值為100PF，電阻為1.5kΩ的“標(biāo)準(zhǔn)人體模型”。這一模型為后續(xù)的ESD防護(hù)研究和測(cè)試提供了重要的參考依據(jù)。

HBM模擬測(cè)試的等效電路原理圖

以下是HBM標(biāo)準(zhǔn)中描述的HBM模擬器的等效電路圖。在這個(gè)等效電路圖中，Terminal A作為靜電測(cè)試端，負(fù)責(zé)模擬人體帶有的靜電荷，并與待測(cè)設(shè)備進(jìn)行接觸。而Terminal B則作為接地端，用于模擬集成電路的另一部分引腳與地面接觸的情況。

此外，等效電路圖中還包括了短路負(fù)載（Short）和500歐姆電阻器（R4）。這兩個(gè)元件是根據(jù)JS 001標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，用于評(píng)估設(shè)備放電波形所要求的負(fù)載。

常用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及其對(duì)應(yīng)的測(cè)試條件

HBM測(cè)試的靜電放電組合

測(cè)試放電組合可以選擇標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的table 2A或table 2B中的任意組合，但實(shí)踐中更常選擇table 2B的組合方案進(jìn)行測(cè)試。如下圖是table 2B的測(cè)試方案，即測(cè)試No.1: supply pin Group 1~No.N: supply pin Group N和No.N+1: non-supply pin group組合。

其中需要注意以下事項(xiàng)：首先，如果兩個(gè)電源引腳是通過die內(nèi)金屬互連，或通過封裝打線短接，那么這兩個(gè)引腳則可以劃分為同一個(gè)電源引腳組別，但必須嚴(yán)格確認(rèn)這兩個(gè)引腳之間的電阻值是否小于或等于3歐姆，如果測(cè)量結(jié)果顯示電阻值大于3歐姆，那么這兩個(gè)引腳應(yīng)當(dāng)作為獨(dú)立的電源引腳分別進(jìn)行測(cè)試，以防止ESD保護(hù)較為薄弱的點(diǎn)被忽視。

其次，對(duì)于非電源引腳組別來說，如果在這一組別內(nèi)的引腳之間存在封裝打線短接或die內(nèi)金屬互連，并且這些連接的阻值小于1歐姆，那么在實(shí)際測(cè)試時(shí)，可以選擇其中的一個(gè)引腳作為代表進(jìn)行測(cè)試。而與之相連的其他引腳則無需參與測(cè)試，但在整個(gè)測(cè)試過程中需要保持浮接狀態(tài)（JS 001）。

測(cè)試結(jié)果的判定

實(shí)驗(yàn)室通常以IV曲線的偏移作為判定測(cè)試是否pass或fail的標(biāo)準(zhǔn)。具體來說，SGS選擇以±15%的偏移量作為參考范圍，且標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，在ESD測(cè)試前后都需要對(duì)引腳的功能進(jìn)行確認(rèn)。因此，在進(jìn)行ESD測(cè)試前，建議客戶首先量測(cè)引腳的功能以確保其處于正常狀態(tài)，完成ESD測(cè)試后，再次量測(cè)引腳的功能。

由于每個(gè)器件的引腳在ESD能力上存在差異，標(biāo)準(zhǔn)要求在進(jìn)行ESD測(cè)試時(shí)，必須依據(jù)器件中結(jié)果最差的引腳來確定整個(gè)器件所能通過的電壓水平，測(cè)試結(jié)果還需按照以下等級(jí)分類表格進(jìn)行分級(jí)（JS 001）：

影響測(cè)試結(jié)果判定的幾種效應(yīng)

1. 靜電累積效應(yīng)
新型的機(jī)臺(tái)MK2和MK4基本都配備了測(cè)試后釋放靜電(discharge pins after zap)的選項(xiàng)，并且在每次測(cè)量IV曲線時(shí)也能起到釋放靜電的作用，但這些措施并不能完全保證將socket或測(cè)試板上的所有靜電完全釋放。如果待測(cè)器件對(duì)靜電累積的影響較為敏感，那么靜電的累積可能會(huì)對(duì)其性能造成顯著影響。為了應(yīng)對(duì)這一問題，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許對(duì)于每個(gè)不同的電壓或引腳組合，使用全新的樣本組進(jìn)行測(cè)試。這樣的做法旨在消除由于階躍電壓累積效應(yīng)可能帶來的不良影響，從而降低因靜電累積應(yīng)力導(dǎo)致的早期失效風(fēng)險(xiǎn)。

2. 障窗口效應(yīng)（Failure Window）
故障窗口效應(yīng)指的是器件在高電壓和低電壓水平下都能順利通過測(cè)試，但在某個(gè)中間電壓范圍內(nèi)卻會(huì)出現(xiàn)失效的情況。例如，如果一個(gè)器件在500V和2000V的ESD測(cè)試中都表現(xiàn)正常，但在1000V的測(cè)試中卻失效了，那么這個(gè)器件的故障窗口范圍大致在500V至2000V之間，并且該器件的ESD水平應(yīng)被認(rèn)定為500V。針對(duì)這種故障窗口效應(yīng)，我們建議客戶在進(jìn)行ESD測(cè)試時(shí)選擇合適的電壓階躍水平，以避免部分失效情況被忽略。

3. 階躍應(yīng)力硬化效應(yīng)（step-stress-test hardening）
階躍應(yīng)力硬化效應(yīng)指的是：從低電壓水平開始，逐步增加電壓水平并使用相同的樣品組進(jìn)行測(cè)試時(shí)，最終的測(cè)試結(jié)果可能會(huì)高于實(shí)際芯片的耐受水平。
以步進(jìn)電壓測(cè)試為例，雖然器件在測(cè)試中通過了2500V的電壓，但如果每個(gè)電壓水平都使用全新的樣品組進(jìn)行測(cè)試，那么器件可能只能承受2000V的電壓。這說明，在沒有階躍應(yīng)力硬化效應(yīng)的影響下，器件的真實(shí)ESD能力可能遠(yuǎn)低于之前測(cè)試的結(jié)果。因此，應(yīng)以每個(gè)電壓水平使用新的樣品組的測(cè)試結(jié)果為準(zhǔn)。在上述例子中，器件被認(rèn)定只能承受2000V的電壓水平。