集成電路靜電放電敏感度測試設備校準規(guī)范

JJF1238—20221集成電路靜電放電敏感度測試設備校準規(guī)范1范圍本規(guī)范適用于集成電路靜電放電敏感度測試設備(人體模型、機器模型和閂鎖模型)的校準。2引用文件GJB548B—2005微電子器件試驗方法和程序ANSI/ESDSTM5.1—2007靜電放電敏感度測試人體模型(HBM)器件級[ForElectrostaticDischargeSensitivityTesting—HumanBodyModel(HBM)Compo-nentLevel]JESD22-A115C—2010靜電放電敏感度測試—機器模型(MM)[ElectrostaticDischarge(ESD)SensitivityTesting,MachineMode(MM)]JESD78E—2016集成電路閂鎖測試(ICLatch-UpTest)凡是注日期的引用文件,僅注日期的版本適用于本規(guī)范;凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。3術語3.1(人體模型)脈沖持續(xù)時間(HumanBodyModel)pulseduration放電電流從100%峰值衰減到36.8%峰值所需要的時間。3.2(機器模型)諧振頻率(MachineModel)resonancefrequency放電電流第1次過零點與第3次過零點時間間隔tfr的倒數(shù)。4概述集成電路靜電放電敏感度測試設備(也稱ESD設備)主要模擬產生自然界中人體、機器可能帶有的靜電電壓,并將產生的靜電電壓施加到被測器件上,以考察器件的抗靜電能力。根據(jù)放電機理,集成電路靜電放電敏感度測試設備(以下簡稱被校設備)可模擬人體、機器和閂鎖三種放電模型。其中,人體模型模擬人體帶電后對電子元器件的靜電放電,機器模型模擬帶靜電機器或設備對電子元器件的靜電放電,閂鎖模型是模擬集成電路中的寄生可控硅結構被導通后對器件造成的放電。人體模型放電的短路電流波形如圖1所示,機器模型放電的短路電流波形如圖2所示,閂鎖模型放電的所示。圖1人體模型放電的短路電流波形圖2機器模型放電的短路電流波形圖3閂鎖模型放電的電壓波形2JJF1238—202235計量特性5.1人體模型放電5.1.1人體模型放電短路電流人體模型放電短路電流計量特性,見表1。表1人體模型放電短路電流計量特性模擬充電電壓/V短路電流峰值Ip/A最大允許誤差上升時間tr/ns脈沖持續(xù)時間td/ns±100±0.067±10%2~10130~170±250±0.165±10%2~10130~170±500±0.33±10%2~10130~170±1000±0.67±10%2~10130~170±2000±1.33±10%2~10130~170±4000±2.67±10%2~10130~170±8000±5.33±10%2~10130~1705.1.2人體模型500Ω負載放電電流人體模型500Ω負載放電電流計量特性,見表2。表2人體模型500Ω負載放電電流計量特性模擬充電電壓/V負載電流峰值IPR/A上升時間tr/ns±1000±(0.375~0.550)5~25±4000±(1.5~2.2)5~255.2機器模型放電5.2.1機器模型放電短路電流機器模型放電短路電流計量特性,見表3。表3機器模型放電短路電流計量特性模擬充電電壓/V短路電流峰值Ip1/A最大允許誤差電流第二峰與第一峰之比IP2/IP1諧振頻率fR/MHz±100±1.75±10%67%~90%11~16±200±3.5±10%67%~90%11~16±400±7.0±10%67%~90%11~16±800±14±10%67%~90%11~16±2000±35±10%67%~90%11~165.2.2機器模型500Ω負載放電電流機器模型500Ω負載放電電流計量特性,見表4。4表4機器模型500Ω負載放電電流計量特性模擬充電電壓/V100ns處電流值I100/A最大允許誤差負載電流峰值IPR±400±0.29±20%≤4.5×I1005.3閂鎖模型放電5.3.1施加電流:(0.05~5)A。最大允許誤差:±10%。5.3.2施加電壓:±(1~100)V。最大允許誤差:±10%。5.3.3施加電壓上升時間:10μs~50ms。最大允許誤差:±25%。注:以上技術指標不做合格性判別,僅提供參考。6校準條件6.1環(huán)境條件6.1.1環(huán)境溫度:(23±5)℃。6.1.2相對濕度:30%~75%。6.1.3電源要求:(220±11)V;(50±1)Hz。6.1.4周圍無影響正常工作的機械振動和電磁干擾。6.2測量標準及其他設備6.2.1數(shù)字示波器帶寬:≥1GHz;幅度(50Ω):10mV~5V;直流幅度最大允許誤差:±2%。6.2.2電流探頭(用于人體模型)電流范圍:(0.05~12)A;最大允許誤差:±3%;帶寬:≥1GHz;上升時間:≤1ns。6.2.3電流探頭(用于機器模型)電流范圍:(1.0~36)A;最大允許誤差:±3%;帶寬:≥200MHz;上升時間:≤1ns。6.2.450Ω同軸衰減器衰減量:20dB;最大允許誤差:±0.2dB;帶寬:≥2GHz。56.2.5電阻(放電負載)阻值:500Ω;最大允許誤差:±0.1%;極限電壓:≥4kV。6.2.6標準電阻器組阻值:0.1Ω、1Ω、10Ω;最大允許誤差:±1%;額定連續(xù)功率:≥20W。6.2.7短路線截面積為(0.21~0.83)mm2的鍍錫單芯銅線。7校準項目和校準方法7.1校準項目被校設備校準項目見表5。表5校準項目編號項目名稱條款1外觀及工作正常性檢查7.2.12人體模型放電短路電流參數(shù)a)人體模型放電短路電流峰值7.2.2b)人體模型放電短路電流上升時間c)人體模型放電短路電流脈沖持續(xù)時間3人體模型500Ω負載放電電流參數(shù)a)人體模型500Ω負載放電電流峰值7.2.3b)人體模型500Ω負載放電電流上升時間4機器模型放電短路電流參數(shù)a)機器模型放電短路電流峰值7.2.4b)機器模型放電短路電流第二峰與第一峰之比c)機器模型放電短路電流諧振頻率5機器模型500Ω負載放電電流參數(shù)a)機器模型500Ω負載放電100ns處電流值7.2.5b)機器模型500Ω負載放電峰值電流6閂鎖模型放電施加電流7.2.67閂鎖模型放電施加電壓/上升時間a)閂鎖模型放電施加電壓7.2.7b)閂鎖模型放電施加電壓上升時間7.2校準方法7.2.1外觀及工作正常性檢查7.2.1.1被校設備應外觀完好、應附有設備正常工作的必要的附件。各開關、按鍵等應安裝牢固、調節(jié)正常,無影響電氣性能的機械損傷。7.2.1.2通電預熱后,被校設備應能正常工作。7.2.1.3啟動被校設備自檢功能,自檢應全部項目合格。7.2.1.4將檢查結果記錄于附錄A表A.1中。67.2.2.1按圖4連接儀器。7.2.2.2選擇被校設備測試座上引線最長的通道作為校準通道，將被校準通道(設置為放電通道)與地端(設置為地通道)用短路線相連接并接入電流探頭，電流探頭正端7.2.2.3被校設備設置為人體放電模型，按表2設置放電電壓。7.2.2.4調節(jié)數(shù)字示波器的垂直刻度和水平刻度，使測量波形位于數(shù)字示波器恰當?shù)奈恢蒙稀０磮D5、圖6所示，測量短路電流峰值Ips、上升時間tr、脈沖持續(xù)時間ta。其中，峰值電流為數(shù)字示波器時間刻度在5ns/div下，波形下降趨勢線的向上延伸與波形上升沿的交匯點(圖5中A點)處的電壓V對應的電流值，短路電流峰值按公式(1)計算。將結果記錄于附錄A表A.2中。7圖6人體模型放電短路電流脈沖持續(xù)時間參數(shù)7.2.2.5對于其他放電電壓和極性的校準，重復步驟7.2.2.4。7.2.3.1校準設備連接如圖7所示。5002電阻5002電阻圖7人體放電模型500Ω負載放電電流參數(shù)校準連接框圖7.2.3.2選擇被校設備測試座上引線最長的通道作為校準通道，將被校準通道(設置為放電通道)與地端(設置為地通道)用500Ω電阻相連接并接入電流探頭，電流探頭7.2.3.3被校設備設置為人體放電模型，放電電壓為1000V。7.2.3.4調節(jié)數(shù)字示波器的垂直刻度和水平刻度，使測量波形位于數(shù)字示波器恰當?shù)奈恢蒙?。按圖8所示，測量負載電流峰值IpR、上升時間t.,其中負載電流峰值按公式(1)計算。將測量結果記入附錄A表A.3中。7.2.3.5對于其他放電電壓和極性的校準，重復步驟7.2.3.4。7.2.4.1按圖4所示連接儀器。7.2.4.2選擇被校設備測試座上引線最長的通道作為校準通道，將被校準通道(設置為放電通道)與地端(設置為地通道)用短路線相連接并接入電流探頭，電流探頭正端7.2.4.3被校設備設置為機器放電模型，按表3設置放電電壓。8圖8人體模型500Ω負載放電電流參數(shù)7.2.4.4調節(jié)數(shù)字示波器的垂直刻度和水平刻度，使測量波形位于數(shù)字示波器恰當?shù)奈恢蒙?。按圖9所示，測量短路電流峰值電流I,、電流第二峰與第一峰之比Ipz/Ipi(%)、電流諧振頻率f。短路電流峰值按公式(1)計算，將校準結果記入附錄A表圖9機器模型放電短路電流參數(shù)7.2.4.5對于其他放電電壓和極性的校準，重復步驟7.2.4.3～7.2.4.4。7.2.5.1校準設備連接如圖7所示。7.2.5.2選擇被校設備測試座上引線最長的通道作為校準通道，將被校準通道(設置為放電通道)與地端(設置為地通道)用500Ω電阻相連接并接入電流探頭，數(shù)字示波器通過20dB衰減器與電流探頭輸出端相連。電流探頭正端面向放電通道側。97.2.5.3被校設備設置為機器放電模型，試驗電壓設置為400V。7.2.5.4調節(jié)數(shù)字示波器的垂直刻度和水平刻度，使測量波形位于數(shù)字示波器恰當?shù)奈恢蒙?。按圖10所示，測量負載電流峰值Ipr和100ns處電流值I1oo,并將結果記入附圖10機器模型500Ω負載放電電流波形參數(shù)7.2.5.5對于一400V放電波形參數(shù)的校準，重復步驟7.2.5.4。7.2.6.1校準設備連接如圖11所示。圖11閂鎖模型施加電流校準連接框圖7.2.6.2選擇被校設備測試座上任一通道作為校準通道，將被校準通道設置為放電通電流以及50mA,100mA,500mA,1000mA。7.2.6.4根據(jù)設置電流選取標準電阻，阻值選擇以保證電流I流過該電阻R產生電壓7.2.6.5數(shù)字示波器輸入阻抗設置為1MQ,并根據(jù)電壓幅度選擇合適的垂直刻度。利用數(shù)字示波器測量電阻兩端的電壓，根據(jù)公式(2)計算施加電流校準值，將校準結果記入附錄A表A.6中。V數(shù)字示波器測量電壓值，V;R——標準電阻阻值，Ω。7.2.6.6對于不同的校準點，重復步驟7.2.6.4～7.2.6.5。7.2.7閂鎖模型放電施加電壓/上升時間7.2.7.1校準設備連接如圖12所示。7.2.7.2選取被校設備測試座上任一通道作為被校準通道，該通道設置為放電通道，另任選一通道設置為接地通道。被校設備設置為閂鎖放電電壓輸出模式。7.2.7.3在被校設備輸出電壓范圍內選取電壓校準點，一般應包含最小電壓、最高電壓和中間點。7.2.7.4數(shù)字示波器輸入阻抗設置為1MΩ,并根據(jù)電壓幅度和上升時間選擇合適的垂直刻度和水平刻度。根據(jù)圖3中的參數(shù)定義，利用數(shù)字示波器測量放電電壓V和上升時間tr,將校準結果記入附錄A表A.7中。7.2.7.5對于不同的校準點，重復步驟7.2.7.4。8校準結果的表達集成電路靜電放電敏感度測試設備校準后，出具校準證書。校準證書至少應包含以下信息：b)實驗室名稱和地址；c)進行校準的地點(如果與實驗室的地址不同);d)證書的唯一性標識(如編號),每頁及總頁數(shù)的標識；e)客戶的名稱和地址；f)被校對象的描述和明確標識；g)進行校準的日期，如果與校準結果的有效性和應用有關時，應說明被校對象的接收日期；h)如果與校準結果的有效性應用有關時，應對被校樣品的抽樣程序進行說明；i)校準所依據(jù)的技術規(guī)范的標識，包括名稱及代號；j)本次校準所用測量標準的溯源性及有效性說明；JJF1238—202211k)校準環(huán)境的描述;l)校準結果及其測量不確定度的說明;m)對校準規(guī)范的偏離的說明;n)校準證書或校準報告簽發(fā)人的簽名、職務或等效標識;o)校準結果僅對被校對象有效的聲明;p)未經(jīng)實驗室書面批準,不得部分復制證書的聲明。9復校時間間隔復校時間間隔由用戶根據(jù)使用情況自行確定,推薦為1年。JJF1238—202212附錄A原始記錄格式表A.1外觀及工作正常性檢查項目檢查結果外觀檢查正?！醪徽！?工作正常性檢查正?！醪徽！?自校準檢驗正?！醪徽！?表A.2人體模型放電短路電流波形參數(shù)設置電壓kV上升時間/ns脈沖持續(xù)時間/ns峰值電流/A校準值測量不確定度(k=2)校準值測量不確定度(k=2)校準值測量不確定度(k=2)0.1-0.10.5-0.51-12-24-48-8表A.3人體模型500Ω負載放電電流波形參數(shù)設置電壓kV上升時間/ns峰值電流/A校準值(k=(k=2)校準值(k=(k=2)1-14-413表A.4機器模型放電短路電流波形參數(shù)設置電壓kV峰值電流/AIP2/IP1校準值(k=(k=2)校準值(k=(k=2)0.1-0.10.2-0.20.4-0.40.8-0.82-2設置電壓kV周期/ns諧振頻率/MHz校準值測量不確定度(k=2)校準值測量不確定度(k=2)0.1-0.10.2-0.20.4-0.40.8-0.82-2表A.5機器模型500Ω負載放電電流波形參數(shù)設置電壓kV峰值電流IRP/A100ns處電流值I100/A校準值測量不確定度(k=2)校準值測量不確定度(k=2)0.4-0.414表A.6閂鎖模型施加電流電流設置值mA脈沖持續(xù)時間限壓標準電阻電壓校準值電流校準值測量不確定度(k=2)50-50100-100500-5001000-10005000-5000表A.7閂鎖模型施加電壓/上升時間電壓設置值V上升時間校準值測量不確定度(k=2)電壓校準值測量不確定度(k=2)1-15-510-1030-30100-10015附錄B校準證書內頁格式表B.1外觀及工作正常性檢查項目檢查結果外觀檢查工作正常性檢查自校準檢驗表B.2人體模型放電短路電流波形參數(shù)設置電壓kV上升時間/ns脈沖持續(xù)時間/ns峰值電流/A校準值測量不確定度(k=2)校準值測量不確定度(k=2)校準值測量不確定度(k=2)0.1-0.10.5-0.51-12-24-48-8表B.3人體模型500Ω負載放電電流波形參數(shù)設置電壓kV上升時間/ns峰值電流/A校準值(k=(k=2)校準值(k=(k=2)1-14-416表B.4機器模型放電短路電流波形參數(shù)設置電壓kV峰值電流/AIP2/IP1校準值(k=(k=2)校準值(k=(k=2)0.1-0.10.2-0.20.4-0.40.8-0.82-2設置電壓kV周期/ns諧振頻率/MHz校準值測量不確定度(k=2)校準值測量不確定度(k=2)0.1-0.10.2-0.20.4-0.40.8-0.82-2表B.5機器模型500Ω負載放電電流波形參數(shù)設置電壓kV峰值電流IRP/A100ns處電流值I100/A校準值測量不確定度(k=2)校準值測量不確定度(k=2)0.4-0.417表B.6閂鎖模型施加電流電流設置值mA脈沖持續(xù)時間限壓標準電阻電壓校準值電流校準值測量不確定度(k=2)50-50100-100500-5001000-10005000-5000表B.7閂鎖模型施加電壓/上升時間電壓設置值V上升時間校準值測量不確定度(k=2)電壓校準值測量不確定度(k=2)1-15-510-1030-30100-100JJF1238—202218附錄C主要項目校準不確定度評定示例C.1短路電流峰值測量不確定度評定C.1.1測量模型根據(jù)短路電流峰值的校準原理,電流校準值由電流探頭轉換為電壓參數(shù),經(jīng)衰減器式為:I式中:V—示波器測量電壓值,V;I—短路電流值,A;kCT—電流探頭的轉換因子,A/V;kA—是衰減器的衰減比例(20dB,0.1)。從式(C.1)獲得相應變量的靈敏系數(shù)如下:ckCT-ckA-cV=cV=對于人體放電模型,kCT=5V/A,kA=0.1,有ckCT-V×0.4A2/VckA-V×20A/VcV2A/VC.1.2標準不確定度評定(C.1)(C.2)(C.3)(C.4)(C.5)(C.6)(C.7)以下以4kV為例進行測量不確定度的評定。在人體模型放電電壓4kV處,對應的示波器測量值為1.335V。a)電流探頭電流轉換因子不準引入的標準不確定度分量u1根據(jù)電流探頭的技術指標,電流探頭轉換因子標稱值為:5A/V,最大允許誤差為:±3%。為均勻分布,因此有:u1=ckCT×=0.4×1.335×A≈0.0462AJJF1238—202219b)固定衰減器衰減值不準引入的標準不確定度分量u2根據(jù)50Ω同軸衰減器的技術指標,衰減值為:20dB,換算為線性為:0.1。衰減最大允許誤差為±3%。為均勻分布,因此有:u2=ckA×A=1.335×20×A≈0.0462Ac)數(shù)字示波器的電壓測量不準引入的標準不確定度分量u3根據(jù)數(shù)字示波器的技術指標,其電壓測量最大允許誤差為±2%,服從均勻分布,由數(shù)字示波器電壓測量不準引入的測量不確定度分量為:u3=cV×uV=2×A≈0.031Ad)由測量重復性引入的標準不確定度分量u4在相同測量條件下,重復測量峰值電流10次,得到測量值見表C.1。表C.1峰值電流測量的10次重復測量值峰值電流/A12.8122.8232.8042.8352.7962.8072.8182.8092.84102.81平均值I2.811 單次測量實驗標準偏差:u4=i-1x)2=0.016AC.1.3合成標準不確定度根據(jù)上述分析,峰值電流測量不確定度的分量匯總見表C.2。20表C.2人體模型峰值電流測量標準不確定度分量表不確定度分量符號不確定度來源評定方法不確定度分量/Au1電流探頭轉換因子不準B0.046u2固定衰減器衰減不準B0.046u3示波器的電壓測量不準B0.031u4測量重復性引入A0.016以上四個不確定度分量彼此不相關,所以合成標準不確定度可按下式得到:C.1.4擴展不確定度uc==0.074AC.1.4擴展不確定度取包含因k=2,擴展不確定度為:相對擴展不確定度Urel=0.148A/2.81A=取包含因k=2,擴展不確定度為:相對擴展不確定度Urel=0.148A/2.81A=5.3%(k=2)C.2上升時間tR測量不確定度評定C.2.1測量模型上升時間校準,采用示波器上升時間測量功能直接測量,為峰值電流C.2上升時間tR測量不確定度評定C.2.1測量模型式中:tR=t90%×IP-t10%×IP(C.8)tR—上升時間校準值,ns;t90%×IP—短路電流波形中峰值電流90%幅值對應的時間值,ns;t10%×IP—短路電流波形中峰值電流10%幅值對應的時間值,ns。示波器電壓測量不準會引起上升時間測量的閾值電壓判定(10%和90%峰值電壓)的不準確,從而引入測量不確定度分量。cν為示波器電壓測量不準引起上升時間測量不確定度的靈敏系數(shù),由于短路電流上升時間的斜率基本保持不變,可認為10%輻值時測量引入不確定度分量的靈敏度系數(shù)均為上升沿斜率倒數(shù),因此閾值電壓判定不準確引入不確定度分量的靈敏度系數(shù)為:cν=2×,其中,V為峰值電壓,tR為上升時間。C.2.2上升時間的標準不確定度a)由示波器時間測量不準引入的標準不確定度分量u1示波器上升時間測量的水平系數(shù)為5ns/div,分辨力為0.5ns,時間分辨力引入的時間測量不確定度分量為0.25ns。10%電壓閾值和90%電壓閾值電流對應時間引入測量不確定度分量正相關,因此由示波器時間測量不準引入的上升時間測量標準不確定度b)由示波器電壓測量不準引入的標準不確定度分量u2對于人體b)由示波器電壓測量不準引入的標準不確定度分量u2對于人體模型4kV,對應的示波器測量電壓為1.335V,上升時間校準值為218.12ns,則:cν=2×2×≈12.3ns/Vu(tV)=1.335V×1%≈0.014Vc)由測量重復性引入的標u(tV)=1.335V×1%≈0.014V在相同測量條件下,重復測量10次,得到的測量值見表C.3。表C.3上升時間測量的10次重復測量值上升時間/ns18.228.138.048.158.268.178.288.298.0108.1平均值tR8.12運用貝塞爾公式計算由重復測量引起的上升時間標準不確定度分量: u3=i-1x)2=0.097nsC.2.3合成標準不確定度根據(jù)上述分析,上升時間測量標準不確定度的分量匯總見表C.4。表C.4人體模型上升時間測量標準不確定度分量表不確定度分量符號不確定度來源評定方法不確定度分量/nsu1示波器時間測量不準引入B0.5u2示波器電壓測量不準引入B0.17u3測量重復性引入A0.097以上三個不確定度分量彼此不相關,所以合成標準不確定度可按下式得到:JJF1238—202222uc=≈0.54nsC.2.4擴展不確定度取包含因k=2,擴展不確定度為:相對擴展不確定度為:14%(k=2)U=kuc=2uc=相對擴展不確定度為:14%(k=2)C.3脈沖持續(xù)時間tD測量標準不確定度C.3.1測量模型脈沖持續(xù)時間校準,采用示波器時間測量功能直接測量,為峰值電流和C.3脈沖持續(xù)時間tD測量標準不確定度C.3.1測量模型tD=tIP-t36.8%×IP(C.9)式中:tD—持續(xù)時間校準值,ns;tIP