Лекция 6. Защита выводов микросхем от статического электричества. Общие сведения

В соответствии со стандартом ОСТ 11 073.062 – 2001 для описания воздействия электростатического разряда (ESD) используются следующие термины и определения:

– статическое электричество (СЭ) – совокупность явлений, связанных с возникновением, сохранением и релаксацией свободного электрического заряда на поверхности, в объеме диэлектрических и полупроводниковых веществ, на теле человека или на изолированных проводниках; характеризуется величиной потенциала и запасенной энергией;

– воздействие статического электричества – процесс уравнивания зарядов (разряд–заряд); характеризуется максимальным током и временем действия (разряда–заряда);

– стойкость к воздействию статического электричества – способность p-n переходов и других компонентов приборов не снижать уровень надежности после воздействия статического электричества, включая сохранение структуры компонентов и неизменность параметров до и после воздействия (значения параметров, измеренные до и после воздействия, должны находиться в интервале, определяемом двойной погрешностью измерения);

– опасное (критическое) значение потенциала – величина потенциала, при воздействии которого происходит разрушение прибора, включая разрушение структуры компонентов и изменение параметров (значения параметров, измеренные до и после воздействия, выходят за пределы интервала, определяемого двойной погрешностью измерения).

Модели воздействия статического электричества

Для определения критического значения потенциала используют тестовые устройства, моделирующие основные способы накопления и воздействия заряда на выводы микросхемы.

Различают три модели воздействия СЭ на выводы ИС:

1. Модель человеческого тела (HBM, стандарты JESD22–A114–B, MIL–STD–833C Method 3015.7, ESD STM 5.1), которая имитирует прикосновение заряженного человека к выводу ИС;

2. Машинная модель (MM, стандарты EIA/JESD22–A115–A, EIAJ–IC–121 Method 20, ESD STM 5.2), имитирует воздействие СЭ, накопленного на предметах и инструментах при соприкосновении с выводом ИС;

3. Модель заряженного прибора (CDM, стандарты JESD22–C101B, ESD DS5.3.1), имитирует воздействие СЭ, накопленного корпусом или наведенного на корпус самой ИС, входе разряда через вывод на заземленный предмет.

Обобщенная электрическая схема устройства тестирования приведена на рис. 6.1.

Рис. 6.1. Обобщенная электрическая схема устройств для определения критического потенциала

В табл. 6.1 приведены параметры элементов устройств тестирования для различных моделей.

Т а б л и ц а 6.1. Параметры компонентов устройства тестирования

Элемент	HBM (JESD22–A114–B )	ММ (EIA/JESD22– A115–A)	ОСТ 11 073.062– 2001
1	2	3	4
R1 (Ом)	1500	0	1000
С1 (пФ)	100	200	200

Для модели заряженного прибора в стандарте приводится эскиз устройства тестирования с указанием материалов и требуемых характеристик.

Процедура определения критического потенциала состоит в подаче на каждый вывод по отношению к корпусу и на каждую пару выводов микросхемы заданного количества разрядов положительной и отрицательной полярности. При этом емкость С₁ заряжается до рекомендуемого на данном шаге уровня потенциала. Начинают испытания с шага с наименьшим значением потенциала.

После каждого воздействия микросхему проверяют на соответствие либо паспортным характеристикам (HBM, ММ, CDM) либо на неизменность параметров измеренных до и после воздействия (ОСТ 11 073.062 – 2001). В случае положительного результата испытаний, на микросхему подают воздействие следующего уровня до тех пор, пока не будет найден уровень потенциала, который приводит к отказу. При этом безопасным признается уровень (жесткость, класс) шагом ниже критического, значение которого и записываются в ТУ. В случае если пройдены успешно испытания по всем уровням, для микросхемы считается безопасным последний уровень.

Ряд потенциалов для тестирования по ОСТ 11 073.062 – 2001приведен в табл. 6.2.

Т а б л и ц а 6.2. Ряд потенциалов по ОСТ 11 073.062 – 2001

Степень жесткости	Условие присвоения степени, В	Потенциал, В
1	2	3
I	30 < Uкрит  100	30
II	100 < Uкрит  200	100
III	200 < Uкрит  500	200
IY	500 < Uкрит  1000	500
Y	1000 < Uкрит  2000	1000
YI	2000 < Uкрит  4000	2000
YII	4000 < Uкрит	4000

Ряд потенциалов для тестирования по модели HBM приведен в табл. 6.3.

Т а б л и ц а 6.3. Ряд потенциалов для HBM (JESD22–A114–B )

Класс	Условие присвоения класса, В	Потенциал, В
1	2	3
1A	250 < Uкрит  500	250
1B	500 < Uкрит  1000	500
1C	1000 < Uкрит  2000	1000
2	2000 < Uкрит  4000	2000
3A	4000 < Uкрит  8000	4000
3B	8000 < Uкрит	8000

Ряд потенциалов для тестирования по модели MM приведен в табл. 6.4.

Т а б л и ц а 6.4. Ряд потенциалов для MM (EIA/JESD22–A115–A)

Класс	Условие присвоения класса, В	Потенциал, В
1	2	3
A	Uкрит  200	100
B	200 < Uкрит  400	200
C	400 < Uкрит	400

Ряд потенциалов для тестирования по модели CDM приведен в табл. 6.5.

Т а б л и ц а 6.5. Ряд потенциалов для CDM (JESD22-C101B)

Класс	Условие присвоения класса, В	Потенциал, В
1	2	3
I	Uкрит < 200	100
II	200 < Uкрит  500	200
III	500 < Uкрит  1000	500
IY	200 < Uкрит  1000	1000

На рис. 6.2 приведена типовая форма (не в масштабе) импульса тока при воздействии СЭ по HBM модели. Здесь t_фр– время фронта (менее, чем 10нс);t_ср– время среза (150 ± 20 нс);I_п– пиковый ток.

Рис. 6.2. Зависимость тока от времени для HBM модели

Связь пикового тока и начального потенциала на емкости приведена в табл. 6.6.

Т а б л и ц а 6.6. Связь пикового тока и начального потенциала на емкости

Потенциал, В	Пиковый ток, Iп (10%)
1	2
 500	 0,33А
 1000	 0,67А
 2000	 1,33А
 4000	 2,67А

Зная критический потенциал, полученный для одной из моделей можно оценить возможный критический потенциал для других моделей, используя приведенные ниже выражения

где  U_HBM,U_CDM,U_MM – критические потенциалы дляHBM,CDM,MM– моделей, соответственно.