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    芯片测试之ESD详解

    时间:2021-05-08 13:51来源:www.www.larfn.com 作者:ictest8 点击:

    在芯片测试过程中,ESD是一项非常关键的指标来表征芯片的可靠性。ESD在生活中随处可见,但在芯片测试中,将其归于几种模型,在保证其可靠性的同时,方便测试。

    ESD测试归于两个大类,一种是芯片级ESD,另外一种是板级ESD。

    先说芯片级ESD,我们日常使用芯片时,时不时会用手拿芯片,或者用镊子拿芯片,都会有或多或少的ESD。很多人说,不能用手拿,需要带静电手套。其实在我们平常的环境或者实验室环境是没有那么高的ESD的,这一块儿其实还好,通常的芯片是扛得住的,而在生产线上的ESD可能会比较高,注重良率的地方,会比较强调带静电手环,静电手套等。

    我们先说第一个芯片级ESD模式,HBM,这个模型建立是模拟人手触碰芯片,人体等效电阻为1.5K,等效电容约为100pF。如下图所示:

    HBM等效电路

    HBM的电流波形如下图所示,可以看到,HBM主要的持续时间大概为150ns。

    HBM电流波形

    第二个芯片级的模型为CDM模型,主要是芯片引脚摩擦积累的静电,然后用镊子等导电器件接触而产生的ESD。等效电容约为6.8pF,等效电阻约为几十欧姆。

    CDM 等效电路

    电流上升波形

    通过电流上升波形可以看到,CDM的波形上升速度很快,峰值很高,不过持续时间短。

    第三个芯片级的ESD模型为MM,这个是为了模拟产线上机器手臂上积累的静电,然后接触芯片放电,事实上,现在的技术水平的提高,这一块的影响已经很小了,因此,芯片设计中,MM的模型考量比较小,通常ESD只需要看HBM和CDM的能力即可,不过,我们还是在这儿简单列出来。如下图所示:

    MM等效电路

    MM电流波形图

    从这三个模型的等效电路图,我们可以基本判断,相同电压下ESD的能量大小为:MM>CDM>HBM。

    我们接着说ESD的另外一个大类,板级ESD,即IEC标准的ESD,这个ESD模型为了模拟系统板级,尤其是接口类产品的ESD。等效电阻为330ohm,等效电容为150pF,等效电路如下:

    IEC ESD的等效电路图

    IEC ESD的电流波形

    这几种ESD的模型,其实只要大概知道ESD的等效电路,基本上,能量等级,我们心里有个大概的数了,本时考虑这方面的问题,也足够用了,当然,不包括芯片设计人员,芯片设计人员这一块要懂得更多,各个ESD模型的上升,幅值,能量都要有个清晰的认知,这样设计出来的芯片才能更加可靠。

    而表征芯片设计时的ESD性能有没有办法测试呢?当然是有的,我们接下来大概描述一下TLP测试,这个测试就是用来测试芯片ESD工作特性的。

    TLP,Transmission Line Plus,其实就是测试芯片引脚的IV特性,不过不是测试引脚DC电压下的电流,而是给芯片引脚一个脉冲,脉宽约为100ns,上升时间约为10ns(与HBM能量一致,之后TLP又有了5ns脉宽的规格,用来模拟CDM的工作特性)。用下面一张图就可以很好地理解TLP的原理,左边波形就是测量普通的IV曲线的图,右边的波形图是用TLP测试出来的波形图。

    TLP和普通IV的区别

    芯片IC测试专栏—ESD与TLP

    TLP结果

    通常芯片引脚会表现为上图所示结果,第一段波形为接近开路,第二段回折,表示ESD管导通,第三段为ESD导通之后表现为阻性,第四段为ESD管二次雪崩,其中第三段和第四段之间的转折点为ESD的最大能力,第一段与第二段为启动ESD管的电压,第二段和第三段为ESD的回折电压点。这些都与ESD息息相关。

    通过TLP测试出来的这些信息,就是芯片设计的相关参数,进而确定芯片是否与设计值相符。

    对于ESD的简单介绍就到这儿,我大概列一下各个ESD模型的经验对比值:

    TLP的IT2*1500ohm = HBM值

    MM*(9~10)=HBM

    IEC + (1.3K~2K)=HBM

    上述的转换公式只是经验值,具体各个模型下芯片的表现,还需要特定情况特定对待。希望可以帮到大家,如果大家有相关经验,也欢迎大家留言讨论。

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