Полное руководство по тестированию компонентов интегральных схем с использованием современного оборудования для тестирования CDM ESD компонентов интегральных схем.

Резюме
В процессе производства, транспортировки и сборки полупроводниковых микросхем электростатический разряд, имитирующий работу заряженных устройств, является основной причиной неожиданных отказов интегральных схем. Такие отказы характеризуются высокой степенью скрытности, сверхкороткой длительностью импульса и сложностью воспроизведения. Традиционные тесты с использованием моделей человеческого тела (HBM) и машинных моделей (MM) не могут в полной мере охватить такие риски отказов. Оборудование для тестирования электростатического разряда компонентов интегральных схем (IC Component CDM ESD Testing Equipment) воспроизводит явление переходного разряда при контакте заряженных устройств с заземленными проводниками и позволяет оценить электростатическую устойчивость компонентов интегральных схем. В данной работе рассматривается LISUN ESD-CDM CDM Semiconductor ESD Simulator В качестве объекта исследования рассматривается принцип работы, аппаратная часть, соответствие стандартам, полные процедуры тестирования и инженерная ценность оборудования для тестирования компонентов интегральных схем на предмет электростатического разряда (ЭСР), чтобы предоставить полный и применимый на практике справочник по тестированию для исследований надежности, контроля качества массового производства и международной сертификации полупроводниковых приборов.

Введение

В процессе работы на производственных линиях, транспортировки в упаковке и автоматизированной сборке полупроводниковые микросхемы накапливают электростатический заряд за счет трения и индукции электрического поля. Когда выводы устройства соприкасаются с заземленными элементами, контактными площадками печатной платы или металлическими деталями автоматизированного оборудования, происходит наносекундный переходный разряд, а именно электростатический разряд в режиме заряженного устройства (CDM). Импульс разряда обычно длится менее 1 нс, а пиковый ток достигает десятков ампер. Хотя общая энергия разряда низка, его плотность мощности чрезвычайно высока, что может напрямую привести к пробою затворного оксидного слоя микросхем и вызвать сгорание внутренних цепей, дрейф параметров или необратимый функциональный сбой. Многие микросхемы работают исправно после заводской проверки, но после эксплуатации и сборки обнаруживают необъяснимые неисправности. Большая часть таких проблем связана со скрытыми повреждениями, вызванными электростатическими разрядами в режиме заряженного устройства (CDM), которые трудно обнаружить с помощью обычного визуального осмотра.

Большинство традиционных устройств для тестирования электростатического разряда (ESD) ориентированы на модели человеческого тела и машины. Их архитектура и возможности сбора сигналов не соответствуют строгим требованиям тестирования CDM, и они часто имеют такие недостатки, как громоздкие процедуры эксплуатации, недостаточная стабильность формы разряда и большая ошибка управления напряжением. Оборудование для тестирования CDM ESD компонентов интегральных схем специально разработано для сценариев контактного разряда заряженных устройств. Благодаря интегрированной конструкции, включающей инжекцию заряда и контактный разряд, оно позволяет точно контролировать напряжение заряда и скорость разряда контактов, полностью фиксировать переходные токовые сигналы, количественно определять предел устойчивости микросхем к электростатическому удару CDM, заблаговременно выявлять дефекты конструкции устройства и снижать вероятность отказов на последующих этапах массового производства и применения.

Аппаратная архитектура и основные параметры оборудования для тестирования CDM ESD компонентов интегральных схем

полная LISUN Система ESD-CDM (Cemiconductor ESD Simulator) состоит из трех основных блоков: высоковольтного источника постоянного тока, тестового блока и электростатического измерительного зонда. Оборудование может независимо выполнять тесты в режиме CDM. Оно также может использовать общий блок с симулятором ESD-883D для расширения комплексных тестов, охватывающих модели CDM, HBM и MM, и обеспечивать многомерную оценку электростатической восприимчивости устройств. Высоковольтный источник постоянного тока выдает управляемое положительное и отрицательное высокое напряжение для осуществления полевого заряда тестируемых устройств. Тестовый блок содержит тестируемую микросхему и оснащен трехмерной регулировкой перемещения и высоковольтной защитной изоляцией. Электростатический измерительный зонд выполняет контактный разряд и включает в себя аттенюатор для вывода сигналов тока разряда для записи и анализа на внешний осциллограф. Ключевые аппаратные параметры оборудования приведены в таблице ниже.

Внутри тестового блока встроена защита от высоковольтной изоляции. Пластина высоковольтной индукции изолирована для предотвращения рисков, связанных с утечкой высокого напряжения, и обеспечения безопасности оператора. Пластина высоковольтной индукции вместе с изоляционной пластиной из материала FR4 образует тестовую платформу. Материал FR4 соответствует требованиям JEDEC к материалам для тестовых платформ CDM и генерирует равномерные и стабильные электростатические индукционные поля, обеспечивая равномерное распределение заряда на устройствах во время зарядки. Электростатический тестовый зонд имеет физический диаметр Φ1.5 мм и телескопическое перемещение примерно 3 мм, совместимый с основными полупроводниковыми корпусами, включая DIP, SOP, QFP, BGA и TO. Оснащенный специальным аттенюатором, зонд имеет интерфейсы сбора сигнала для прямого подключения к осциллографу для захвата импульсных сигналов разряда наносекундного уровня. Устройство оснащено сенсорным экраном Android с китайско-английским интерфейсом для настройки параметров одним нажатием кнопки. Данные испытаний, такие как осциллограммы напряжения и тока, могут сохраняться напрямую, что повышает повторяемость и эффективность испытаний.

Применимая система стандартов испытаний

LISUN Оборудование для тестирования электростатического разряда компонентов интегральных схем ESD-CDM полностью соответствует основным национальным и международным стандартам тестирования электростатического разряда CDM. Международные стандарты включают ANSI/ESDA/JEDEC JS-002-2014, IEC 60749-28:2022, AEC-Q100-011, EIA/JESD22-C101 и JEITA ED-4701/300 Метод испытаний 305. Соответствующий национальный стандарт — GB/T 4937.28-2024 Полупроводниковые приборы — Методы механических и климатических испытаний — Часть 28: Испытания на чувствительность к электростатическому разряду — Модель заряженного устройства, который идентично преобразован из IEC 60749-28:2022. Данное оборудование для тестирования компонентов ИС на электростатическую восприимчивость (ЭСП) может использоваться для классификации компонентов по ЭСП на уровне компонентов, проверки надежности и проведения сертификационных испытаний сторонними организациями, а полученные данные могут быть непосредственно использованы в сертификационных отчетах.

Полные процедуры тестирования CDM для компонентов интегральных схем

Формальный CDM-тестирование компонентов ИС должно строго соответствовать стандартным спецификациям для контроля ключевых условий, таких как точность позиционирования, время установления заряда и скорость перемещения зонда, а также минимизировать ошибки тестирования, вызванные ручным управлением. Шаг первый — установка ИС. Поместите тестируемое полупроводниковое устройство на изоляционную пластину и закрепите его совместимыми зажимами так, чтобы контакты были направлены вверх. Убедитесь в отсутствии люфта или смещения, чтобы избежать влияния разрядных эффектов, вызванных смещением устройства во время тестирования. Шаг второй — калибровка положения. Отрегулируйте ручки по осям X/Y/Z на основании, чтобы выровнять целевой контакт точно под центром тестового зонда, при этом точность калибровки положения должна контролироваться в пределах 0.1 мм для удовлетворения требований JEDEC к погрешности позиционирования. Шаг третий — ввод зонда в эксплуатацию. Переместите зонд вручную до максимального хода и медленно опустите его, пока он не коснется контакта устройства. Следует строго избегать чрезмерного нажатия, которое может привести к физическому повреждению микросхемы. После подтверждения контакта переведите зонд в положение ожидания, оставив зазор 5–10 мм между зондом и контактом. Шаг четвертый — предварительная настройка параметров. Установите скорость вертикального перемещения зонда на сенсорном интерфейсе. Для микросхем с хрупкими корпусами рекомендуется скорость 0.5–2 см/с, чтобы предотвратить механические повреждения от зонда. Пятый шаг — электростатическая зарядка. Установите целевое напряжение на высоковольтном источнике питания и выполните зарядку устройства, индуцированную полем, через высоковольтную индукционную пластину. Поддерживайте время установления 1–2 секунды для достижения полного и равномерного распределения заряда внутри устройства. Шестой шаг — выполнение теста разряда. Запустите автоматическую процедуру перемещения зонда вниз. Зонд контактирует с выводом устройства, чтобы инициировать разряд CDM. Сигналы мгновенного тока разряда передаются через аттенюатор на осциллограф с частотой дискретизации не ниже 1 ГГц для захвата и сохранения импульсных сигналов на уровне наносекунд. После однополярного разряда на одном выводе поменяйте полярность высокого напряжения и целевой вывод для выполнения циклических положительных и отрицательных стресс-тестов разряда CDM на всех выводах. По завершении испытаний сравните электрические параметры и функциональное состояние устройства до и после воздействия нагрузки, чтобы определить его рейтинг электростатической восприимчивости CDM.

Применение инженерных решений и меры предосторожности при испытаниях

Оборудование для тестирования компонентов интегральных схем на предмет электростатического разряда (ЭСР) обеспечивает множество преимуществ на протяжении всей производственной цепочки полупроводниковой промышленности. На этапе исследований и разработок микросхем инженеры-разработчики могут использовать это оборудование для обнаружения чувствительных к ЭСР слабых мест внутри микросхем и оптимизации проектирования схем защиты от ЭСР на кристалле. На предприятиях по упаковке оно может применяться для входного контроля и проверки надежности готовой продукции, чтобы заранее отбраковывать изделия с недостаточным допуском по ЭСР. Для микросхем автомобильного класса, требующих сертификации соответствия, тестовые выходы поддерживают такие сертификационные требования, как AEC-Q100. Следует отметить, что импульсы разряда ЭСР представляют собой высокоскоростные сигналы пикосекундного-наносекундного диапазона. Кабели, аттенюаторы и полоса пропускания осциллографа всей тестовой системы напрямую влияют на точность формы сигнала. При практическом тестировании необходимо регулярно проводить калибровку системы, чтобы гарантировать соответствие показателей ошибки напряжения и тока стандартным требованиям. Устройствам с большими размерами корпусов требуется увеличенное время установления заряда для достаточного накопления заряда.

Заключение

По мере уменьшения технологических параметров полупроводниковых технологий слои затворного оксида в микросхемах становятся тоньше, а интегральные схемы — более уязвимыми к электростатическим разрядам, вызванным заряженными контактами. Заряженные контакты стали одной из основных причин отказов микросхем. Оборудование для тестирования электростатической восприимчивости компонентов интегральных схем к заряженным контактам позволяет реалистично воспроизводить сценарии разряда заряженных контактов в процессе производства и сборки, обеспечивая высокоточное и высоковоспроизводимое тестирование электростатической восприимчивости компонентов к заряженным контактам. LISUN ESD-CDM CDM Semiconductor ESD Simulator Преодолевает недостатки традиционных приборов для тестирования CDM. Его аппаратная структура, точность управления и соответствие стандартам могут удовлетворить практические требования исследований, контроля качества и сертификации в отечественной полупроводниковой промышленности. При проведении проверки надежности интегральных схем предприятиям следует уделять особое внимание тестированию CDM и включать оборудование для тестирования CDM-электростатического разряда компонентов ИС в системы тестирования надежности. Это позволяет избежать скрытых отказов, вызванных статическим электричеством CDM, на уровне компонентов и повысить общую надежность интегральных схем.