隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，集成電路（IC）在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。然而，在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中，靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）對(duì)芯片可靠性和性能的影響不可忽視。ESD可能導(dǎo)致芯片功能失效、性能下降，甚至造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。因此，深入了解芯片ESD測(cè)試的原理、方法和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要。
ESD的概念及其對(duì)芯片的影響
靜電放電（ESD）是指帶電物體之間由于電位差產(chǎn)生的電荷快速轉(zhuǎn)移過(guò)程。在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，ESD現(xiàn)象無(wú)處不在，例如人們?cè)谛凶?、接觸物體或操作電子設(shè)備時(shí)，都可能產(chǎn)生靜電放電。
ESD對(duì)芯片的影響主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
- 電場(chǎng)破壞：強(qiáng)大的靜電電場(chǎng)可能擊穿芯片內(nèi)部的絕緣層或PN結(jié)，導(dǎo)致器件失效。
- 熱破壞：瞬間的大電流會(huì)在芯片內(nèi)部產(chǎn)生高溫，造成半導(dǎo)體器件的熱損傷。
- 性能下降：即使未導(dǎo)致立即失效，ESD也可能引起器件性能的退化，縮短其使用壽命。
實(shí)例分析：
在典型的工作環(huán)境中，人體電容約為150pF。如果人體感應(yīng)的電荷量達(dá)到0.6μC，那么靜電電壓可高達(dá)4kV，此時(shí)人體所攜帶的靜電能量約為1.2毫焦耳。當(dāng)帶電人體接觸到集成電路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的靜電放電過(guò)程，雖然持續(xù)時(shí)間極短（通常為10ns~100ns），但瞬間電流可達(dá)1A~10A。這種強(qiáng)烈的放電足以對(duì)半導(dǎo)體器件造成嚴(yán)重的熱破壞，導(dǎo)致芯片功能失效。因此，人體靜電放電是引起半導(dǎo)體器件ESD損傷的主要原因之一。
芯片ESD測(cè)試的分類(lèi)
為評(píng)估和提高芯片抵抗ESD的能力，業(yè)界制定了多種ESD測(cè)試方法。總體而言，ESD測(cè)試可分為以下兩大類(lèi)：
1. 芯片級(jí)ESD測(cè)試：針對(duì)單個(gè)芯片或器件，評(píng)估其在生產(chǎn)、運(yùn)輸和裝配過(guò)程中抵抗靜電放電的能力。
2. 板級(jí)ESD測(cè)試：針對(duì)已組裝的電路板，評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)際使用環(huán)境中抵抗靜電放電的能力。
常見(jiàn)的芯片ESD測(cè)試模型及標(biāo)準(zhǔn)
芯片級(jí)ESD測(cè)試主要通過(guò)模擬實(shí)際環(huán)境中可能發(fā)生的靜電放電情況，評(píng)估芯片的抗ESD能力。常見(jiàn)的測(cè)試模型包括人體放電模型（HBM）、機(jī)器放電模型（MM）和器件充電模型（CDM）。
1. 人體放電模型（HBM, Human Body Model）
概念：
HBM模擬的是人體在接觸電子元件時(shí)可能產(chǎn)生的靜電放電情況。該模型假設(shè)人體攜帶一定量的靜電，通過(guò)與芯片接觸，電荷通過(guò)芯片放電。
測(cè)試方法：
- 在測(cè)試中，使用一個(gè)具有特定電容（通常為100pF）和電阻（通常為1.5kΩ）的電路模擬人體。
- 將預(yù)先充電到設(shè)定電壓的電容通過(guò)電阻與待測(cè)芯片連接，模擬靜電放電過(guò)程。
- 測(cè)試電壓范圍通常從2kV到16kV，根據(jù)芯片的應(yīng)用場(chǎng)景和要求選擇合適的測(cè)試電壓。
常用標(biāo)準(zhǔn)：
- MIL-STD-883C Method 3015.7
- EIA/JESD22-A114-A
意義：
HBM測(cè)試評(píng)估芯片在日常處理和操作過(guò)程中抵抗人體靜電放電的能力，確保其在實(shí)際使用中的可靠性。
2. 機(jī)器放電模型（MM, Machine Model）
概念：
MM模擬的是機(jī)器設(shè)備（如自動(dòng)化生產(chǎn)線上的機(jī)器人）在操作過(guò)程中產(chǎn)生的靜電放電情況。由于機(jī)器的導(dǎo)電性更強(qiáng)，產(chǎn)生的放電電流和能量更大。
測(cè)試方法：
- 使用一個(gè)具有特定電容（通常為200pF）且近似零電阻的電路模擬機(jī)器。
- 將預(yù)先充電到設(shè)定電壓的電容直接與待測(cè)芯片連接，模擬瞬間的大電流放電過(guò)程。
- 由于電阻接近零，放電時(shí)間極短，但電流峰值較高，可能對(duì)芯片造成更嚴(yán)重的沖擊。
常用標(biāo)準(zhǔn)：
- EIAJ-IC-121 Method 20
- EIA/JESD22-A115-A
意義：
MM測(cè)試評(píng)估芯片在生產(chǎn)和裝配過(guò)程中抵抗機(jī)器靜電放電的能力，確保生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品質(zhì)量和良率。
3. 器件充電模型（CDM, Charge Device Model）
概念：
CDM模擬的是芯片自身在生產(chǎn)、運(yùn)輸或裝配過(guò)程中由于摩擦等原因積累靜電，然后在接觸接地物體時(shí)發(fā)生放電的情況。
測(cè)試方法：
- 讓待測(cè)芯片自身帶電，積累一定的靜電電荷。
- 然后使芯片的某個(gè)引腳接觸接地物體，觀察放電過(guò)程。
- 放電時(shí)間極短，通常在幾納秒內(nèi)完成，但電流峰值極高。
常用標(biāo)準(zhǔn)：
- ANSI/ESDA/JEDEC JS-002-2018
- AEC-Q100-011-REV-D-2019
- JEITA ED-4701_302_304C-2013
意義：
CDM測(cè)試評(píng)估芯片在自身帶電情況下抵抗靜電放電的能力，尤其關(guān)注高速生產(chǎn)線和自動(dòng)化裝配過(guò)程中的ESD風(fēng)險(xiǎn)。
ESD故障的判斷方法
在完成ESD測(cè)試后，需要評(píng)估芯片是否受到損壞或性能退化。常見(jiàn)的ESD故障判斷方法包括：
1. 絕對(duì)漏電流測(cè)量
方法：
- 測(cè)量芯片各個(gè)輸入/輸出引腳的漏電流值。
- 若漏電流超過(guò)1μA（或根據(jù)具體標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定為10μA），則判定芯片已受損。
- 測(cè)量時(shí)所加偏壓可根據(jù)需求設(shè)定，一般為5.5V（VDD×1.1）或7V（VDD×1.4）。
意義：
漏電流的增加通常表明芯片內(nèi)部的絕緣層或PN結(jié)已被破壞，影響正常功能。
2. 相對(duì)I-V曲線漂移
方法：
- 測(cè)試ESD前后，從芯片的輸入/輸出引腳觀察其電流-電壓（I-V）特性曲線。
- 若I-V曲線漂移超過(guò)20%~40%，則可判定芯片性能受到影響。
意義：
I-V曲線的變化反映了芯片電特性的改變，可用于檢測(cè)細(xì)微的性能退化。
3. 功能觀測(cè)法
方法：
- 在ESD測(cè)試后，檢測(cè)芯片的各項(xiàng)功能是否正常，是否符合預(yù)定的規(guī)格和參數(shù)。
- 通過(guò)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，觀察芯片在不同工作條件下的表現(xiàn)。
意義：
功能測(cè)試直接反映芯片的實(shí)際工作狀態(tài)，能夠全面評(píng)估ESD對(duì)芯片功能的影響。
注意事項(xiàng)：
不同的故障判斷方法可能會(huì)導(dǎo)致對(duì)同一芯片得出不同的ESD耐受結(jié)論。因此，在報(bào)告ESD測(cè)試結(jié)果時(shí)，需明確說(shuō)明所采用的故障判定準(zhǔn)則和條件，以確保結(jié)果的準(zhǔn)確性和可比性。
第三方芯片ESD測(cè)試機(jī)構(gòu)
ESD測(cè)試在芯片設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和質(zhì)量控制過(guò)程中具有不可或缺的重要性。通過(guò)全面而嚴(yán)格的ESD測(cè)試，可以有效評(píng)估和提高芯片抵抗靜電放電的能力，確保電子產(chǎn)品在各種環(huán)境和使用條件下的可靠性和穩(wěn)定性。
江蘇粵科檢測(cè)是專(zhuān)業(yè)第三方電子元器件檢測(cè)機(jī)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)室具備ESD靜電放電測(cè)試能力，可提供第三方芯片ESD測(cè)試、二次篩選、失效分析等可靠性驗(yàn)證服務(wù)。
在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)芯片的用途和應(yīng)用環(huán)境，選擇合適的ESD測(cè)試模型和標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合多種故障判斷方法，全面評(píng)估芯片的抗ESD性能。同時(shí)，在生產(chǎn)和使用過(guò)程中，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)腅SD防護(hù)措施，如佩戴防靜電手環(huán)、使用防靜電包裝等，進(jìn)一步降低靜電放電對(duì)芯片的潛在危害。
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