CN107436382A - 静电放电电流波形检测系统及测试方法 - Google Patents

静电放电电流波形检测系统及测试方法 Download PDF

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陈昭
程玉华
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Abstract

本发明提出ESD静电防护中的CDM模型的电流检测系统及测试方法，以完成对CDM模型的ESD电流波形的抓取，便于为以CDM模型为基础的ESD静电防护提供数据支持。该系统结构包括：用于支持的测试机台，机台底座上承载测试器件DUT（Device Under Test），机台支架,用于固定系统的检测模块。检测模块包括pogo（弹簧单高跷）探针、测试板等结构。测试机台使用铝合金材质制成，具有螺旋调节升降的功能，同时带有固定装置，可以固定设备的测试板，测试板为双层FR‑4板。Pogo探针为手机天线专用探针，可以满足18GHz及以下条件下的信号测试。同轴电缆特性阻抗为50Ω.所使用的校准模块（即校准电容）为FR‑4材料，电容值为4pF。

Description

静电放电电流波形检测系统及测试方法
技术领域
本发明涉及集成电路领域，尤其涉及CDM模型静电放电电流波形的检测及测试方法。
背景技术
由于工艺水平的不断提高，互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)器件的尺寸一直处于缩小的趋势，目前已经达到深亚微米甚至更小。这种发展趋势在提升了器件性能和工作速度的同时，也带来了一个致命的弱点，即输入阻抗很大，很容易被静电放电（ESD，Electro-Static Discharge）击穿。
在实际使用过程中，处处都存在着电容效应。我们知道，静电电荷可以存储在几乎所有的物体中，这使得静电放电现象出现于各个地方。目前，对于集成电路而言，ESD防护测试根据器件带电途径不同一般可分为HBM（Human Body Model）、MM(Machine)、CDM（ChargedDevice Model）等几种，根据其带电途径的不同，相关的测试设备和测试方法也会有一定程度的差别。在这三种模型中，HBM模型和MM模型，由于被提出的时间较早，因此很多人已经熟知，并且电子工程师们也已经有针对性地采取了各种各样的静电保护结构或者措施来提升此二类器件的稳定性和静电防护水平。
然而，随着工艺水平以及器件功能复杂度的提升，CDM模型已经逐渐成为一个突出的问题，原因在于：第一，随着芯片工艺的进步，工作速度加快了，但芯片也变得脆弱了。集成度的提高使得器件尺寸越来越小，器件之间的连线宽度越来越窄，钝化层越来越薄，这些因素都会时芯片对静电放电的敏感性也越大。一个不太高的电压就能将晶体管击穿，一个微小的ESD电流就能将连线熔断，使得半导体器件失效，增加科研成本；第二，通过测量CDM模型的静电放电波形，能够通过检查检测后的器件性能表现可以判断器件是否失效；第三，通过分析放电波形的峰值、周期等参数对半导体器件性能是否失效进行分析，从而提出避免器件失效的预防措施。因此，提出CDM模型的静电放电的测试系统及方法十分必要。
目前，关于CDM模型静电放电检测系统存在以下问题：
1.在目前的AEC-Q100（由AIAG汽车组织开发的用于集成电路的资格认证测试流程）测试规范中，没有规定所用测试设备的整体架构，以及相关的参数；没有对于具体的材料进行规定，这使得在制作过程中因为制作人的不同会产生不同种类的测试设备，缺乏规范性。同时，因为可能使用的各种材料的各类参数间的差异，会导致测量结果缺乏准确性。
2.国外已有一部分公司生产出相应的CDM模型静电放电测试设备，但在国内该领域还处于空白阶段。对于国外已经生产出的设备而言，制造成本高昂。实际使用中，许多小型公司往往不需要很高的精度，只需要做定性的检测。但是目前已有的设备却都是基于高精度的测试，使得小公司在引进或者租用设备时需要支付许多不必要的成本。因此，急需发明一款性能良好，价格低廉的CDM模型静电放电测试系统。
3. 标准中需要直接得到的是电流波形，但目前通常使用的测试设备大都以测量电压的较为常见。若要求此类非工业设备直接获得电流参数，则成本和实现难度较高。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种静电放电电流波形检测系统，该系统包括：可以调节升降的测试机台，机台上半部分为可以调节松紧的用于固定悬挂装置的支架，所述支架可以固定法兰盘；所述测试板含有容纳螺丝通过的通孔，螺丝通过该通孔以及法兰盘的通孔将测试板与法兰盘连为一体；测试板侧面含有插头，用于连接一端含有配套插座的同轴电缆；测试板底部垂直焊接有pogo（ 弹簧单高跷）探针，即探针垂直于测试板平面，用于接触带电器件，获取所需波形；测试机台底座上水平放置校准模块。
可选的，所述固定悬挂装置的支架，用于固定的部分为环形，内径略大于用于连接测试板的圆柱法兰盘直径。
可选的，所述测试板含有两个可以通过螺丝的通孔，用于将测试板与法兰盘结合在一起，固定在测试机台上，所述通孔距离测试板中心距离相等；所述测试板在与法兰盘相连的对侧焊接有pogo探针。
可选的，测试板所焊接的pogo探针，其所能工作的频率范围至少为1GHz。
可选的，测试板所焊接的pogo探针，通过1Ω电阻与测试板焊接相连，所用1Ω电阻为环形辐射电阻。
可选的，测试板所焊接的SMA插头为标准插头，可以与同轴电缆相连。
可选的，所述校准模块是一种镀金或镀镍的铜制圆盘，此圆盘位于一面有FR-4（耐燃材料等级代号）材料上，该材料厚度上限为2mm。
为实现上述目的，本发明还提供一种采用上述检测系统来检测静电放电电流波形的方法，方法如下：将所述检测系统的各个模块固定在一个支架中；根据所需要的充电电压，用直流电源对校准模块进行充电；充电时，电源输出端通过大电阻（MΩ级别），直流电压源中的电流为0时为充电完毕，保持直流电压源为开启状态；调节测试机台，使得被固定的pogo探针下降，与待测器件引脚接触，器件上的电流通过探针接触，经过同轴电缆传输，最终显示的示波器上；示波器显示波形后，进行放电，放电过程为关闭直流电压源，通过调节测试机台螺旋，使得被固定的pogo探针上升，离开校准模块表面，与校准模块不接触，完成放电，准备下一次测试；根据所述测试过程，得到在示波器上显示的电流波形，作为所需波形结果。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明提出的检测系统搭建简便，成本较高精度检测设备低；明确了检测系统的具体结构及材料，增加了测试结果的准确性。
其次，无需直接测量CDM模型的ESD防护电流波形的优势减少了测量技术难度。同时，由于测试电阻为1Ω，不需要复杂的换算，也保证了测试的准确性。
另外由于该测量结构与实际测试电路结构关联较大，因此基于该测量设备测量出的电流波形很容易通过控制变量法来改变各个模块参数，方便探究每部分材料参数与测试结果的关系，便于进一步改进设备。
附图说明
图1为本发明第一实施例中CDM模型的ESD电流波形检测系统的左视图。
图2为本发明第一实施例中测量模块的仰视图。
图3为本发明第一实施例中校准模块的俯视图。
具体实施方式
针对背景技术提及的问题，本申请发明人分析得出：如果能够提出一种测量系统，使其无需通过直接测量电流波形，且所用材料可以测试出10GHz以上带宽的信号，在正确模拟实际带电模型的情况下，则不会产生背景技术提到的问题。
基于上述想法，本发明实施例提出如下CDM模型的ESD电流波形检测系统，该结构包括：
1.用于总体支撑的支持模块底座，材料为铝合金；2.用以固定底座与上部固定模块的连接旋钮；3.准焦螺旋，用于调节支架部分的上升和下降；4.松紧调节旋钮，方便对于不同直径的圆柱形连接杆进行固定；5.圆柱型连接杆，用于连接测试板和支架；6.测试板，材料为FR-4，厚度为0.8mm，上有滤波器和衰减器以；7.标准SMA插座，用以连接同轴线缆；8. 螺丝与通孔，用以连接测试板与圆柱型连接杆；9.pogo探针，用于接触校准模块，触发放电事件；10.校准模块，材料为FR-4，用以模拟带电器件，承载电荷；11.充电电阻，至少为20MΩ；12.1Ω测试电阻；13. Pogo探针位置，垂直于平面向外；14.铜盘，直径为9mm，构成4pF电容作用。
下面结合说明书附图对上述CDM模型的ESD电流波形检测系统进行详细阐述，给出上述测量结构的两个具体实施例，以便于理解上述测量结构。
实施例，实际测试CDM模型的ESD防护电流波形。
将1底座置于水平面上，保证整个测试系统水平，旋紧旋钮2，将整个上部支架与1底座固定在一起，防止测试时移动，对测量结果造成不良影响。按照图1所示组装好整个测试系统后，将充电电阻的未连接端接直流电压源正极，8固定螺丝接直流电压源负极。调节直流电压源到所需要的充电电压后，输出电压，通过11充电电阻给10校准模块充电，充电后的10校准模块用于模拟带电器件。保持电源开启状态，调节准焦螺旋3，使整个支架下降，直至9pogo探针接触10校准模块中心的铜盘。调节准焦螺旋3，使支架上升，断开直流电压源即可。
下面详细阐述采用上述测量结构测量CDM模型的ESD防护电流波形方法。
该测量方法包括：
步骤1，将上述各个模块制作于同一系统中；
步骤2，每次测试前分别多次测量连接于pogo探针和测试板之间的总测试电阻值；
步骤3，放电后，铜盘（即模拟的带电器件）所带电荷通过9 pogo探针以及测试电阻后，再经过与SMA插头7相连的同轴电缆，显示到同轴电缆另一端的示波器上，示波器上的电压波形即为所需要的电流波形。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.静电放电电流波形检测系统，其特征在于，包括：可以调节升降的测试机台，机台上半部分为可以调节松紧的用于固定悬挂装置的支架，所述支架可以固定法兰盘；所述测试板含有容纳螺丝通过的通孔，螺丝通过该通孔以及法兰盘的通孔将测试板与法兰盘连为一体；测试板侧面含有插头，用于连接一端含有配套插座的同轴电缆；测试板底部垂直焊接有pogo（ 弹簧单高跷）探针，即探针垂直于测试板平面，用于接触带电器件，获取所需波形；测试机台底座上水平放置校准模块。
2.如权利要求1所述的静电放电电流波形检测系统，其特征在于，所述固定悬挂装置的支架，用于固定的部分为环形，内径略大于用于连接测试板的圆柱法兰盘直径。
3.如权利要求1所述的静电放电电流波形检测系统，其特征在于，所述测试板含有两个可以通过螺丝的通孔，用于将测试板与法兰盘结合在一起，固定在测试机台上，所述通孔距离测试板中心距离相等；所述测试板在与法兰盘相连的对侧焊接有pogo探针。
4.如权利要求1所述的静电放电电流波形检测系统，其特征在于，测试板所焊接的pogo探针，其所能工作的频率范围至少为1GHz。
5.如权利要求1所述的静电放电电流波形检测系统，其特征在于，测试板所焊接的pogo探针，通过1Ω电阻与测试板焊接相连，所用1Ω电阻为环形辐射电阻。
6.如权利要求1所述的静电放电电流波形检测系统，其特征在于，测试板所焊接的SMA插头为标准插头，可以与同轴电缆相连。
7.如权利要求1所述的静电放电电流波形检测系统，其特征在于，所述校准模块是一种镀金或镀镍的铜制圆盘，此圆盘位于一面有FR-4（耐燃材料等级代号）材料上，该材料厚度上限为2mm。
8.一种采用权利要求1所述的检测系统来检测静电放电电流波形的方法，其特征在于，包括：将所述检测系统的各个模块固定在一个支架中；根据所需要的充电电压，用直流电源对校准模块进行充电；充电时，电源输出端通过大电阻（MΩ级别），直流电压源中的电流为0时为充电完毕，保持直流电压源为开启状态；调节测试机台，使得被固定的pogo探针下降，与待测器件引脚接触，器件上的电流通过探针接触，经过同轴电缆传输，最终显示的示波器上；示波器显示波形后，进行放电，放电过程为关闭直流电压源，通过调节测试机台螺旋，使得被固定的pogo探针上升，离开校准模块表面，与校准模块不接触，完成放电，准备下一次测试；根据所述测试过程，得到在示波器上显示的电流波形，作为所需波形结果。
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