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文章来源 : 粤科检测 发表时间：2024-09-03 浏览量:
随着电子技术的迅速发展，集成电路（IC）在各个领域的应用日益广泛。然而，在生产、运输和使用过程中，静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）对芯片可靠性和性能的影响不可忽视。ESD可能导致芯片功能失效、性能下降，甚至造成不可逆转的损坏。因此，深入了解芯片ESD测试的原理、方法和标准，对提高电子产品的质量和可靠性至关重要。
静电放电（ESD）是指带电物体之间由于电位差产生的电荷快速转移过程。在日常生活和工业生产中，ESD现象无处不在，例如人们在行走、接触物体或操作电子设备时，都可能产生静电放电。
ESD对芯片的影响主要体现在以下几个方面：
- 电场破坏：强大的静电电场可能击穿芯片内部的绝缘层或PN结，导致器件失效。
- 热破坏：瞬间的大电流会在芯片内部产生高温，造成半导体器件的热损伤。
- 性能下降：即使未导致立即失效，ESD也可能引起器件性能的退化，缩短其使用寿命。
实例分析：
在典型的工作环境中，人体电容约为150pF。如果人体感应的电荷量达到0.6μC，那么静电电压可高达4kV，此时人体所携带的静电能量约为1.2毫焦耳。当带电人体接触到集成电路时，会产生一个强大的静电放电过程，虽然持续时间极短（通常为10ns~100ns），但瞬间电流可达1A~10A。这种强烈的放电足以对半导体器件造成严重的热破坏，导致芯片功能失效。因此，人体静电放电是引起半导体器件ESD损伤的主要原因之一。
为评估和提高芯片抵抗ESD的能力，业界制定了多种ESD测试方法。总体而言，ESD测试可分为以下两大类：
1. 芯片级ESD测试：针对单个芯片或器件，评估其在生产、运输和装配过程中抵抗静电放电的能力。
2. 板级ESD测试：针对已组装的电路板，评估整个系统在实际使用环境中抵抗静电放电的能力。
芯片级ESD测试主要通过模拟实际环境中可能发生的静电放电情况，评估芯片的抗ESD能力。常见的测试模型包括人体放电模型（HBM）、机器放电模型（MM）和器件充电模型（CDM）。
1. 人体放电模型（HBM, Human Body Model）
概念：
HBM模拟的是人体在接触电子元件时可能产生的静电放电情况。该模型假设人体携带一定量的静电，通过与芯片接触，电荷通过芯片放电。
测试方法：
- 在测试中，使用一个具有特定电容（通常为100pF）和电阻（通常为1.5kΩ）的电路模拟人体。
- 将预先充电到设定电压的电容通过电阻与待测芯片连接，模拟静电放电过程。
- 测试电压范围通常从2kV到16kV，根据芯片的应用场景和要求选择合适的测试电压。
常用标准：
- MIL-STD-883C Method 3015.7
- EIA/JESD22-A114-A
意义：
HBM测试评估芯片在日常处理和操作过程中抵抗人体静电放电的能力，确保其在实际使用中的可靠性。
2. 机器放电模型（MM, Machine Model）
概念：
MM模拟的是机器设备（如自动化生产线上的机器人）在操作过程中产生的静电放电情况。由于机器的导电性更强，产生的放电电流和能量更大。
测试方法：
- 使用一个具有特定电容（通常为200pF）且近似零电阻的电路模拟机器。
- 将预先充电到设定电压的电容直接与待测芯片连接，模拟瞬间的大电流放电过程。
- 由于电阻接近零，放电时间极短，但电流峰值较高，可能对芯片造成更严重的冲击。
常用标准：
- EIAJ-IC-121 Method 20
- EIA/JESD22-A115-A
意义：
MM测试评估芯片在生产和装配过程中抵抗机器静电放电的能力，确保生产过程中的产品质量和良率。
3. 器件充电模型（CDM, Charge Device Model）
概念：
CDM模拟的是芯片自身在生产、运输或装配过程中由于摩擦等原因积累静电，然后在接触接地物体时发生放电的情况。
测试方法：
- 让待测芯片自身带电，积累一定的静电电荷。
- 然后使芯片的某个引脚接触接地物体，观察放电过程。
- 放电时间极短，通常在几纳秒内完成，但电流峰值极高。
常用标准：
- ANSI/ESDA/JEDEC JS-002-2018
- AEC-Q100-011-REV-D-2019
- JEITA ED-4701_302_304C-2013
意义：
CDM测试评估芯片在自身带电情况下抵抗静电放电的能力，尤其关注高速生产线和自动化装配过程中的ESD风险。
在完成ESD测试后，需要评估芯片是否受到损坏或性能退化。常见的ESD故障判断方法包括：
1. 绝对漏电流测量
方法：
- 测量芯片各个输入/输出引脚的漏电流值。
- 若漏电流超过1μA（或根据具体标准设定为10μA），则判定芯片已受损。
- 测量时所加偏压可根据需求设定，一般为5.5V（VDD×1.1）或7V（VDD×1.4）。
意义：
漏电流的增加通常表明芯片内部的绝缘层或PN结已被破坏，影响正常功能。
2. 相对I-V曲线漂移
方法：
- 测试ESD前后，从芯片的输入/输出引脚观察其电流-电压（I-V）特性曲线。
- 若I-V曲线漂移超过20%~40%，则可判定芯片性能受到影响。
意义：
I-V曲线的变化反映了芯片电特性的改变，可用于检测细微的性能退化。
3. 功能观测法
方法：
- 在ESD测试后，检测芯片的各项功能是否正常，是否符合预定的规格和参数。
- 通过实际运行测试，观察芯片在不同工作条件下的表现。
意义：
功能测试直接反映芯片的实际工作状态，能够全面评估ESD对芯片功能的影响。
注意事项：
不同的故障判断方法可能会导致对同一芯片得出不同的ESD耐受结论。因此，在报告ESD测试结果时，需明确说明所采用的故障判定准则和条件，以确保结果的准确性和可比性。
ESD测试在芯片设计、生产和质量控制过程中具有不可或缺的重要性。通过全面而严格的ESD测试，可以有效评估和提高芯片抵抗静电放电的能力，确保电子产品在各种环境和使用条件下的可靠性和稳定性。
江苏粤科检测是专业第三方电子元器件检测机构，实验室具备ESD静电放电测试能力，可提供第三方芯片ESD测试、二次筛选、失效分析等可靠性验证服务。
在实际应用中，应根据芯片的用途和应用环境，选择合适的ESD测试模型和标准，并结合多种故障判断方法，全面评估芯片的抗ESD性能。同时，在生产和使用过程中，应采取适当的ESD防护措施，如佩戴防静电手环、使用防静电包装等，进一步降低静电放电对芯片的潜在危害。
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