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CEPREI-RAC
ESD试验方法和标准
报告人: 来萍
Comparison of Electrostatic Discharge Testing Methods between IC and Electrical/Electronic
Equipment
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CEPREI-RAC
主要编制人员
中国赛宝实验室可靠性研究分析中心:
来萍 罗宏伟 邝贤军 梁晓思
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CEPREI-RAC
• 中国赛宝实验室• CEPREI
• 信息产业部电子第五研究所• 中国电子产品可靠性与环境试验研究所
• China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute
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CEPREI-RAC
研讨内容
• 1 1 引言引言• 2 2 电子元器件电子元器件ESDESD试验方法和标准试验方法和标准• 3 3 电子设备电子设备ESDESD试验方法和标准试验方法和标准•• 4 4 试验方法对比试验方法对比•• 5 5 一些问题一些问题
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CEPREI-RAC
为何要对电子元器件(包括IC)和电子设备进行静电放电试验?
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CEPREI-RAC
静电试验的目的和意义
• 重要的性能或质量指标;• 设计和制造方-改进提高• 使用方 -选择和防护
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CEPREI-RAC
2 元器件ESD试验方法和标准
• 2.1 相关标准• 2.2 标准电路模型和放电波形• 2.3 常见的标准内容和试验方法• 2.4 委托试验
8
CEPREI-RAC 2.1 相关标准• 元器件ESD试验的相关标准有:
电子元器件//CDMESDA ESD STM5.3.1-19996
电子元器件1s±3MMESDA ESD STM5.2-19995
电子元器件0.3s±3HBMESDA ESD STM5.1-20014
电子元器件//CDMJEDEC JESD22-C101-C (2004)3
电子元器件1s±1MMJEDEC JESD22-A115-A2
电子元器件0.3s±1HBMANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2010(Revision and Replacement of
ANSI/ESD STM5.1-2007 &JEDEC JESD22-A114F)
1
适用范围最小放电间隙
放电次数
放电模型
标准号序号
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CEPREI-RAC 2.1 相关标准
• 元器件ESD试验的相关标准
电子元器件//HBM/MMEIA/J ED 4701/30515
光电器件1s±3HBMBellcore TR-NWT-0087016
IC Card5s±1HBMISO/IEC 10373:1993(E) 6.417
电子元器件0.3s±1HBM/MMEIA/J ED 4701/30414
军用分立元器件1s±3HBMGJB128B-2006 102013
军用微电路1s±3HBMGJB548B-2005 3015 12
军用分立元器件1s±3HBMMIL-STD-750D 102011
军用微电路1s±3HBMMIL-STD-883H 3015.710
汽车用器件//CDMAEC-Q100-011-REV-A9
汽车用器件1s±1MMAEC-Q100-003-REV-E8
汽车用器件0.5s±1HBMAEC-Q100-002-REV-C7
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CEPREI-RAC
2.2 标准电路模型和放电波形
• 2.2.1 人体模型(HBM)• 2.2.2 机器模型(MM)• 2.2.3 充电器件放电模型(CDM)• 2.2.4 其他
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CEPREI-RAC
2.2.1人体模型(HBM)
• HBM电路模型
R1 = 10 6 ohms to 10 7 ohmsC1 = 100 picofarads ±10 percent (Insulation resistance 10 12 ohms minimum)R2 = 1,500 ohms ±1 percentS1 = High voltage relay (Bounceless, mercury wetted, or equivalent)S2 = Normally closed switch (Open during discharge pulse and capacitance measurement)
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CEPREI-RAC
2.2.1人体模型(HBM)
• HBM波形
Tri (rise time) ---------------Less than 10 nanoseconds.Tdi (delay time) -------------150 ±20 nanoseconds. Ip (peak current) ------------Within ±10 percent of the Ip value shown in table II for the voltage step selected. Ir (ringing) --------------------The decay shall be smooth, with ringing, break points, double time constants ordiscontinuities less than 15 percent Ip maximum, but not observable 100 nanoseconds after start of the pulse.
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CEPREI-RAC2.2.1人体模型(HBM)
• HBM波形参数要求
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CEPREI-RAC
2.2.1人体模型(HBM)• 选项要求
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CEPREI-RAC
2.2.2 机器模型(MM)
• MM电路模型
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CEPREI-RAC
2.2.2 机器模型(MM)
• MM波形
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CEPREI-RAC
2.2.2 机器模型(MM)• MM波形参数要求
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CEPREI-RAC
2.2.3充电器件放电模型(CDM)• 作用:
–1. 器件因感应或摩擦而带电荷;
–2. 器件上的电荷藉由管脚对外放电
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CEPREI-RAC
2.2.3充电器件放电模型(CDM)
• CDM电路模型及波形
讯程提供
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CEPREI-RAC
2.2.3充电器件放电模型(CDM)
• CDM电路模型及波形
(a) CDM 电路 (b) CDM 负载短路波形
图 3.3 CDM 模型的电路及波形
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CEPREI-RAC
2.2.3充电器件放电模型(CDM)• CDM波形参数要求
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CEPREI-RAC
2.2.3充电器件放电模型(CDM)
1.上升时间极短
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CEPREI-RAC
2.2.3充电器件放电模型(CDM)
0.0 0.3 0.5 0.8 1.0 1.3 1.5 1.8 2.0-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
TIME (NANOSECONDS)
Ip1
Ip2
Ip3
90% Ip1
t d
rt
10% Ip1
上升速度快,
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CEPREI-RAC
2.2.3充电器件放电模型(CDM)
• The CDM discharge is 100x faster than HBM or MM
• The peak current can be 40x that of an HBM pulse
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
50
0 50 100 150 200
MM
HBM (0.66A Peak)
CDM (30pf Test Module)
A
ns
讯程提供
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CEPREI-RAC
2.2.4 其他模型
• Transmission Line Pulse (TLP)• The Charged Strip Model(CSM)• Charged Board Model (CBM)
26
CEPREI-RAC
2.2.4 其他模型
• TLP模型(ESD DSP5.5.2-2007)
0
10
20
30
40
50
60
-5.00E-08 0.00E+00 5.00E-08 1.00E-07 1.50E-07 2.00E-07
图1 TLP方法的基本结构 图2 典型TLP脉冲曲线
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CEPREI-RAC
2.2.4 其他模型
• TLP
栅接地nMOS晶体管的典型I-V击穿特性
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CEPREI-RAC
2.2.4 其他模型IC保护网络的设计要求• 1) Vt1-开启电压,针对不同器件要求
It1-漏电流,越小越好;• 2) Vsp(Vh)-维持电压 越小越好(Vdd-Vss)• 3) Snapback斜率越小越好;• 4) It2-击穿电压 ,越大越好
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CEPREI-RAC
2.2.4 其他模型
• TLP– Wunsch-Bell根据失效电流(It2)与失效时间(tf)关系预测It2与 Vfail为线性关系。ESD作用时间小于10μs时遵守Wunsch-Bell关系。
– 理想情况下,HBM-ESD失效电压与二次击穿的脉冲电流存在以下公式,
Vfail=1500Ω×It2这里1500Ω是人体模型源电阻值。
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CEPREI-RAC
2.3 常用的标准内容和试验方法MIL883F 微电路试验标准3015.7 静电放电敏感度的分类
1 目的 2 设备 3 程序 4 说明
1.1 定义 2.1试验设备
2.2测量仪器
2.3校准
2.4鉴定
3.1总则
3.2波形验证
3.3分类试验
3.4引线组合
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CEPREI-RAC
2.3- (1)仪器设备
• 高压和波形发生器• 高压和波形检测仪器• 校准和计量要求
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CEPREI-RAC
2.3- (1)仪器设备
人体放电模式(HBM): ±8kV
机器放电模式(MM): ±2kV
闩锁(Latch-up):触发电流±1A最大触发电压±100V;JEDEC、ESDA、AEC、MIL及
GJB;768PIN
ESD&Latchup
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CEPREI-RAC
2.3- (1)仪器设备充电器件放电模式(CDM) :±4kV
• 1. 插座式器件充電模型 SCDM (Sockted CDM)
• 2. 非插座式器件充電模型 CDM (Non-Socketed CDM)
– *ESDA STM5.3.1– *JEDEC EIA/JESD22-C101-B– *AEC-Q100-011-REV-A
•• 机械式机械式CDM=Robotic CDMCDM=Robotic CDM
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CEPREI-RAC
2.3- (1)仪器设备• 校验仪器
– 示波器 :350MHz/1GHz 带宽,1Gs/s– 电流探头: 350MHz/1GHz 带宽
(CT-1/CT-2)
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CEPREI-RAC
2.3- (2)程序
• -放电电压确定• -放电脉冲的次数及间隔• -管脚组合方式(HBM/MM)• -失效阈值电压的确定等。
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CEPREI-RAC
2.3- (2)程序
• 表 3.5 试验管脚组合(MIL-STD)1) A 端
(分别将每一个管脚依次连接
到 A端,而其他的悬空)
B 端
(所有同类名称管脚的
组合连接到 B端)
1 除 Vpsl外的所有管脚2) 所有 Vpsl管脚
2 所有输入和输出管脚 所有其他的输入和输出管脚
1)不连接(NC)的管脚是不被试验的;
2)对各类电源和地,重复管脚组合 1的试验(如 Vpsl是 VDD、VCC、VSS、VBB、 GND、+VS、-VS、VREF等)。
37
CEPREI-RAC
2.3- (2)程序
假设器件的只有VCC、VSS和GND共3个Vpsl管脚,其余是输入和输出脚,试验管脚组合数NC和静电放电次数ND统计如下式,
具体的计算结果见左表:
NC=3×(NP-1)+(NP-3)
ND=6×NC
2396439941000
167642794700
119641994500
4764794200
2364394100
188431480
92415440
4447420
2043410
放电次数ND试验组合数Nc管脚数NP
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CEPREI-RAC
2.3-(3)等级分类
表 3.2 HBM 常用标准的 ESD 电压阈值分类方法 JESD22-A114-B & ESD STM5.1
AEC-Q100-002-REV-C
MIL-STD-883G 3015.7& GJB548A-96 3015
Bellcore TR-NWT-00870
Class0:
39
CEPREI-RAC
2.3-(3)等级分类表 3.3 MM 常用标准的 ESD 电压阈值分类方法
JESD22- A115-A (1997) ESD STM5.2-1999 AEC-Q100-003-REV-E Class A:
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CEPREI-RAC
2.3-(3)等级分类
• IC的ESD等级一般要求*HBM:>=2kV (军标也要求>2kV)*MM: >=200V*CDM: >=700V~1000V
讯程提供
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CEPREI-RAC
2.4 委托试验
• (一)提供信息:–样品型号名称;
–样品的封装形式及管脚数;
–样品的参数规范;
–参照的相关标准*;
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CEPREI-RAC
2.4 委托试验
• (二)确定方案:– 参照标准– 试验模型– 电压等级– 失效判据
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CEPREI-RAC
2.4 委托试验
• (三)委托试验评价方式:– 委托试验和功能参数测试– 委托试验和来人现场功能及参数测试– 委托试验和做I-V特性;– 仅委托试验
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CEPREI-RAC
3 电子设备ESD试验方法和标准
• 3.1 相关标准• 3.2 标准波形• 3.3 常见的标准内容和试验方法
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CEPREI-RAC
3.1 相关标准
•
信息技术设备静电放电敏感度试验SJ 20154-925
量度继电器和保护装置的电气干扰试验第2部分:静电放电试验GB/T 14598.14-984
电子测量仪器电磁兼容性试验规范静电放电敏感度试验
GB/T 6833.3-19873
电磁兼容试验和测量技术
静电放电电抗扰度试验GB/T 17626.2-982
Electromagnetic compatibility (EMC)—Part 4-2: Testing and measurement techniques—
Electrostatic discharge immunity test.电磁兼容性 (EMC) 第4-2部分
:静电放电抗干扰试验
IEC 61000-4-2-2001 1
标准名称标准编号序号
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2.2 标准电路模型和放电波形
• 电路模型-HBM
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CEPREI-RAC
2.2 标准电路模型和放电波形
• 参数要求
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CEPREI-RAC
2.2 标准电路模型和放电波形
• 放电波形
49
CEPREI-RAC
2.2 标准电路模型和放电波形
• 波形参数
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CEPREI-RAC
3.3 常见的标准内容和试验方法
• 6100-4-2
1 范围 2 引用 3 概述 4 定义 5 试验等级
6 试验发生器 7 试验配置 8 试验程序 9 结果和报告
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CEPREI-RAC
3.3-(1)试验发生器
• 波形发生器
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CEPREI-RAC
3.3-(1)试验发生器
• 校验仪器– 示波器:1GHz 带宽– 法拉第笼– 靶: 1GHz 带宽
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CEPREI-RAC
3.3-(1)试验发生器
• 校验仪器
• 讯程提供
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CEPREI-RAC
3.3-(2)试验配置
• 接地参考平面• 安全规定• 受试设备的布置和连接(间距1m)• 放电回路电缆2m• 水平耦合板和垂直耦合板• 耦合面接地470Ω• ……
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CEPREI-RAC
3.3-(2)试验配置
• 台式设备
56
CEPREI-RAC3.3-(2)试验配置
• 落地设备
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CEPREI-RAC
3.3-(3)试验程序
• 1)确定试验方案
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CEPREI-RAC
3.3-(3)试验程序
• 2)对受试设备直接施加的放电:– 选择放电点– 接触放电– 空气放电(尽可能快速)– 10次(最敏感的极性),间隔1s
•电压步进•电极垂直,电缆0.2m •涂漆层
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CEPREI-RAC
3.3-(3)试验程序
• 放电点的选择– 操作人员正常使用时可能接触的点和面上– 在受试设备内部,被允许用户维修的点和(或)表面;
– 例如(附录A的A5):• 与地绝缘的金属外壳上的一些点• 控制或键盘区域任何点和人机通信的其他任何点,如开关、键、旋钮、按钮以及其他操作人员容易接近的区域
• 指示器,如LED、缝隙、栅格、连接器罩等
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CEPREI-RAC
3.3-(3)试验程序
• 3)间接施加的放电– 只有接触放电– 在受试设备下面的水平耦合板– 垂直耦合板– 10次(最敏感的极性),间隔1s
61
CEPREI-RAC
3.3-(4)试验电压
• 放电方式:接触、空气;直接、间接
62
CEPREI-RAC
3.3-(5)试验结果和报告
• 试验结果分类– 在技术要求限制内的性能正常– 功能或性能暂时降低或丧失,但能自行恢复– 功能或性能暂时降低或丧失,但要求操作人员干预或系统复位
– 功能永久降低或丧失
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CEPREI-RAC
4 试验方法对比
重复性较差准确,重复性好(10)试验结果
试验过程中及试验后设备性能试验后器件性能(9)失效判据
接触放电:2.0kV,4.0kV,6.0kV,8.0kV空气放电:2.0kV,4.0kV,8.0kV,15.0kV
HBM :0.5kV,1.0kV,2.0kV,4.0kV,8.0kV
(8)试验电压
设备处于加电工作状态器件不加电,不工作(7)试验过程的状态
接触放电,空气放电;直接放电,间接放电
只有直接接触放电(6)试验过程的放电方式
有一定的灵活性和不确定性确定的管脚组合(6)放电点选择
需要辅助配置和装置:接地参考面,耦合板等
基本不需要(5)试验配置
简单,便宜复杂,昂贵(4)试验设备
HBM(330Ω,150pf)HBM(1.5kΩ,100pf)MM,CDM
(3)试验电路模型
IEC 61000-4-2-2001 JEDEC JESD22-A114-B等(2)依据标准
电子设备元器件(1)试验对象
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CEPREI-RAC
5 一些问题
• 端口(管脚)之间的I-V测试• 同型号产品不同厂家或Foundry线• 同厂家不同型号产品• 器件工作电压与抗静电放电电压的关系• 模块/PCBA与器件(芯片)的关系• ESD试验的累积效应• 先入为主的现象
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CEPREI-RAC
5 一些问题• 对PCBA如何进行ESD?
–标准和方法?
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CEPREI-RAC
内容回顾
• 1 引言• 2 电子元器件ESD试验方法和标准• 3 电子设备ESD试验方法和标准• 4 试验方法对比• 5 一些问题
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CEPREI-RAC
• 联系方式:联系人:来萍
单位:中国赛宝实验室
地址:广州市天河区东莞庄路110号电话:020-87234661邮箱:[email protected],