新ANSI/ESDA/JEDEC JS-002 CDM測試標(biāo)準(zhǔn)概覽

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)境下的器件處理過程中，IC的ESD損害的最大原因是來自充電器件事件，這一點(diǎn)已廣為人知。

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(kuò)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(jì)人員而言，實(shí)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(qiáng)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(jì)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(diǎn)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(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(yàn)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(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(shí)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(yàn)證

? 禁止在放電路徑中使用鐵氧體

測量選擇

? 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(yàn)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(yàn)證模塊的區(qū)別。ESDA標(biāo)準(zhǔn)提供兩個電介質(zhì)厚度選項(xiàng)，并結(jié)合驗(yàn)證模塊(第二個選項(xiàng)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(yàn)證模塊/FR4電介質(zhì)代表一個單一小/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(diǎn)。

圖5.大JEDEC驗(yàn)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(yàn)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(shí)驗(yàn)室測試站點(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。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(測試條件)電壓的因素

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(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(yàn)證數(shù)據(jù)實(shí)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(yàn)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(shí)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(diǎn)(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(diǎn)/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(jì)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(jī)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(yàn)證，提高到五個測試條件波形驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的測試結(jié)果差異，改善了站點(diǎn)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)。