5. Đánh giá Độ nhạy của thiết bị và thử nghiệm phóng tĩnh điện theo HBM,CDM

Trong Phần Hai của loạt bài này (“Nguyên lý Kiểm soát ESD – Phát triển Chương trình Kiểm soát ESD”), chúng tôi đã chỉ ra rằng một yếu tố quan trọng trong một chương trình kiểm soát tĩnh thành công là xác định mặt hàng nhạy cảm nhất hoặc dễ bị ESD (ESDS) nhất mà bạn đang sử dụng và phân loại điện áp chịu đựng của các sản phẩm mà bạn đang sản xuất và vận chuyển. Độ nhạy của một mặt hàng ESDS đối với sự kiện ESD được xác định bởi khả năng tiêu tán hoặc phân luồng năng lượng của quá trình phóng điện hoặc chịu được mức dòng điện và điện áp liên quan của thiết bị. Mặc dù năng lượng hoặc dòng điện (đỉnh) là các thông số quan trọng nhất, độ nhạy ESD hoặc độ nhạy ESD thường được phân loại theo điện áp chịu đựng. Điện áp chịu đựng được xác định bởi điện áp gây ra quá trình phóng điện, không phải điện áp, có thể đo được tại mặt hàng ESDS. Phần Hai bao gồm:

• Xác định mức độ kiểm soát cần thiết trong môi trường của bạn. Mặt hàng nào nhạy cảm nhất hoặc dễ bị ESD (ESDS) nhất mà bạn đang sử dụng và phân loại điện áp chịu đựng của các sản phẩm mà bạn đang sản xuất và vận chuyển là gì? Để có ý tưởng về những gì được yêu cầu, tốt nhất là bạn nên biết mức độ nhạy của Mô hình cơ thể người (HBM) và Mô hình thiết bị tích điện (CDM) cho tất cả các thiết bị sẽ được xử lý trong cơ sở của bạn. ANSI/ESD S20.20 và IEC 61350-5-1 xác định các yêu cầu về chương trình kiểm soát cho các mặt hàng nhạy cảm với HBM 100 vôn và CDM 200 vôn. Với tài liệu phù hợp và bằng chứng khách quan, cả hai tiêu chuẩn đều cho phép điều chỉnh các yêu cầu cho phù hợp với các tình huống cụ thể.

Một số thiết bị có thể dễ bị hư hỏng hơn do phóng điện xảy ra trong thiết bị tự động, trong khi những thiết bị khác có thể dễ bị hư hỏng hơn do con người xử lý. Trong Phần năm, chúng tôi sẽ đề cập đến các mô hình và quy trình thử nghiệm được sử dụng để mô tả, xác định và phân loại độ nhạy của các vật phẩm đối với ESD. Ngày nay, các quy trình thử nghiệm này dựa trên hai mô hình chính về các sự kiện ESD: Mô hình cơ thể người (HBM) và Mô hình thiết bị tích điện (CDM). Các mô hình được sử dụng để thực hiện thử nghiệm thành phần không thể sao chép toàn bộ quang phổ của tất cả các sự kiện ESD có thể xảy ra và không có mối tương quan trực tiếp nào giữa các lần phóng điện tại hiện trường và trong hệ thống thử nghiệm. Tuy nhiên, các mô hình này đã được chứng minh là thành công trong việc tái tạo hơn 99% tất cả các dấu hiệu hỏng hóc tại hiện trường do ESD và thông thường, điện áp chịu đựng ESD thu được từ các mô hình trong hệ thống thử nghiệm là trường hợp xấu nhất so với các sự kiện thực tế có cùng điện áp phóng điện. Với việc sử dụng các quy trình thử nghiệm được tiêu chuẩn hóa, ngành công nghiệp có thể:

• Phát triển và đo lường khả năng bảo vệ phù hợp trên chip.
• Cho phép so sánh giữa các thiết bị.
• Cung cấp hệ thống phân loại độ nhạy ESD để hỗ trợ thiết kế ESD và yêu cầu giám sát trong môi trường sản xuất và lắp ráp.
• Có các quy trình thử nghiệm được ghi chép lại để đảm bảo kết quả đáng tin cậy và có thể lặp lại.

KIỂM TRA MÔ HÌNH CƠ THỂ NGƯỜI (HBM)

Một trong những nguyên nhân phổ biến nhất gây ra thiệt hại do ESD là sự truyền trực tiếp điện tích tĩnh từ cơ thể người hoặc từ vật liệu tích điện sang vật phẩm ESDS. Khi một người đi ngang qua sàn nhà, điện tích tĩnh sẽ tích tụ trên cơ thể. Chỉ cần một ngón tay tiếp xúc (hoặc thậm chí là gần) với dây dẫn của vật phẩm ESDS cũng có thể khiến cơ thể phóng điện, có thể gây hư hỏng thiết bị. Mô hình được sử dụng để mô phỏng sự kiện này là Mô hình cơ thể người (HBM).

Mô hình cơ thể người là mô hình lâu đời nhất và được sử dụng phổ biến nhất để phân loại độ nhạy của thiết bị đối với ESD. Mô hình thử nghiệm HBM biểu diễn sự phóng điện từ đầu ngón tay của một cá nhân đang đứng được truyền đến thiết bị. Nó được mô phỏng bằng tụ điện 100 pF, được tích điện bằng nguồn điện áp cao thông qua điện trở có điện trở cao (thường ở chế độ megohm) và sau đó được xả qua một thành phần chuyển mạch và điện trở nối tiếp 1,5 kW (1.500 ohm) thông qua thành phần xuống đất hoặc đến điện thế thấp hơn. Mô hình này, có từ thế kỷ XIX, được phát triển để điều tra các vụ nổ hỗn hợp khí trong mỏ. Nó được quân đội áp dụng trong Phương pháp MIL-STD-883 3015 và được tham chiếu trong ANSI/ESDA/JEDEC JS-001: Kiểm tra độ nhạy phóng tĩnh điện – Mức thành phần của mô hình cơ thể người (HBM). Tài liệu này thay thế các phương pháp ESDA và JEDEC trước đây, tương ứng là STM5.1-2007 và JESD22-A114F. Mạch mô hình cơ thể người đơn giản hóa không có bất kỳ thành phần ký sinh nào từ hệ thống thử nghiệm được trình bày trong Hình 1.

Hình 1: Mạch mô hình cơ thể người điển hình (đơn giản hóa)

Dạng sóng HBM điển hình có thời gian tăng từ 2–10 ns, dòng điện cực đại là 0,67 ampe/kilovolt và độ suy giảm theo cấp số nhân kép với chiều rộng là 200 ns. Thông thường, tham số quyết định gây ra lỗi là năng lượng của xung HBM.

Kiểm tra khả năng chịu ESD của HBM thường được thực hiện bằng hệ thống kiểm tra tự động. Thiết bị được đặt trong hệ thống kiểm tra và được kết nối thông qua ma trận rơle. Một chân được kết nối với mạng HBM (“chân zap”) và một hoặc một số chân khác được kết nối với đất thử nghiệm (“chân đất”). Với các thiết bị có số lượng chân cao hiện nay, không còn có thể kiểm tra đầy đủ tất cả các kết hợp ứng suất có thể xảy ra nữa, do đó phải chọn các kết hợp chân, điều này đảm bảo phạm vi phủ sóng đủ để phát hiện các kết hợp ứng suất yếu. Các kết hợp chân phải chịu ứng suất này được định nghĩa trong tiêu chuẩn HBM hiện tại. Phóng tĩnh điện (ESD) được áp dụng với dạng sóng do mạng Mô hình cơ thể người tạo ra. Thiết bị được xác định là đã hỏng nếu không đáp ứng các thông số của bảng dữ liệu bằng cách sử dụng thử nghiệm tham số và chức năng.

Người ta phải nêu rõ rằng Mô hình cơ thể người, theo JS-001, giải quyết các vấn đề xử lý . Đôi khi, IEC 61000-4-2 nổi tiếng cũng được gọi là “Mô hình cơ thể người” hoặc “Mô hình kim loại người (HMM)” nhưng mô hình đó giải quyết các sự kiện ESD trong một hệ thống trong các điều kiện vận hành khác nhau và do đó, chỉ nên áp dụng cho các hệ thống . Dạng sóng và mức độ nghiêm trọng của IEC 61000-4-2 và JS-001 không thể so sánh trực tiếp.

Chỉ JS-001 có ý nghĩa trong việc xử lý các vấn đề trong môi trường do ESD kiểm soát tại nhà máy. Đối với môi trường người dùng cuối và môi trường thực địa, có thể sử dụng kỹ thuật quét trường gần và Thiết kế ESD hiệu quả hệ thống (SEED) để mở rộng các phép đo cấp thiết bị thành phân tích độ bền vững cấp hệ thống. IEC61000-4-2 và HMM, v.v., có thể được sử dụng để mô tả độ bền vững thực tế của hệ thống. 

Trong mọi trường hợp, điều quan trọng là phải hiểu phạm vi và môi trường mà các tiêu chuẩn áp dụng và đôi khi chồng chéo.

KIỂM TRA MÔ HÌNH THIẾT BỊ SẠC (CDM)
Việc truyền điện tích từ một vật phẩm ESDS sang bề mặt dẫn điện ở điện thế thấp hơn cũng là một sự kiện ESD. Ví dụ, một thiết bị có thể bị tích điện khi trượt xuống bộ nạp linh kiện trong thiết bị xử lý tự động. Nếu sau đó nó tiếp xúc với đầu chèn hoặc bề mặt dẫn điện khác có điện thế thấp hơn, thì có thể xảy ra hiện tượng phóng điện nhanh từ thiết bị sang bề mặt dẫn điện. Sự kiện phóng điện này được gọi là sự kiện Mô hình thiết bị tích điện (CDM) và có thể gây hư hỏng nhiều hơn HBM đối với một số thiết bị. Mặc dù thời gian phóng điện rất ngắn – thường dưới một nano giây – nhưng dòng điện cực đại có thể đạt tới vài chục ampe, gây ra sự sụt điện áp đáng kể trong thiết bị và cuối cùng dẫn đến sự cố điện môi (ví dụ: oxit cổng) do dòng điện quá mức.

Tiêu chuẩn thử nghiệm thiết bị cho CDM là ANSI/ESDA/JEDEC JS-002: Electrostatic Discharge Sensitivity Testing – Charged Device Model (CDM) Device Level . Tài liệu này thay thế các phương pháp ESDA và JEDEC trước đó, tương ứng là STM5.3.1 và JESD22-C101. Quy trình thử nghiệm bao gồm đặt thiết bị trên một tấm trường với các dây dẫn hướng lên trên, sau đó sạc thiết bị và xả thiết bị. Tất cả các chân đều được xử lý như nhau và được xả sau khi sạc dương và sạc âm. Hình 2 minh họa mạch thử nghiệm CDM đơn giản hóa với việc sạc trực tiếp thiết bị.

Hình 2: Kiểm tra mô hình thiết bị tích điện điển hình

CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA KHÁC

Kiểm tra mô hình máy (MM)

Trong những năm qua, ngành công nghiệp đã chuyển hướng khỏi MM như một bài kiểm tra trình độ và chuyển sang sử dụng các tài liệu trình độ của ANSI/ESDA/JEDEC JS-001 (HBM) và ANSI/ESDA/JEDEC JS-002 (CDM) để mô tả đầy đủ khả năng nhạy cảm với ESD của một thành phần. Phóng điện có thể xảy ra từ một dây dẫn bị cô lập hoặc một vật dẫn điện tích điện, chẳng hạn như một công cụ kim loại hoặc một thiết bị hoặc đồ gá tự động, do đó phương pháp CDM mô phỏng phóng điện kim loại với kim loại tốt hơn.

Có nguồn gốc từ Nhật Bản do kết quả của nỗ lực tạo ra sự kiện HBM tồi tệ nhất, mô hình này được gọi là Mô hình máy. Mô hình ESD này bao gồm một tụ điện 200 pF được xả trực tiếp vào một thành phần không có điện trở DC nối tiếp trong mạch đầu ra. Dạng sóng xả có thể dao động theo thời gian tăng và độ rộng xung, tương tự như HBM. Mô hình máy thường giải quyết cùng một chế độ hỏng vật lý như Mô hình cơ thể người, do đó, nó hữu ích khi xác định chế độ hỏng và tạo ra các hiệu ứng ESD giống HBM ở mức thấp hơn đáng kể.

Kiểm tra độ nhạy của thiết bị đối với MM bằng ESD SP5.2: Kiểm tra độ nhạy của phóng tĩnh điện – Mức thành phần của Mô hình máy (MM) có quy trình tương tự như thử nghiệm HBM. Thiết bị thử nghiệm cơ bản và các kết hợp ứng suất là giống nhau, nhưng đầu thử nghiệm rất khác. Phiên bản MM không có điện trở 1.500 ohm, nhưng ngoài ra, bảng thử nghiệm và ổ cắm thường giống như đối với thử nghiệm HBM. Độ tự cảm nối tiếp, như thể hiện trong Hình 3, là thành phần ký sinh chiếm ưu thế định hình dạng sóng mô hình máy dao động. Độ tự cảm nối tiếp được xác định gián tiếp thông qua việc chỉ định các tham số dạng sóng khác nhau như dòng điện cực đại, thời gian tăng và chu kỳ của dạng sóng. Tuy nhiên, độ tự cảm không được xác định rõ ràng. Do đó, đối với các máy kiểm tra khác nhau, điện áp chịu đựng MM có thể khác nhau ít nhất là hệ số 2–5, mặc dù cả hai hệ thống kiểm tra đều tuân thủ tiêu chuẩn hiện hành. Việc thiếu khả năng tái tạo kết quả kiểm tra và thực tế là HBM có khả năng tái tạo tốt giải quyết cùng một chế độ hỏng hóc như HBM là những lý do chính khiến ngành công nghiệp chuyển hướng khỏi chứng nhận MM. JEDEC và ESDA không khuyến nghị chứng nhận sản phẩm bằng Mô hình máy, mà thay vào đó là chứng nhận bằng HBM và CDM. Hơn nữa, rủi ro Mô hình máy hiện được gọi là giảm thiểu rủi ro Dây dẫn cách ly trong ANSI/ESD S20.20. Việc kiểm tra Mô hình máy của mạch tích hợp (IC) nên được giới hạn ở phân tích hỏng hóc mà không có mối tương quan giữa điện áp chịu đựng và sạc tại hiện trường.

                  (Megohm)

Hình 3: Mạch mô hình máy điển hình

PHÂN LOẠI ĐỘ NHẠY CỦA THIẾT BỊ

Các phương pháp HBM và CDM bao gồm một hệ thống phân loại để xác định độ nhạy của thành phần đối với mô hình được chỉ định (Xem Bảng 1 và 2). Các hệ thống phân loại này có một số lợi thế. Chúng cho phép nhóm và so sánh các thành phần dễ dàng theo độ nhạy ESD của chúng và phân loại cung cấp cho bạn chỉ dẫn về mức độ bảo vệ ESD cần thiết cho thành phần.

Bảng 1: ANSI/ESDA/JEDEC JS-001 Bảng 3: Cấp độ phân loại thành phần HBM ESD

Bảng 2: ANSI/ESDA/JEDEC JS-002 Bảng 3: Cấp độ phân loại thành phần CDM ESD

Tiêu chuẩn và HBM hiện tại chia phân loại Lớp 0 thành ba mức điện áp chịu đựng với lớp 0Z có độ nhạy dưới 50 vôn, 0A là từ 50 vôn đến dưới 125 vôn và lớp 0B là từ 125 vôn đến dưới 250 vôn.

Nếu xử lý các mặt hàng loại 0Z và/hoặc 0A, hoặc độ nhạy dưới 125 vôn, cần cải thiện chương trình. Để kiểm soát môi trường nhằm giảm khả năng hư hỏng do ESD trong các tình huống loại 0Z hoặc 0A, cần tăng cường dự phòng bảo vệ ESD bằng cách thêm các mặt hàng kiểm soát ESD vào EPA và đảm bảo rằng chúng hoạt động bình thường bằng cách tăng tần suất xác minh tuân thủ các mặt hàng kiểm soát ESD đó, có thể là theo các giới hạn bắt buộc nghiêm ngặt hơn.

Một mặt hàng ESDS nên được phân loại bằng cả Mô hình cơ thể người và Mô hình thiết bị tích điện. Điều này sẽ cảnh báo người dùng tiềm năng của mặt hàng ESDS về nhu cầu về môi trường được kiểm soát, bất kể hoạt động lắp ráp và sản xuất được thực hiện bởi con người hay máy móc tự động.

Một lời cảnh báo là các hệ thống phân loại và kết quả kiểm tra độ nhạy của thành phần này hoạt động như hướng dẫn, không nhất thiết là tuyệt đối. Các sự kiện được xác định bởi dữ liệu thử nghiệm tạo ra dữ liệu hạn chế hẹp phải được cân nhắc cẩn thận và sử dụng một cách thận trọng. Hai mô hình ESD đại diện cho các điểm riêng biệt được sử dụng để cố gắng mô tả tính dễ bị tổn thương do ESD. Các điểm dữ liệu mang tính thông tin và hữu ích, nhưng việc tùy ý suy rộng dữ liệu thành một kịch bản trong thế giới thực có thể gây hiểu lầm. Tiện ích thực sự của dữ liệu là để so sánh một thiết bị với thiết bị khác và cung cấp điểm khởi đầu để phát triển Chương trình kiểm soát ESD của bạn.

TÓM TẮT
Các mô hình lỗi thiết bị và phương pháp kiểm tra thiết bị xác định khả năng dễ bị ESD của các thiết bị điện tử và cụm lắp ráp cần được bảo vệ khỏi tác động của ESD. Với thông tin quan trọng này, bạn có thể thiết kế các Chương trình kiểm soát ESD hiệu quả hơn. Tuy nhiên, hãy mong đợi các thiết bị trở nên dễ bị tổn thương hơn. Sách trắng ” Sơ đồ công nghệ phóng tĩnh điện (ESD) – Sửa đổi tháng 4 năm 2010″ của Hiệp hội ESD bao gồm “Với các thiết bị ngày càng nhạy cảm hơn trong giai đoạn 2010-2015 và sau đó, điều bắt buộc là các công ty phải bắt đầu xem xét kỹ lưỡng khả năng ESD của các quy trình xử lý của họ. Kiểm soát ESD tại nhà máy dự kiến ​​sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng khi ngành công nghiệp tràn ngập các thiết kế nhạy cảm hơn với HBM (Mô hình cơ thể người) và CDM (Mô hình thiết bị tích điện). Đối với những người xử lý các mặt hàng ESDS, hệ thống nối đất cá nhân phải được thiết kế để giới hạn điện áp cơ thể xuống dưới 100 vôn.” Người dùng nên tham khảo bản cập nhật mới nhất của Hội đồng Công nghiệp để biết hướng dẫn.

ĐỂ THAM KHẢO THÊM

Kiểm tra độ nhạy phóng tĩnh điện ANSI/ESDA/JEDEC JS-001 – Mô hình cơ thể người, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

ESD SP5.2: Kiểm tra độ nhạy phóng tĩnh điện – Mô hình máy, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

Kiểm tra độ nhạy phóng tĩnh điện ANSI/ESDA/JEDEC JS-002 – Mô hình thiết bị tích điện, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

Tiêu chuẩn ANSI/ESD S20.20 cho việc phát triển chương trình kiểm soát ESD , Hiệp hội ESD, Rome, NY

Sách trắng số 1 của Hội đồng Công nghiệp ESD: “Một trường hợp hạ thấp các thông số kỹ thuật và yêu cầu về ESD HBM/MM cấp thành phần”, tháng 8 năm 2008 và Sách trắng của Hiệp hội ESD “Lộ trình công nghệ xả tĩnh điện (ESD) – Đã sửa đổi tháng 4 năm 2010 http://www.esda.org/IndustryCouncil.html .

Sách trắng số 2 của Hội đồng Công nghiệp ESD: “Một trường hợp cần hạ thấp các yêu cầu và thông số kỹ thuật ESD cấp thành phần của CDM”, tháng 3 năm 2009, http://www.esda.org/IndustryCouncil.html .

“Quy trình đo lường năng lực ESD”, Steinman, Arnold, Biên bản hội thảo EOS/ESD, 2012, trang 211, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Có mối tương quan giữa các giá trị đánh giá ESD và điện áp đo được tại hiện trường không?”, Gaertner, Reinhold và Stadler, Wolfgang, Biên bản hội thảo EOS/ESD, 2012, trang 198, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Nhìn sâu hơn vào sự kiện ESD ở người”, Hyatt, Hugh và cộng sự, Biên bản hội thảo EOS/ESD, 1981, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Kiểm tra mô hình thiết bị tích điện: Cố gắng mô phỏng thực tế”, Avery, LR , Biên bản hội thảo EOS/ESD, 1987, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Các vấn đề quan trọng liên quan đến thử nghiệm phân loại độ nhạy ESD”, Pierce, Donald C., Biên bản hội thảo EOS/ESD, 1987, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

 “Kiểm tra MIL HBM ngoài phạm vi – Cách đánh giá khả năng thực sự của các cấu trúc bảo vệ, Avery, LR, Biên bản hội thảo EOS/ESD, 1991, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Cơ chế phóng tĩnh điện của thiết bị tích điện”, Renninger, Robert G., Biên bản hội thảo EOS/ESD, 1991 , Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Phân tích các thông số kỹ thuật và thiết bị kiểm tra ESD HBM sử dụng mô hình phần tử tập trung ^bậc 4 “, Verhaege, Koen, et al., Biên bản hội thảo EOS/ESD, 1993, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“So sánh các mô hình phóng tĩnh điện và dấu hiệu hỏng hóc cho các thiết bị mạch tích hợp CMOS”, Kelly, M., et al., Biên bản hội thảo EOS/ESD, 1995, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Nghiên cứu các phương pháp đánh giá ESD cho mô hình thiết bị tích điện”, Wada, Tetsuaki, Biên bản hội thảo EOS/ESD, 1995, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Mô hình nhỏ gọn cho hành vi nMOS cổng nối đất dưới ứng suất CDM ESD”, Russ, Christian và cộng sự, Biên bản hội thảo EOS/ESD, 1996, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Khuyến nghị nhằm cải thiện hơn nữa các thông số kỹ thuật thử nghiệm mức thành phần ESD của HBM”, Verhaege, Koen, et al., Biên bản hội thảo EOS/ESD, 1996, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Xung động đường truyền cực nhanh của các cấu trúc tích hợp và mô hình thiết bị tích điện”, Gieser, H., và Haunschild, M., Biên bản hội thảo EOS/ESD, 1996, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Nghiên cứu về ký sinh trùng trong máy kiểm tra CDM (SDM) có ổ cắm”, Chaine, M., et al., Biên bản hội thảo EOS/ESD, 1998, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Các vấn đề liên quan đến mô-đun xác minh ESD CDM – Nhu cầu chuyển sang Alumina”, Henry, LG và cộng sự, Biên bản hội thảo EOS/ESD, 1999, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Tầm quan trọng của việc chuẩn hóa các thông số đầu thử nghiệm ESD CDM để có được mối tương quan dữ liệu”, Henry, LG, et al., Biên bản hội thảo EOS/ESD, 2000, Hiệp hội ESD, Rome, NY.

“Kiểm tra ESD cấp độ thành phần”, Bài báo đánh giá, Verhaege, Koen, Tạp chí độ tin cậy vi điện tử , 1998.