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

發(fā)布時(shí)間:2021-02-09 來源:Alan Righter、Brett Carn及EOS/ESD協(xié)會 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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。1
 
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(gè)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(gè)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。
 
新ANSI、ESDA、JEDEC JS-002 CDM測試標(biāo)準(zhǔn)概覽
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。
 
新ANSI、ESDA、JEDEC JS-002 CDM測試標(biāo)準(zhǔn)概覽
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(gè)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。現(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(shí)候都更重要。這種準(zhǔn)備的一個(gè)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(gè)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(jià)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(gè)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(gè)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(shí)看到的振鈴現(xiàn)象不再存在。
 
新ANSI/ESDA/JEDEC JS-002 CDM測試標(biāo)準(zhǔn)概覽
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(gè)電介質(zhì)厚度選項(xiàng),并結(jié)合驗(yàn)證模塊(第二個(gè)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(gè)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。
 
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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)。
 
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圖5.大JEDEC驗(yàn)證模塊在500 V JEDEC時(shí)與JS-002 TC500在1 GHz時(shí)的CDM波形
 
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圖6.大JEDEC驗(yàn)證模塊在500 V JEDEC時(shí)與JS-002 TC500在6 GHz時(shí)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9
 
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 測試儀CDM電壓設(shè)置
 
CDM JWG同時(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間也不會使它改變)時(shí),說明達(dá)到了適當(dāng)?shù)某潆娧舆t時(shí)間,如圖7所示。確定此延遲時(shí)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。
 
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圖7.峰值電流與充電時(shí)間延遲關(guān)系圖示例,顯示了飽和點(diǎn)/充電時(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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)。
 
參考文獻(xiàn)
 
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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(jì)/產(chǎn)品工程團(tuán)隊(duì)一起負(fù)責(zé)整個(gè)芯片的ESD規(guī)劃/設(shè)計(jì)、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(jì)、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(shí)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(kuò)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(jì)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(shí)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(gè)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(shí)施ESD保護(hù)理論和實(shí)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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