新ANSI/ESDA/JEDEC JS-002 CDM測試標準概覽

元件充電模式(CDM) ESD被認為是代表ESD充電和快速放電的首要實際ESD模型，能夠恰如其分地表示當今集成電路(IC)制造和裝配中使用的自動處理設備所發(fā)生的情況。到目前為止，在制造環(huán)境下的器件處理過程中，IC的ESD損害的最大原因是來自充電器件事件，這一點已廣為人知。¹

充電器件模型路線圖

對IC中更高速IO的不斷增長的需求，以及單個封裝中集成更多功能的需要，推動封裝尺寸變大，因而維持JEP1572, 3中討論的推薦目標CDM級別將是一個挑戰(zhàn)。還應注意，雖然技術擴展對目標級別可能沒有直接影響（至少低至14 nm），但這些高級技術改進了晶體管性能，進而也能支持更高IO性能（傳輸速率），因此對IO設計人員而言，實現(xiàn)當前目標級別同樣變得很困難。由于不同測試儀的充電電阻不一致，已公布的ESD協(xié)會(ESDA)截止20204年路線圖建議，CDM目標級別將需要再次降低，如圖1所示。

圖1 2010年及以后的充電器件模型靈敏度限值預測（版權所有?2016 EOS/ESD協(xié)會）

快速瀏覽圖1不會發(fā)現(xiàn)CDM目標級別有明顯變化，但進一步查閱ESDA提供的數(shù)據(jù)（如圖2所示）可知，CDM ESD目標級別的分布預期會有重大變化。

圖2 充電器件模型靈敏度分布組別前瞻（版權所有?2016 EOS/ESD協(xié)會）

為何討論此變化很重要？它指出了需要采用一致的方法來測試整個電子行業(yè)的CDM，應排除多種測試標準所帶來的一些不一致性。現(xiàn)在，確保制造業(yè)針對ESDA討論的CDM路線圖做好適當準備比以往任何時候都更重要。這種準備的一個關鍵方面是確保制造業(yè)從各半導體制造商收到的關于器件CDM魯棒性水平的數(shù)據(jù)是一致的。對一個協(xié)調(diào)一致的CDM標準的需求從來沒有像現(xiàn)在這樣強烈。再加上持續(xù)不斷的技術進步，IO性能也會得到提高。這種對更高IO性能的需要（以及降低引腳電容的需要），迫使IC設計人員別無選擇，只能降低目標級別，進而需要更精密的測量（在ANSI/ESDA/JEDEC JS-002中有說明）。

新聯(lián)合標準

在ANSI/ESDA/JEDEC JS-002之前有四種現(xiàn)存標準：傳統(tǒng)的JEDEC (JESD22-C101)5、ESDA S5.3.16、AEC Q100-0117和EIAJ ED-4701/300-2標準8。ANSI/ESDA/JEDEC JS-002（充電器件模型、器件級別）9代表了將這四種現(xiàn)有標準統(tǒng)一為單一標準的一次重大努力。雖然所有這些標準都產(chǎn)生了有價值的信息，但多種標準的存在對行業(yè)不是好事。不同方法常常產(chǎn)生不同的通過級別，多種標準的存在要求制造商支持不同的測試方法，而有意義的信息并無增加。因此，以下兩點非常重要：IC充電器件抑制能力的單一測量水平是廣為人知的，以確保CDM ESD設計策略得到正確實施；IC的充電器件抑制能力同它將接觸到的制造環(huán)境中的ESD控制水平一致。

為了解決這個問題，2009年成立的ESDA和JEDEC CDM聯(lián)合工作小組(JWG)開發(fā)了JS-002。此外，JWG希望根據(jù)引入場感應CDM (FICDM)以來所獲得的經(jīng)驗教訓對FICDM進行技術改進10。最后，JWG希望盡量減少對電子行業(yè)的沖擊。為了減少行業(yè)沖擊，工作小組決定，聯(lián)合標準不應要求購買全新場感應CDM測試儀，并且通過/失敗水平應盡可能與JEDEC CDM標準一致。JEDEC標準是使用最廣泛的CDM標準，因此JS-002與當前制造業(yè)對CDM的理解保持一致。

雖然JEDEC和ESDA的測試方法非常相似，但兩種標準之間有一些不同之處需要化解。JS-002還試圖解決一些技術問題。一些最重要問題列示如下。

標準之間的差異

◆   場板電介質(zhì)厚度

◆   用于驗證系統(tǒng)的驗證模塊

◆   示波器帶寬要求

◆   波形驗證參數(shù)

標準的技術問題

◆   測量帶寬要求對CDM而言太慢

◆   人為地讓JEDEC標準中的脈沖寬度很寬

為了達成目標并實現(xiàn)統(tǒng)一，作出了如下硬件和測量選擇。在為期五年的文件編制過程中，工作小組進行了大量測量才作出這些決定。

硬件選擇

◆   使用JEDEC電介質(zhì)厚度

◆   使用JEDEC“硬幣”進行波形驗證

◆   禁止在放電路徑中使用鐵氧體

測量選擇

◆   系統(tǒng)驗證/驗收需要最低6 GHz帶寬的示波器

◆   例行系統(tǒng)驗證允許使用1 GHz示波器

盡量減少數(shù)據(jù)損壞并討論隱藏電壓調(diào)整

◆   讓目標峰值電流與現(xiàn)有JEDEC標準一致

◆   指定與JEDEC壓力級別匹配的測試條件；對于JS-002測試結果，指的是測試條件(TC)；對于JEDEC和AEC，指的是伏特(V)

◆   對于JS-002，調(diào)整場板電壓以提供與傳統(tǒng)JEDEC峰值電流要求對應的正確峰值電流

確保較大封裝完全充電

◆   為確保較大封裝完全充電，引入了一個新的程序

下面說明這些改進。

JS-002硬件選擇

JS-002 CDM硬件平臺代表了ESDA S5.3.1探針組件或測試頭放電探針同JEDEC JESD22-C101驗證模塊和場板電介質(zhì)的結合。圖3所示為硬件對比。ESDA探針組件的放電路徑中沒有特定鐵氧體。FICDM測試儀制造商認為，鐵氧體是必要的，增加鐵氧體可提高500 ps的半峰全寬(FWHH)額定最小值，并將Ip2（第二波峰）降至第一波峰Ip1的50%以下，從而滿足傳統(tǒng)JEDEC要求。JS-002去掉了此鐵氧體，從而消除了放電中的這種限制因素，使得放電波形更準確，高帶寬示波器在Ip1時看到的振鈴現(xiàn)象不再存在。

圖3 JEDEC和JS-002平臺硬件原理圖

圖4顯示了ESDA和JEDEC CDM標準驗證模塊的區(qū)別。ESDA標準提供兩個電介質(zhì)厚度選項，并結合驗證模塊（第二個選項是模塊和場板之間有一層最多130 μm的額外塑料薄膜，用于測試帶金屬封裝蓋的器件）。JEDEC驗證模塊/FR4電介質(zhì)代表一個單一小/大驗證模塊和電介質(zhì)選項，支持它的JEDEC標準用戶要多得多。

圖4 ESDA和JEDEC驗證模塊比較JS-002使用JEDEC模塊

 JS-002測量選擇

在JS-002標準制定的數(shù)據(jù)收集階段，CDM JWG發(fā)現(xiàn)需要更高帶寬的示波器才能精確測量CDM波形。1 GHz帶寬示波器未能捕捉到真正的第一峰值。圖5和圖6說明了這一點。

圖5 大JEDEC驗證模塊在500 V JEDEC時與JS-002 TC500在1 GHz時的CDM波形

圖6 大JEDEC驗證模塊在500 V JEDEC時與JS-002 TC500在6 GHz時的CDM波形

例行波形檢查，例如每日或每周的檢查，仍可利用1 GHz帶寬示波器進行。然而，對不同實驗室測試站點的分析表明，高帶寬示波器能提供更好的站點間相關性。¹¹例行檢查和季度檢查推薦使用高帶寬示波器。年度驗證或更換/修理測試儀硬件之后的驗證需要高帶寬示波器。

表1 JS-002波形數(shù)據(jù)記錄表示例，顯示了造成TC（測試條件）電壓的因素⁹

測試儀CDM電壓設置

CDM JWG同時發(fā)現(xiàn)，對于不同測試儀平臺，為了獲得符合先前ESDA和JEDEC標準的標準測試波形，實際板電壓設置需要有相當大的差異（例如，特定電壓設置為100 V或更大）。這在任何標準中都沒有說明。JS-002唯一地確定了將第一峰值電流（以及測試條件所代表的電壓）縮放到JEDEC峰值電流水平所需的偏移或因數(shù)。JS-002附錄G對此有詳細說明。表1顯示了一個包含此特性的驗證數(shù)據(jù)實例。

在設定測試條件下確保超大器件完全充電

在JS-002開發(fā)的數(shù)據(jù)收集階段還發(fā)現(xiàn)了一個與測試儀相關的問題：放電之前，某些測試系統(tǒng)未將大驗證模塊或器件完全充電到設定電壓。不同測試系統(tǒng)的大值場板充電電阻（位于充電電源和場板之間的串聯(lián)電阻）不一致，影響到場板電壓完全充電所需的延遲時間。結果，不同測試儀的第一峰值放電電流可能不同，影響CDM的通過/失敗分類，尤其是大器件。

因此，工作小組撰寫了詳實的附錄H（“確定適當?shù)某潆娧舆t時間以確保大模塊或器件完全充電”），描述了用于確定器件完全充電所需延遲時間的程序。當出現(xiàn)峰值電流飽和點（Ip基本保持穩(wěn)定，設置更長的延遲時間也不會使它改變）時，說明達到了適當?shù)某潆娧舆t時間，如圖7所示。確定此延遲時間，確保放電之前，超大器件能夠完全充電到設定的測試條件。

圖7 峰值電流與充電時間延遲關系圖示例，顯示了飽和點/充電時間延遲⁹

電子行業(yè)逐步采用JS-002

對于采用ESDA S5.3.1 CDM標準的公司，JS-002標準取代了S5.3.1，應將S5.3.1廢棄。對于先前使用JESD22-C101的公司，JEDEC可靠性測試規(guī)范文件JESD47（規(guī)定JEDEC電子元件的所有可靠性測試方法）最近進行了更新，要求用JS-002代替JESD22-C101（2016年末）。JEDEC會員公司轉換到JS-002的過渡時期現(xiàn)已開始。很多公司（包括ADI和Intel）已經(jīng)對所有新產(chǎn)品利用JS-002標準進行測試。

國際電工委員會(IEC)最近批準并更新了其CDM測試標準IS 60749-2812。此標準全盤納入JS-002作為其指定測試標準。

汽車電子理事會(AEC)目前有一個CDM小組委員會，其正在更新Q100-011（集成電路）和Q101-005（無源器件）車用器件CDM標準文件以納入JS-002，并結合AEC規(guī)定的測試使用條件。這些工作預計會在2017年底完成并獲批準。

結語

觀察ESDA提供的CDM ESD路線圖，可知在更高IO性能的驅動下，CDM目標級別會繼續(xù)降低。制造業(yè)對器件級CDM ESD耐受電壓的認知比以往任何時候都更重要，而來自不同CDM ESD標準的不一致產(chǎn)品CDM結果是無法傳達這一訊息的。ANSI/ESDA/JEDEC JS-002有機會成為第一個真正的適用于全行業(yè)的CDM測試標準。消除CDM測試頭放電路徑中的電容，可顯著改善放電波形的質(zhì)量。引入高帶寬示波器用于驗證，提高到五個測試條件波形驗證級別，以及保證適當?shù)某潆娧舆t時間——所有這些措施顯著降低了不同實驗室的測試結果差異，改善了站點間的可重復性。這對確保向制造業(yè)提供一致的數(shù)據(jù)至關重要。電子行業(yè)接受JS-002標準之后，將有能力更好地應對前方的ESD控制挑戰(zhàn)。

參考文獻

1.   Roger J. Peirce?！?strong>ESD損害的最常見原因”。Evaluation Engineering，2002年11月。

2.   ESD目標級別工業(yè)理事會。“工業(yè)理事會白皮書²：降低器件級CDM ESD規(guī)格和要求的一個案例”。EOS/ESD協(xié)會，2010年4月。

3.   “JEP157：推薦ESD-CDM目標級別”。JEDEC，2009年10月。

4.   EOS/ESD協(xié)會路線圖。

5.   “JESD22-C101F：微電子器件靜電放電耐受閾值的場感應充電器件模型測試方法”。JEDEC，2013年10月。

6.   “ANSI/ESD S5.3.1：靜電放電靈敏度測試——充電器件模型(CDM)器件級別”。EOS/ESD協(xié)會，2009年12月。

7.   “AEC-Q100-011：充電器件模型(CDM)靜電放電測試”。汽車電子理事會，2012年7月。

8.   “EIAJ ED-4701/300-2，測試方法305：充電器件模型靜電放電(CDM-ESD)”。日本電子與信息技術行業(yè)協(xié)會，2004年6月。

9.   “ANSI/ESDA/JEDEC JS-002-2014：充電器件模型(CDM)器件級別”。EOS/ESD協(xié)會，2015年4月。

10.   Alan W. Righter、Terry Welsher和Marti Ferris。“邁向聯(lián)合ESDA/JEDEC CDM標準：方法、實驗和結果”。EOS/ESD論文集，2012年9月。

11.   Theo Smedes、Michal Polweski、Arjan van IJzerloo、Jean-Luc Lefebvre和Marcel Dekker?！?strong>CDM校準程序的隱患”。EOS/ESD論文集，2010年10月。

12.   “IEC IS 60749-28，靜電放電(ESD)靈敏度測試——充電器件模型(CDM) - 器件級別”。國際電工委員會，2017年。