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ESD的模式以及工业测试标准

作者:😃思研       

2026-04-02

因ESD产生的原因及其对集成电路放电的方式不同,ESD目前分类为下列四类:

(1)人体放电模式(Human-Body Model,HBM)

(2)机器放电模式(Machine Model,MM)

(3)组件充电模式(Charged-Device Model,CDM)

(4)电场感应模式<svg width="10px" height="10px" viewBox="0 0 16 16" class="ZDI ZDI--FourPointedStar16 css-1dvsrp" fill="currentColor"></svg>(Field-Induced Model,FIM)

本节对此四类静电放电现象详加说明,并比较各类放电现象的电流大小。

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1. 人体放电模式(Human-Body Model,HBM)

人体放电模式(HBM)的ESD是指因人体在地上走动磨擦或其它因素在人体上已累积了静电,当此人去碰触到IC时,人体上的静电便会经由IC的脚(pin)而进入IC内,再经由IC放电到地去,如图1.1(a)所示。此放电的过程会在短到几百毫微秒(ns)的时间内产生数安培的瞬间放电电流,此电流会把IC内的组件给烧毁。不同HBM静电电压相对产生的瞬间放电电流与时间的关系显示于图1.1(b)。对一般商用IC的2KV ESD放电电压而言,其瞬间放电电流的尖峰值大约是1.33A。

图1.1 (a) HBM 的ESD 发生情形
图1.1 (b) 在不同HBM 静电电压下,其静电放电之电流与时间的关系

有关于HBM的ESD已有工业测试的标准,为现今各国用来判断IC之ESD可靠度的重要依据。图1.2显示此工业标准(MIL-STD-883C method 3015.7)的等效电路图,其中人体的等效电容定为100pF,人体的等效放电电阻定为1.5KΩ。另外在国际电子工业标准(EIA/JEDEC STANDARD<svg width="10px" height="10px" viewBox="0 0 16 16" class="ZDI ZDI--FourPointedStar16 css-1dvsrp" fill="currentColor"></svg>)中,亦对此人体放电模式订定测试规范(EIA/JESD22-A114-A),详细情形请参阅该工业标准。

图1.2 人体放电模式 (HBM) 的工业标准测试等效电路及其耐压能力等级分类

2. 机器放电模式(Machine Model,MM)

机器放电模式的ESD是指机器(例如机械手臂)本身累积了静电,当此机器去碰触到IC时,该静电便经由IC的pin放电。此机器放电模式的工业测试标准为EIAJ-IC-121 method 20,其等效电路图如图2.1所示。

图2.1 机器放电模式(MM)的工业标准测试等效电路及其耐压能力等级分类

因为大多数机器都是用金属制造的,其机器放电模式的等效电阻为0Ω,但其等效电容定为200pF。由于机器放电模式的等效电阻为0,故其放电的过程更短,在几毫微秒到几十毫微秒之内会有数安培的瞬间放电电流产生。有关2KV HBM与200V MM的放电电流比较,显示于图2.2中。

图2.2 人体放电模式(2KV)与机器放电模式(200V) 放电电流的比较图

虽然HBM的电压2KV比MM的电压200V来得大,但是200V MM的放电电流却比2KV HBM的放电电流来得大很多,因此机器放电模式对IC的破坏力更大。在图2.2中,该200V MM的放电电流波形有上下振动(Ring)的情形,是因为测试机台导线的杂散等效电感与电容互相耦合而引起的。

另外在国际电子工业标准(EIA/JEDEC STANDARD)中,亦对此机器放电模式订定测试规范(EIA/JESD22-A115-A),详细情形请参阅该工业标准。

3. 组件充电模式(Charged-Device Model,CDM)

此放电模式是指IC先因磨擦或其它因素而在IC内部累积了静电,但在静电累积的过程中IC并未被损伤。此带有静电的IC在处理过程中,当其pin去碰触到接地面时,IC内部的静电便会经由pin自IC内部流出来,而造成了放电的现象。

此种模式的放电时间更短,仅约几毫微秒之内,而且放电现象更难以真实的被模拟。因为IC内部累积的静电会因IC组件本身对地的等效电容而变,IC摆放的角度与位置以及IC所用的包装型式都会造成不同的等效电容。由于具有多项变化因素难定,因此,有关此模式放电的工业测试标准仍在协议中,但已有此类测试机台在销售中。该组件充电模式(CDM)ESD可能发生的原因及放电的情形显示于图3.1(a)与图3.1(b)中。该组件充电模式静电放电的等效电路图显示于图3.2(a)中。IC在名种角度摆放下的等效电容值显示于图3.2(b)中,此电容值会导致不同的静电电量累积于IC内部。

图3.1 (a) Charged-Device Mode 静电放电可能发生的情形

IC自IC管中滑出后,带电的IC脚接触接到地面而形成放电现象。

图3.1 (b) Charged-Device Mode 静电放电可能发生的情形

IC自IC管中滑出后,IC脚朝上,但经由接地的金属工具而放电。

图3.2 (a) Charged-Device Model 静电放电的等效电路图
图3.2 (b) IC在各种角度下的等效杂散电容值

有关2KV HBM,200V MM,与1KV CDM的放电电流比较,显示于图3.3中。其中,该1KV CDM的放电电流在不到1ns的时间内,便已冲到约15A的尖峰值,但其放电的总时段约在10ns的时间内便结束。此种放电现象更易造成集成电路的损伤。

图3.3 人体放电模式(2KV),机器放电模式(200V), 与组件充电模式(1KV)放电电流的比较图

4. 电场感应模式(Field-Induced Model,FIM)

此FIM模式的静电放电发生是因电场感应而起的。当IC因输送带或其它因素而经过一电场时,其相对极性的电荷可能会自一些IC脚而排放掉,等IC通过电场之后,IC本身便累积了静电荷,此静电荷会以类似CDM的模式放电出来。有关FIM的放电模式早在双载流子(bipolar)晶体管时代就已被发现,现今已有工业测试标准。在国际电子工业标准(EIA/JEDEC STANDARD)中,亦已对此电场感应模式订定测试规范(JESD22-C101),详细情形请参阅该工业标准。



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