HBM、MM和CDM測(cè)試的基礎(chǔ)知識(shí)

有許多已建立的模型可以針對(duì) ESD 事件測(cè)試半導(dǎo)體器件的可靠性，以確保有效性和可靠性。主要的 ESD 測(cè)試是人體模型 （HBM）、機(jī)器模型 （MM） 和充電設(shè)備模型 （CDM）（圖 1）。

圖 1. HBM、MM 和 CDM 測(cè)試的 ESD 模型。

JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)確保 ESD 測(cè)試的有效性和可靠性。這三個(gè)測(cè)試的測(cè)試配置（圖 1）有五個(gè)元素：V ESD、C、SW、R 和 L。輸入 V ESD電壓在開關(guān) （SW） 閉合之前對(duì)電容器 C 充電。隨著 SW 的閉合，ESD 夾具的輸出阻抗（R 和 L）發(fā)送 V ESD信號(hào)，該信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流（I ESD）進(jìn)入被測(cè)設(shè)備（DUT）。現(xiàn)在 ESD 電流流過 DUT 的 ESD 二極管；D ESD+和 D ESD-。如果其中一個(gè)或兩個(gè) ESD 二極管失效或丟失，則電流（I ESD） 將從該 ESD 事件中找到另一條路徑，該路徑多次災(zāi)難性地進(jìn)一步進(jìn)入 DUT 電路。

等式 1 表示圖 1 測(cè)試電路的數(shù)學(xué)傳遞函數(shù)。

方程。1

此配置導(dǎo)致在信號(hào)引腳接合處發(fā)生瞬時(shí) ESD 事件，以模擬三個(gè) ESD 測(cè)試信號(hào)事件之一。DUT 信號(hào)引腳是輸入或輸出設(shè)備引腳。對(duì)于這三個(gè) ESD 測(cè)試，V ESD、C、R 和 L 分量的值會(huì)有所不同，以完成實(shí)際的 ESD 事件（表 1）。

表 1. HBM、MM、CDM 的 ESD 事件

在表 1 中，這三個(gè)模型歸結(jié)為串聯(lián) RLC 電路和脈沖發(fā)生器，但電路值和脈沖特性因模型而異。然而，所有三個(gè)測(cè)試都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)短的、定義明確的 ESD 脈沖，從而導(dǎo)致電流 （I ESD ） 水平與實(shí)際 ESD 事件期間所經(jīng)歷的水平相當(dāng)。

人體模型 （HBM） 表征電子設(shè)備對(duì)靜電放電 （ESD） 損壞的敏感性。人體模型是模擬人體從手指通過被測(cè)設(shè)備 （DUT） 到接地的 ESD 路徑的模型。ESD 電源電壓 （V ESD ） 為測(cè)試電路中的電容器充電。標(biāo)準(zhǔn) HBM 測(cè)試包括 ±2 kV 的電源電壓、1 至 10 MΩ 的高值電阻和 100 pF 的電容。

機(jī)器模型 （MM） 的目的是創(chuàng)建更嚴(yán)格的 HBM 測(cè)試。充電電容 （C） 故意較大 （200 pF），充電源電阻值非常低；0至10Ω。這種低阻值電阻允許 ESD 源提供比 HBM 模型更高的電流。盡管此模型的目的是描述與最終用戶電子組件相關(guān)的機(jī)器 ESD 事件，但它并不旨在體現(xiàn)半導(dǎo)體最終測(cè)試和處理中使用的處理程序。

充電設(shè)備模型 （CDM） 可以作為一次性普遍應(yīng)用的 MM 的替代測(cè)試。此 CDM 測(cè)試模擬 IC 封裝或制造設(shè)備在通過最終生產(chǎn)操作處理設(shè)備時(shí)積累的電荷。在制造過程中，設(shè)備處理設(shè)備內(nèi)存在產(chǎn)生靜電的機(jī)會(huì)。這是 IC 設(shè)備滑下防靜電管或測(cè)試處理器的地方，這些設(shè)備會(huì)產(chǎn)生電荷。

注入 DUT的電流 （I ESD ） 會(huì)產(chǎn)生熱量。產(chǎn)生熱量的大小取決于峰值 ESD 脈沖電壓、電容和 DUT 電阻。在 HBM 測(cè)試中，IC 故障模式通常表現(xiàn)為柵極氧化物、接觸尖峰和結(jié)損壞。

ESD測(cè)試比較

這三個(gè)測(cè)試的相似上升時(shí)間約為 10 ns，但 HBM 和 MM 測(cè)試的總持續(xù)時(shí)間超過 CDM 模型約 200 ns（圖 2）。

圖 2. CDM、MM 和 HBM ESD 電流與時(shí)間測(cè)試。

圖 2 顯示了HBM、MM 和 CDM ESD 測(cè)試的電流 （I ESD ） 波形特性。通常，HBM ESD 測(cè)試的應(yīng)力水平大約是 MM ESD 測(cè)試條件的 10 倍。此外，HBM 測(cè)試的保護(hù)電壓電平通常為 2 kV，而 MM 測(cè)試為 200 V，CDM 測(cè)試為 500 V。CDM、HBM 或 MM 之間沒有相關(guān)性。因此，HBM和CDM測(cè)試通常用于ESD保護(hù)電路測(cè)試。較長(zhǎng)的 I ESD持續(xù)時(shí)間導(dǎo)致片上 ESD 結(jié)構(gòu)的過熱增加。HBM 和 MM 測(cè)試失敗通常出現(xiàn)在柵極氧化層或結(jié)損壞。

表 2、3 和 4 顯示了 HBM、CDM 和 MM ESD 抗擾度分類。

表 2. HBM 的 ESD 抗擾度分類

表 3. CDM 的 ESD 抗擾度分類

表 4. MM 的 ESD 抗擾度分類

審核編輯：郭婷