Повний посібник з тестування компонентів ІС за допомогою вдосконаленого обладнання для тестування електростатичних розрядів CDM (компонентів ІС)

абстрактний
Під час виробництва, транспортування та складання напівпровідникових мікросхем електростатичний розряд на моделях заряджених пристроїв є основною причиною неочікуваних відмов інтегральних схем. Такі відмови характеризуються сильною маскуванням, надкороткою тривалістю імпульсу та високою складністю відтворення. Традиційні випробування на моделях людського тіла (HBM) та моделях машин (MM) не можуть повністю охопити такі ризики відмов. Обладнання для випробування електростатичних розрядів CDM компонентів ІС відтворює явище перехідного розряду, коли заряджені пристрої контактують із заземленими провідниками, та завершує оцінку електростатичної стійкості компонентів ІС. У цій статті розглядається... LISUN ESD‑CDM Симулятор електростатичного розряду CDM Semiconductor як об'єкт дослідження. У ньому розглядаються принцип роботи, склад апаратного забезпечення, відповідність стандартам, повні процедури випробувань та цінність інженерного застосування випробувального обладнання для електростатичних розрядів (ESD) компонентів ІС, щоб забезпечити повний та практичний довідник для досліджень надійності, контролю якості масового виробництва та сертифікації відповідності напівпровідникових приладів міжнародним стандартам.

Вступ

Під час обробки на виробничих лініях, транспортування упаковки та автоматизованого складання напівпровідникові мікросхеми накопичують електростатичні заряди через тертя та індукцію електричного поля. Коли контакти пристрою контактують із заземленими світильниками, контактними майданчиками друкованих плат або металевими деталями автоматизованого обладнання, відбувається перехідний розряд наносекундного рівня, а саме електростатичний розряд у режимі зарядженого пристрою CDM. Імпульс розряду зазвичай триває менше 1 нс з піковим струмом до десятків ампер. Хоча загальна енергія розряду низька, його щільність потужності надзвичайно висока, що може безпосередньо пошкодити шар оксиду затвора мікросхем і призвести до перегорання внутрішніх схем, дрейфу параметрів або постійного функціонального збою. Багато мікросхем функціонують належним чином після заводського огляду, але після циркуляції та складання виникають незрозумілі несправності. Значна частина таких проблем виникає через приховані пошкодження, спричинені електростатичними ударами CDM, які важко виявити за допомогою звичайного візуального огляду.

Більшість традиційних пристроїв для випробування електростатичного розряду (ЕСР) зосереджені на моделі людського тіла та моделі машини. Їхня архітектура пристрою та можливості збору сигналів не відповідають суворим вимогам до випробувань CDM (модель електричного розряду), і вони зазвичай мають такі недоліки, як громіздкі процедури експлуатації, недостатня стабільність сигналу розряду та велика похибка керування напругою. Обладнання для випробування електростатичного розряду для компонентів ІС спеціально розроблене для сценаріїв розряду контактів заряджених пристроїв. Завдяки інтегрованій конструкції введення заряду та розряду контактів, воно може точно контролювати напругу зарядки та швидкість розряду контактів, повністю фіксувати форми сигналів перехідного струму, кількісно визначати межу допуску електростатичного удару для мікросхем CDM, заздалегідь виявляти дефекти конструкції пристрою та зменшувати ймовірність відмови на наступних етапах масового виробництва та застосування.

Архітектура обладнання та основні параметри обладнання для випробування електростатичних розрядів CDM-компонентів ІС

Повний LISUN Система симулятора ESD‑CDM Semiconductor ESD складається з трьох основних блоків: високовольтного джерела постійного струму, випробувального головного блоку CDM та електростатичного випробувального зонда. Обладнання може незалежно виконувати випробування в режимі CDM. Воно також може використовувати головний блок разом із напівпровідниковим симулятором ESD‑883D Semiconductor ESD Simulator для розширення складених випробувань, що охоплюють моделі CDM, HBM та MM, та задоволення потреб у багатовимірній оцінці електростатичної сприйнятливості пристроїв. Високовольтне джерело постійного струму видає керовану позитивну та негативну високу напругу для завершення заряджання випробуваних пристроїв, індукованого полем. Випробувальний головний блок містить випробувану ІС та оснащений 3-вимірним регулюванням зміщення та високовольтною захисною структурою ізоляції. Електростатичний випробувальний зонд виконує контактний розряд та має атенюатор для виведення сигналів форми хвилі струму розряду для запису та аналізу за допомогою зовнішнього осцилографа. Основні апаратні параметри обладнання наведено в таблиці нижче.

Захист від високовольтної ізоляції вбудований всередину випробувального корпусу. Високовольтна індукційна пластина ізольована, щоб уникнути ризиків безпеки, спричинених витоком високої напруги, та гарантувати безпеку оператора. Високовольтна індукційна пластина разом з ізоляційною пластиною FR4 утворює випробувальну платформу. Матеріал FR4 відповідає вимогам JEDEC до матеріалів випробувальних платформ CDM та генерує рівномірні та стабільні електростатичні індукційні поля, щоб забезпечити рівномірний розподіл заряду на пристроях під час заряджання. Електростатичний випробувальний зонд має фізичний діаметр Φ1.5 мм та телескопічний хід приблизно 3 мм, сумісний з основними напівпровідниковими корпусами, включаючи DIP, SOP, QFP, BGA та TO. Оснащений спеціальним атенюатором, зонд резервує інтерфейси збору сигналів для прямого підключення осцилографа для захоплення форм хвиль імпульсів розряду наносекундного рівня. Пристрій оснащений сенсорним екраном Android з китайсько-англійською мовою для налаштування параметрів одним клацанням миші. Дані випробувань, такі як форми хвиль випробувальної напруги та струму, можна зберігати безпосередньо для покращення повторюваності та ефективності випробувань.

Застосовна стандартна система випробувань

LISUN ESD‑CDM, обладнання для випробування електростатичного розряду для компонентів ІС, повністю відповідає основним вітчизняним та міжнародним стандартам випробувань на електростатичний розряд CDM. Міжнародні стандарти включають ANSI/ESDA/JEDEC JS‑002‑2014, IEC 60749‑28:2022, AEC‑Q100‑011, EIA/JESD22‑C101 та JEITA ED‑4701/300 Метод випробувань 305. Відповідним вітчизняним стандартом є GB/T 4937.28‑2024 «Напівпровідникові прилади — Методи механічних та кліматичних випробувань — Частина 28: Випробування чутливості до електростатичного розряду — Модель зарядженого пристрою», який ідентично перетворений з IEC 60749‑28:2022. Для автомобільних мікросхем, інтегральних схем споживчого класу та силових напівпровідників це обладнання для випробування електростатичних розрядів на основі CDM-компонентів ІС може використовуватися для класифікації електростатичної сприйнятливості на рівні компонентів, перевірки надійності та сертифікаційних випробувань сторонніми організаціями, а отримані дані випробувань можуть бути безпосередньо використані у звітах про сертифікацію.

Повні процедури тестування CDM для компонентів ІС

Формальне тестування CDM на компонентах ІС повинно суворо відповідати стандартним специфікаціям для контролю ключових умов, таких як точність позиціонування, час встановлення заряду та швидкість переміщення зонда, а також мінімізувати помилки тестування, спричинені ручним керуванням. Крок перший – це монтаж пристрою ІС. Розмістіть випробуваний напівпровідниковий пристрій на ізоляційній пластині та закріпіть його за допомогою сумісних кріплень штифтами вгору. Переконайтеся у відсутності ослаблення або зміщення, щоб уникнути перешкод, спричинених ефектами розряду, спричиненими зміщенням пристрою під час тестування. Крок другий – калібрування положення. Відрегулюйте 3-осьові ручки X/Y/Z на основі, щоб вирівняти цільовий штифт прямо під центром випробувального зонда, з точністю калібрування позиціонування, контрольованою в межах 0.1 мм, щоб задовольнити вимоги JEDEC щодо похибки позиціонування. Крок третій – введення зонда в експлуатацію. Перемістіть зонд вручну на максимальний хід і повільно опустіть його, доки він не торкнеться штифта пристрою. Слід суворо уникати надмірного натискання, яке може призвести до фізичного пошкодження мікросхеми. Після підтвердження контакту введіть зонд у положення очікування та залиште безпечний зазор 5-10 мм між зондом і штифтом. Крок четвертий – це попереднє налаштування параметрів. Встановіть швидкість переміщення зонда по вертикалі на сенсорному інтерфейсі. Для мікросхем з крихкими корпусами рекомендується 0.5-2 см/с, щоб запобігти механічним пошкодженням від зонда. Крок п'ятий – електростатичний заряд. Встановіть цільову напругу на високовольтному блоці живлення та виконайте зарядку, індуковану полем, на пристрої через високовольтну індукційну пластину. Підтримуйте час встановлення 1-2 секунди для досягнення повного та рівномірного розподілу заряду всередині пристрою. Крок шостий – виконання тесту на розряд. Запустіть процедуру автоматичного руху зонда вниз. Зонд контактує з контактом пристрою, щоб запустити розряд CDM. Сигнали миттєвого струму розряду передаються через атенюатор на осцилограф з частотою дискретизації не нижче 1 ГГц для захоплення та збереження форми імпульсної хвилі наносекундного рівня. Після однополярного розряду на одному контакті перемкніть полярність високої напруги та цільовий контакт, щоб виконати циклічні стрес-тести на розряд CDM з позитивним та негативним навантаженням на всіх контактах. Після завершення тесту порівняйте електричні параметри та функціональний стан пристрою до та після навантаження, щоб визначити його рейтинг електростатичної сприйнятливості CDM.

Значення інженерного застосування та запобіжні заходи при випробуваннях

Обладнання для випробування електростатичних розрядів CDM (Components ESD Testing ESD) для компонентів ІС забезпечує численні переваги в усьому промисловому ланцюжку напівпровідників. На етапі дослідження та розробки мікросхем інженери-конструктори можуть використовувати це обладнання для виявлення слабких місць, чутливих до CDM, всередині мікросхем, та оптимізації проектування схеми захисту від ESD на мікросхемі. На заводах з пакування його можна застосовувати для вхідного контролю та перевірки надійності готової продукції, щоб заздалегідь виключити продукти з недостатньою толерантністю до CDM. Для мікросхем автомобільного класу, які потребують сертифікації відповідності, тестові виходи підтримують такі елементи сертифікації, як AEC‑Q100. Слід зазначити, що імпульси розряду CDM є високошвидкісними сигналами від пікосекунд до наносекунд. Кабелі, атенюатори та смуга пропускання осцилографа всієї тестової системи безпосередньо впливають на точність форми сигналу. Під час практичних випробувань слід регулярно проводити калібрування системи, щоб гарантувати, що індекси похибки напруги та форми сигналу струму відповідають стандартним вимогам. Пристроям з більшими розмірами корпусу потрібен триваліший час встановлення заряду для достатнього накопичення заряду.

Висновок

Оскільки вузли напівпровідникового процесу продовжують зменшуватися, шари оксиду затвора мікросхем стають тоншими, а інтегральні схеми стають більш вразливими до електростатичних ударів CDM (Customer Detection Device). CDM став основним фактором, що сприяє виходу з ладу мікросхем. Обладнання для випробування електростатичної сприйнятливості CDM (Customer Device Device) компонентів інтегральних схем може реалістично відтворювати сценарії розряду контактів заряджених пристроїв у виробництві та складанні, а також здійснювати високоточні та повторювані випробування електростатичної сприйнятливості CDM на рівні компонентів. LISUN ESD‑CDM Симулятор електростатичного розряду CDM Semiconductor долає недоліки традиційних приладів для випробування CDM. Його апаратна структура, точність керування та відповідність стандартам можуть задовольнити практичні потреби досліджень, контролю якості та сертифікації у вітчизняній напівпровідниковій промисловості. Під час проведення перевірки надійності інтегральних схем підприємства повинні надавати значення тестуванню CDM та включати обладнання для випробування електростатичних розрядів компонентів ІС у системи випробувань на надійність. Прихованих збоїв, спричинених статичною електрикою CDM, можна уникнути на рівні компонентів, а також підвищити загальну надійність інтегральних схем.