充電器件模型路線圖

 

對IC中更高速IO的不斷增長的需求，以及單個封裝中集成更多功能的需要，推動封裝尺寸變大，因而維持JEP1572, 3中討論的推薦目標(biāo)CDM級別將是一個挑戰(zhàn)。還應(yīng)注意，雖然技術(shù)擴展對目標(biāo)級別可能沒有直接影響（至少低至14 nm），但這些高級技術(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IO設(shè)計人員而言，實現(xiàn)當(dāng)前目標(biāo)級別同樣變得很困難。由于不同測試儀的充電電阻不一致，已公布的ESD協(xié)會(ESDA)截止20204年路線圖建議，CDM目標(biāo)級別將需要再次降低，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（版權(quán)所有©2016 EOS/ESD協(xié)會）

 

快速瀏覽圖1不會發(fā)現(xiàn)CDM目標(biāo)級別有明顯變化，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)級別的分布預(yù)期會有重大變化。

 

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）

 

為何討論此變化很重要？它指出了需要采用一致的方法來測試整個電子行業(yè)的CDM，應(yīng)排除多種測試標(biāo)準(zhǔn)所帶來的一些不一致性?，F(xiàn)在，確保制造業(yè)針對ESDA討論的CDM路線圖做好適當(dāng)準(zhǔn)備比以往任何時候都更重要。這種準(zhǔn)備的一個關(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。對一個協(xié)調(diào)一致的CDM標(biāo)準(zhǔn)的需求從來沒有像現(xiàn)在這樣強烈。再加上持續(xù)不斷的技術(shù)進(jìn)步，IO性能也會得到提高。這種對更高IO性能的需要（以及降低引腳電容的需要），迫使IC設(shè)計人員別無選擇，只能降低目標(biāo)級別，進(jìn)而需要更精密的測量（在ANSI/ESDA/JEDEC JS-002中有說明）。

 

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)5、ESDA S5.3.16、AEC Q100-0117和EIAJ ED-4701/300-2標(biāo)準(zhǔn)8。ANSI/ESDA/JEDEC JS-002（充電器件模型、器件級別）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)生了有價值的信息，但多種標(biāo)準(zhǔn)的存在對行業(yè)不是好事。不同方法常常產(chǎn)生不同的通過級別，多種標(biāo)準(zhǔn)的存在要求制造商支持不同的測試方法，而有意義的信息并無增加。因此，以下兩點非常重要：IC充電器件抑制能力的單一測量水平是廣為人知的，以確保CDM ESD設(shè)計策略得到正確實施；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。

 

為了解決這個問題，2009年成立的ESDA和JEDEC CDM聯(lián)合工作小組(JWG)開發(fā)了JS-002。此外，JWG希望根據(jù)引入場感應(yīng)CDM (FICDM)以來所獲得的經(jīng)驗教訓(xùn)對FICDM進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)10。最后，JWG希望盡量減少對電子行業(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)要求購買全新場感應(yīng)CDM測試儀，并且通過/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CDM的理解保持一致。

 

雖然JEDEC和ESDA的測試方法非常相似，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)問題。一些最重要問題列示如下。

 

標(biāo)準(zhǔn)之間的差異

 

●     場板電介質(zhì)厚度

 

●     用于驗證系統(tǒng)的驗證模塊

 

●     示波器帶寬要求

 

●     波形驗證參數(shù)

 

標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)問題

 

●     測量帶寬要求對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)并實現(xiàn)統(tǒng)一，作出了如下硬件和測量選擇。在為期五年的文件編制過程中，工作小組進(jìn)行了大量測量才作出這些決定。

 

硬件選擇

 

●     使用JEDEC電介質(zhì)厚度

 

●     使用JEDEC“硬幣”進(jìn)行波形驗證

 

●     禁止在放電路徑中使用鐵氧體

 

測量選擇

 

●     系統(tǒng)驗證/驗收需要最低6 GHz帶寬的示波器

 

●     例行系統(tǒng)驗證允許使用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壓力級別匹配的測試條件；對于JS-002測試結(jié)果，指的是測試條件(TC)；對于JEDEC和AEC，指的是伏特(V)

 

●     對于JS-002，調(diào)整場板電壓以提供與傳統(tǒng)JEDEC峰值電流要求對應(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，引入了一個新的程序

 

下面說明這些改進(jìn)。

 

JS-002硬件選擇

 

JS-002 CDM硬件平臺代表了ESDA S5.3.1探針組件或測試頭放電探針同JEDEC JESD22-C101驗證模塊和場板電介質(zhì)的結(jié)合。圖3所示為硬件對比。ESDA探針組件的放電路徑中沒有特定鐵氧體。FICDM測試儀制造商認(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時看到的振鈴現(xiàn)象不再存在。

 

圖3.JEDEC和JS-002平臺硬件原理圖

 

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

 

圖4.ESDA和JEDEC驗證模塊比較JS-002使用JEDEC模塊。

 

JS-002測量選擇

 

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說明了這一點。

 

圖5.大JEDEC驗證模塊在500 V JEDEC時與JS-002 TC500在1 GHz時的CDM波形

 

圖6.大JEDEC驗證模塊在500 V JEDEC時與JS-002 TC500在6 GHz時的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，對不同實驗室測試站點的分析表明，高帶寬示波器能提供更好的站點間相關(guān)性。11例行檢查和季度檢查推薦使用高帶寬示波器。年度驗證或更換/修理測試儀硬件之后的驗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（測試條件）電壓的因素9

 

 

 測試儀CDM電壓設(shè)置

 

CDM JWG同時發(fā)現(xiàn)，對于不同測試儀平臺，為了獲得符合先前ESDA和JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)測試波形，實際板電壓設(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)中都沒有說明。JS-002唯一地確定了將第一峰值電流（以及測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對此有詳細(xì)說明。表1顯示了一個包含此特性的驗證數(shù)據(jù)實例。

 

在設(shè)定測試條件下確保超大器件完全充電

 

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

 

因此，工作小組撰寫了詳實的附錄H（“確定適當(dāng)?shù)某潆娧舆t時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間的程序。當(dāng)出現(xiàn)峰值電流飽和點（Ip基本保持穩(wěn)定，設(shè)置更長的延遲時間也不會使它改變）時，說明達(dá)到了適當(dāng)?shù)某潆娧舆t時間，如圖7所示。確定此延遲時間，確保放電之前，超大器件能夠完全充電到設(shè)定的測試條件。

 

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

 

電子行業(yè)逐步采用JS-002

 

對于采用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。對于先前使用JESD22-C101的公司，JEDEC可靠性測試規(guī)范文件JESD47（規(guī)定JEDEC電子元件的所有可靠性測試方法）最近進(jìn)行了更新，要求用JS-002代替JESD22-C101（2016年末）。JEDEC會員公司轉(zhuǎn)換到JS-002的過渡時期現(xiàn)已開始。很多公司（包括ADI和Intel）已經(jīng)對所有新產(chǎn)品利用JS-002標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。

 

國際電工委員會(IEC)最近批準(zhǔn)并更新了其CDM測試標(biāo)準(zhǔn)IS 60749-2812。此標(biāo)準(zhǔn)全盤納入JS-002作為其指定測試標(biāo)準(zhǔn)。

 

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

 

結(jié)語

 

觀察ESDA提供的CDM ESD路線圖，可知在更高IO性能的驅(qū)動下，CDM目標(biāo)級別會繼續(xù)降低。制造業(yè)對器件級CDM ESD耐受電壓的認(rèn)知比以往任何時候都更重要，而來自不同CDM ESD標(biāo)準(zhǔn)的不一致產(chǎn)品CDM結(jié)果是無法傳達(dá)這一訊息的。ANSI/ESDA/JEDEC JS-002有機會成為第一個真正的適用于全行業(yè)的CDM測試標(biāo)準(zhǔn)。消除CDM測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證，提高到五個測試條件波形驗證級別，以及保證適當(dāng)?shù)某潆娧舆t時間——所有這些措施顯著降低了不同實驗室的測試結(jié)果差異，改善了站點間的可重復(fù)性。這對確保向制造業(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)對前方的ESD控制挑戰(zhàn)。

 

參考文獻(xiàn)

 

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10.    Alan W. Righter、Terry Welsher和Marti Ferris。“邁向聯(lián)合ESDA/JEDEC CDM標(biāo)準(zhǔn)：方法、實驗和結(jié)果”。EOS/ESD論文集，2012年9月。

 

11.    Theo Smedes、Michal Polweski、Arjan van IJzerloo、Jean-Luc Lefebvre和Marcel Dekker。“CDM校準(zhǔn)程序的隱患”。EOS/ESD論文集，2010年10月。

 

12.    “IEC IS 60749-28，靜電放電(ESD)靈敏度測試——充電器件模型(CDM) - 器件級別”。國際電工委員會，2017年。

 

Alan Righter

 

Alan [alan.righter@analog.com]是ADI公司位于美國加州圣何塞的企業(yè)ESD部的高級ESD工程師。他與ADI公司全球設(shè)計/產(chǎn)品工程團(tuán)隊一起負(fù)責(zé)整個芯片的ESD規(guī)劃/設(shè)計、ESD測試、ESD故障分析以及內(nèi)部和外部客戶存在的EOS問題。加入ADI之前，Alan在Sandia National Laboratories（位于美國新墨西哥州阿爾伯克基市）工作了13年，參與了IC設(shè)計、測試、產(chǎn)品工程、可靠性測試和故障分析。Alan于1982年和1984年分別獲得亞利桑那州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位和電氣工程碩士學(xué)位，并于1996年獲得新墨西哥大學(xué)博士學(xué)位。2007年，Alan加入了所有的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測試工作組(WG5.x)，同時也是系統(tǒng)和仿真器WG 14的成員。他于2008年被任命為WG 5.3.1（充電裝置模型）的主席，目前擔(dān)任擴展聯(lián)合(ESDA/JEDEC) CDM工作組的ESDA主席，最近完成了新的ESDA/JEDEC聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)JS-002。Alan目前也是ESD協(xié)會的副主席。作為10篇文章的作者/合著者，Alan一直積極參加EOS/ESD研討會，他目前也是ESDA事件總監(jiān)。Alan在ESD目標(biāo)級別行業(yè)理事會中也很活躍。

 

Brett Carn

 

Brett Carn [brett.w.carn@intel.com]于1999年加入英特爾公司，現(xiàn)在是企業(yè)質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)的首席工程師。他一直關(guān)注英特爾器件級別ESD領(lǐng)域。作為首席工程師，Brett主持英特爾ESD理事會，負(fù)責(zé)全球所有英特爾網(wǎng)站的元件級別ESD和閂鎖測試，定義所有內(nèi)部測試規(guī)范，審查所有英特爾ESD設(shè)計規(guī)則，監(jiān)督/定義全球所有英特爾產(chǎn)品的ESD目標(biāo)級別并領(lǐng)導(dǎo)許多產(chǎn)品的后晶片ESD調(diào)試。最近幾年，Brett還一直積極致力于解決EOS挑戰(zhàn)。加入英特爾之前，他在Lattice Semiconductor工作了13年，在20世紀(jì)90年代早期便開始從事ESD相關(guān)工作。從2007年開始，Brett一直是ESD目標(biāo)級別行業(yè)理事會的成員，協(xié)助撰寫了數(shù)本白皮書，同時擔(dān)任四本白皮書的責(zé)任編輯。Brett是ESDA的積極成員，目前也是ESDA董事會的成員之一。Brett也是ESDA教育委員會的成員，負(fù)責(zé)監(jiān)督所有在線培訓(xùn)，目前是技術(shù)和咨詢支持(TAS)委員會的主席以及幾個ESDA工作組的成員。Brett于1986年獲得波特蘭州立大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位。

 

EOS/ESD協(xié)會

 

EOS/ESD協(xié)會是最大的行業(yè)組織，致力于實施ESD保護(hù)理論和實踐，在全球擁有2000多名成員。讀者可通過以下網(wǎng)址了解有關(guān)該協(xié)會及其工作的更多信息：

 

 

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