半導(dǎo)體器件都包括ESD保護電路。但是要確保按照J(rèn)EDEC標(biāo)準(zhǔn)的有效性和可靠性要求，必須進行ESD測試以使零件合格。器件ESD測試共有三種主要測試模型：人體模型（HBM），充電設(shè)備模型（CDM）和機器模型（MM）。靜電放電（ESD）和靜電過應(yīng)力（EOS）事件可能發(fā)生在任何地方，例如制造和裝配過程區(qū)域，生產(chǎn)測試環(huán)境，運輸和現(xiàn)場應(yīng)用。

EOS和ESD可能是由于瞬態(tài)，過大的電源電流，不良的接地，電源電壓與地之間的電阻路徑低，引腳短路以及電路內(nèi)部損壞而引起的。如果暴露在超出數(shù)據(jù)手冊規(guī)格的條件下，IC最終可能會發(fā)生故障。在數(shù)據(jù)表規(guī)格范圍內(nèi)操作時，EOS損壞不會由組件的內(nèi)部條件引起，因此，如果存在異常情況，則會發(fā)生EOS損壞。由于接地不當(dāng)，測試和處理設(shè)備會積累靜電荷，當(dāng)靜電荷接觸時，靜電荷會通過IC傳輸。

ESD

HBM模擬由于人體放電而產(chǎn)生的ESD。人們被認(rèn)為是ESD的主要來源，而HBM是描述ESD事件的常用模型。CDM模擬帶電設(shè)備與導(dǎo)電材料接觸時的放電。MM表示從物體到組件的放電。對象可以是任何工具或生產(chǎn)設(shè)備。

人體模型

當(dāng)人們走路時，它們會產(chǎn)生一些電能并將其排放到地面。每一步都建立起可以用以下方式表示的費用：ΔV/Δt= nΔq/ C

其中n是步數(shù)/秒，C是人的電容?？紤]在絕緣地板上的典型情況，其每人步長的ΔV增加300 V，并在10秒內(nèi)達到約3 kV。（注意：會發(fā)生一些電荷泄漏。）對于HBM測試，有一個簡單的串聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)可模擬人體放電。1MΩ電阻用于為100 pF電容器充電。使用1.5kΩ電阻進行放電。HBM事件最具破壞性，上升時間快。因此，需要快速上升時間脈沖來更精確地模擬HBM放電事件。

放電電流i（t）定義為：

i（t）= i?0 exp（–t /τ）

i?0 = V?HBM /（R?DUT + R）

和：t = C（R + R?DUT）

R = 1.5kΩ

被測設(shè)備（DUT）的功耗為：P（t）= i?2（t）R?DUT

傳遞給DUT的總能量為：

雷卯電子小編認(rèn)為以上公式太燒腦，搞清楚原理即可。產(chǎn)生的熱量取決于電容，DUT電阻和ESD脈沖的峰值電壓。在HBM測試中，IC故障模式通常會顯示柵極氧化層，接觸尖峰和結(jié)損壞。圖1顯示了測試設(shè)置和電流波形特性。通過1MΩ電阻和100 pF電容器串聯(lián)施加高壓。電容器充滿電后，通過1.5kΩ電阻放電至DUT引腳。

圖1 ESD-HBM測試設(shè)置（左）根據(jù)放電事件生成波形（右）。

充電設(shè)備模型

CDM模擬無法通過HBM測試模擬的設(shè)備損壞。它可以模擬通過摩擦電效應(yīng)直接充電的設(shè)備，也可以通過存儲在人體中并在外部環(huán)境中放電的靜電感應(yīng)和靜電荷間接地充電。

此測試用于模擬制造環(huán)境中發(fā)生的情況，例如機械設(shè)備處理（其中設(shè)備從運輸管中滑落）或測試處理程序，這些處理程序會累積電荷，然后將其放電到地面。圖2顯示了CDM ESD測試和典型的電流波形特性。當(dāng)外部接地接觸被充電設(shè)備的DUT引腳時，存儲的電荷將從設(shè)備釋放到外部接地。在CDM測試中，設(shè)備應(yīng)背對著測試夾具朝上放置。

圖2 ESD-CDM測試設(shè)置（頂部）從放電事件生成波形（底部）。

CDM電流高于HBM電流，因為路徑中沒有限流電阻來限制放電。對于500 V測試電壓，電流波形上升時間通常約為400 ps，峰值電流約為6 A，持續(xù)1.5至2 ns。對于1000V測試電壓，峰值電流大小約為12A。

機器模型

MM也稱為0-Ω模型，旨在模擬通過設(shè)備放電到地面的機器。MM測試中的失敗模式與HBM測試中的失敗模式相似。在測試設(shè)置中，與電阻器串聯(lián)的高壓（HV）電源為電容器充電。開關(guān)用于將其從高壓電源中移除，并將其連接至電感器以進行放電。電感器產(chǎn)生振蕩電流波形。MM使用與HBM相同的基本測試電路，不同之處在于R = 0Ω和C = 200 pF （圖3）。一個200 pF的電容器代表一個導(dǎo)電物體，例如金屬處理機，與一個1MΩ的電阻器一起使用進行充電。使用0.5μH的電感進行放電。MM測試不如HBM測試更常用。MM電流特性波形由正弦和負(fù)弦正弦波組成，并呈指數(shù)衰減。

圖3 ESD-MM測試設(shè)置（左）根據(jù)放電事件生成波形（右）。

模型比較

HBM和MM的相似的上升時間（即?10 ns）和總持續(xù)時間會導(dǎo)致可比的焦耳熱，從而導(dǎo)致兩個模型的相似失效機理。MM測試的失效特征和放電過程通常與HBM測試的失效特征和放電過程相同。因此，HBM測試可以保證MM ESD魯棒性。

通常，MM ESD的應(yīng)力水平大約比HBM ESD的應(yīng)力水平低10倍。同樣，HBM的保護電壓水平通常為?2 kV，而MM的保護電壓水平為?200 V，CDM的保護電壓水平為?500V。CDM與HBM和MM完全不同，因此它們之間沒有相關(guān)性。因此，CDM和HBM測試通常用于測試ESD保護電路。圖4顯示了HBM，MM和CDM的電流波形特性。CDM波形對應(yīng)于已知的最短ESD事件，其上升時間為400 ps，總持續(xù)時間約為2 ns。

圖4. HBM，CDM和MM的電流波形顯示出明顯差異。

器件的ESD靈敏度可以定義為它通過的最高ESD測試電壓和失敗的最低ESD測試電壓。每個模型都有其自己的分類，用于根據(jù)設(shè)備的ESD敏感性對設(shè)備進行分類。從電路防護的角度來講，首先半導(dǎo)體本身要設(shè)計足夠的ESD電路保證自身在生產(chǎn)制造，包裝運輸，貼片焊接過程中的生命完整。雷卯電子也為芯片設(shè)計公司提供ESD電路IP 服務(wù)，讓您的半導(dǎo)體器件更強壯。

fqj