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因ESD產生的原因及其對積體電路放電的方式不同,
ESD目前被分類為下列四類: (1) 人體放電模式 (Human-Body Model, HBM) (2) 機器放電模式 (Machine Model, MM) (3) 元件充電模式 (Charged-Device Model, CDM) (4) 電場感應模式 (Field-Induced Model, FIM) 本章節即對此四類靜電放電現象詳加說明,並比較各類放 電現象的電流大小 |
擦或其他因素在人體上已累積了靜電,當此人去碰觸到IC
時,人體上的靜電便會經由IC的腳(pin)而進入IC內,再經
由IC放電到地去,如圖2.1-1(a)所示。此放電的過程會在短
到幾百毫微秒(ns)的時 間內產生數安培的瞬間放電電流,
此電流會把IC內的元件 給燒毀。 不同HBM靜電電壓相對產
生的瞬間放電電流與時間的關係 顯示於圖2.1-1(b)。對一般
商用IC的2-KV ESD放電電壓而言,其瞬間放電電流的尖峰
值大約是1.33 安培。
圖2.1-1(b) 在不同HBM靜電電壓下,其靜電放電之電流與時間的關係
有關於HBM的ESD已有工業測試的標準,為現今各國
用來 判斷IC之ESD可靠度的重要依據。圖2.1-2顯示此工業
標準 (MIL-STD-883C method 3015.7)的等效電路圖,其中人
體的 等效電容定為100pF,人體的等效放電電阻定為1.5K
Ω。另 外在國際電子工業標準(EIA/JEDEC STANDARD)中
,亦對 此人體放電模式訂定測試規範(EIA/JESD22-A114-A)
,詳細 情形請參閱該工業標準。
CLASSIFICATION | Sensitivity |
---|---|
Class 1 | 0 to 1,999 Volts |
Class 2 | 2,000 to 3,999 Volts |
Class 3 | 4,000 to 15,999 Volts |
了靜電,當此機器去碰觸到IC時,該靜電便經由IC的pin放
電。此機器放電模式的工業測試標準為 EIAJ-IC-121 method
20,其等效電路圖如圖2.2-1所示。
CLASS | STRESS LEVELS |
---|---|
M0 | 0 to <50V |
M1 | 50 to <100V |
M2 | 100 to <200V |
M3 | 200 to <400V |
M4 | 400 to <800V |
M5 | >800V |
的等效電阻為0Ω,但其等效電容定為200pF。由於機器放
電模式的等效電阻為0,故其放電的過程更短,在幾毫微
秒到幾十毫微秒之內會有數安培的瞬間放電電流產生。有
關2-KV HBM與200-V MM的放電電流比較,顯示於圖2.2-2
中。
雖然HBM的電壓2 KV比MM的電壓200V來得大,但是
200-V MM的放電電流卻比2-KV HBM的放電電流來得大很
多,因此機器放電模式對IC的破壞力更大。在圖2.2-2中,
該200-V MM的放電電流波形有上下振動(Ring)的情形,是
因為測試機台導線的雜散等效電感與電容互相耦合而引起
的。
亦對此機器放電模式訂定測試規範 (EIA/JESD22-A115-A)
,詳細情形請參閱該工業標準。
此放電模式是指IC先因磨擦或其他因素而在IC內部累
積了靜電,但在靜電累積的過程中IC並未被損傷。此帶有
靜電的IC在處理過程中,當其pin去碰觸到接地面時,IC內
部的靜電便會經由pin自IC內部流出來,而造成了放電的現
象。
此種模式的放電時間更短,僅約幾毫微秒之內,而且
放電現象更難以真實的被模擬。因為IC內部累積的靜電會
因IC元件本身對地的等效電容而變,IC擺放的角度與位置
以及IC所用的包裝型式都會造成不同的等效電容。由於具
有多項變化因素難定,因此,有關此模式放電的工業測試
標準仍在協議中,但已有此類測試機台在銷售中。該元件
充電模式(CDM) ESD可能發生的原因及放電的情形顯示於
圖2.3-1(a)與圖2.3-1(b)中。該元件充電模式靜電放電的等效
電路圖顯示於圖2.3-2(a)中。IC在名種角度擺放下的等效電
容值顯示於圖2.3-2(b)中,此電容值會導致不同的靜電電量
累積於IC內部。
圖2.3-1(b) Charged-Device Mode靜電放電可能發生的情形。
IC自IC管中滑出後,IC腳朝上,但經由接地的金屬工具 而放電。
圖2.3-2(a) Charged-Device Model靜電放電的等效電路圖
圖2.3-2(b) IC在各種角度下的等效雜散電容值
有關2-KV HBM, 200-V MM, 與1-KV CDM的放電電流
比較,顯示於圖2.3-3中。其中,該1-KV CDM的放電電流
在不到1ns的時間內,便已衝到約15安培的尖峰值,但其
放電的總時段約在10ns的時間內便結束。此種放電現象更
易造成積體電路的損傷。
IC因輸送帶或其他因素而經過一電場時,其相對極性的電
荷可能會自一些IC腳而排放掉,等IC通過電場之後,IC本
身便累積了靜電荷,此靜電荷會以類似CDM的模式放電出
來。有關FIM的放電模式早在雙載子(bipolar)電晶體時代就
已被發現,現今已有工業測試標準。在國際電子工業標準
(EIA/JEDEC STANDARD) 中,亦已對此電場感應模式訂定
測試規範 (JESD22-C101),詳細情形請參閱該工業標準。