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关于ESD静电放电测试

kaikai 2024-5-14 17:20:22
#ESD静电测试#

静电放电(ESD)是导致所有电子元器件或集成电路系统遭受过度电应力(EOS)破坏的主要原因。静电在瞬间产生的高电压(>几千伏)对电路造成毁灭性和永久性损害。因此,国际上早已对静电放电展开研究,并制定了电子产品规范化的测试标准《IEC61000-4-2》。
ESD产生方式
ESD产生的原因较多,对于集成电路电子元件产品,常见的ESD 被分类为下列三类,分别是:人体放电模式(HBM, Human Body Model),机器放电模式(MM, Machine Model)以及元件充电模式(CDM, Charge Device Model)。
人体放电模式(HBM, Human Body Model)
指人体通过磨擦或其他原因积累了静电,而静电没有释放时,当人碰触到电子元件时,人体积累的静电便会经由电子元件的管脚进入电子元件内,再经由电子元件放电到地。该模型表征人体带电接触元件放电,人体等效电阻定为1.5kΩ,人体等效电容定为100pF。
HBM的电流波形如下图中所示,对于消费类电子产品一般要通过2kV的 HBM ESD电压,通常电流峰值在1.2A-1.48A左右,电流上升时间在2-10ns,电流持续时间在130ns-170ns之间,放电速度非常快。
HBM ESD敏感元器件静电敏感度等级,参考JS-001标准共分为九个等级。

机器放电模式(MM, Machine Model)
用于模拟带电导体在电子元件上产生静电放电。是指机器(例如机械手臂)本身积累了静电,当此机器碰触IC时,该静电便经由IC的PIN脚放电。该放电过程持续时间较短、电流较大。由于机器多为金属,金属的阻抗可以认为是0Ω,所以机器放电模式中的等效电阻为0Ω,等效电容定为200pF,并且相比于HBM, 等效电路中多出了一个电感。
机器模式下电流波形见下图,因为机器在放电模式下不存在电阻,所以放电过程较短,储电电容比人体模式大,从几个ns至几十个ns之间,会出现几安放电电流。相同电压下,机器模式产生的放电电流比人体模式更大,对元器件的破坏性远大于人体模式。
MM ESD敏感元器件静电敏感度等级,参考JEDEC标准共分为三个等级。
元件充电模式(CDM, Charge Device Model)  
由于摩擦或其他原因,电子元件在生产运输过程中积累了静电,但由于没有快速释放电荷,因此没有受到损伤。这种带有静电的元件的管脚接近或者触碰到导体或人体时,元件内部的静电便会瞬间放电,此种模式的放电时间可能只在几ns内。
CDM ESD放电时间更短、电流峰值更高,导致器件承受的ESD应力更大,相比于前两种模式,CDM更容易导致IC损坏。
CDM ESD敏感元器件静电敏感度等级,参考JS-002标准共分为五个等级。


ESD静电放电测试


金鉴是LED领域中技术能力最全面、知名度最高的第三方检测机构之一,围绕高质量LED产品的诞生,从外延片生产、芯片制作、器件封装到LED驱动电源、灯具等产品应用环节,从LED原材料、研发和生产工艺角度,为客户提供以失效分析为核心,以材料表征、参数测试、可靠性验证、来料检验和工艺管控为辅的一站式LED行业解决方案。

测试设备


金鉴配备有ESD-1000 LED抗静电能力自动测试系统。它由EMS61000-2A静电放电发生器、静电测试平台和可编程LED专用精密测试电源组成,是针对LED静电敏感等级判定要求及特点的自动分析测试系统。该系统具备LED静电,正向电压、反向漏电流测试等功能,可实现LED静电敏感等级的快速判定和筛选。提供测试软件平台;动态显示测试信息;可编辑、保存、预设测试参数,测试结束可生成、打印测试报告。
ESD-1000可依据IEC61000-4-2,GB/T17626.2等标准实现LED静电敏感等级判定的自动分析测试。可实现LED静电,正向电压、反向漏电流等一体化测试。
技术参数最大输出电压:20.00kV / 30.00kV放电间隔:0.050s~30.0s放电次数:1~9999输出极性:正 / 负放电模式:接触放电 / 空气放电放电方式:手动 / 自动 放电网络:150pF/330Ω(IEC)
放电模式
1.接触放电:在接触放电中,发生放电之前,ESD发生器的放电电极的尖端应与 DUT 接触。可导电的金属面。
2.空气放电:在空气放电中,放电电极充电到试验电压,然后以规定的速度接近 DUT,当放电尖端足够接近 DUT 时,放电尖端和试验点之间的电介质材料被击穿,通过电弧放电。开槽处、缝隙和绝缘面等。

关于ESD的常识
1)NMOS我们通常都能看到比较好的特性,但是实际上PMOS很难有特性,而且PMOS耐ESD的特性普遍比NMOS好,这个道理同HCI效应,主要是因为NMOS击穿时候产生的是电子,迁移率很大,所以Isub很大容易使得Bulk/Source正向导通,但是PMOS就难咯。

2) Trigger电压/Hold电压: Trigger电压当然就是之前将的的第一个拐点(Knee-point),寄生BJT的击穿电压,而且要介于BVCEO与BVCBO之间。
而Hold电压就是要维持持续ON,但是又不能进入栅锁(Latch-up)状态,否则就进入二次击穿(热击穿)而损坏了。还有个概念就是二次击穿电流,就是进入Latch-up之后I^2*R热量骤增导致硅融化了,而这个就是要限流,可以通过控制W/L,或者增加一个限流高阻, 最简单最常用的方法是拉大Drain的距离/拉大SAB的距离(ESD rule的普遍做法)。

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