技術干貨 | 集成電路如何應對人體靜電沖擊？HBM測試告訴你！

ESD（Electro-Static discharge）意為靜止電荷放電。靜止電荷簡稱靜電，作為一種客觀自然的現象，表現為電子的過多或不足。當靜電荷積聚在某一物體上時，該物體的分子會處于電失衡狀態。在兩個平面之間或者一個平面與地之間，帶有多余電子的表面呈現負電性，而電子缺失的表面則呈現正電性。靜電放電則是這些電荷在不同靜電勢的物體或表面之間轉移的過程。

靜電的特點在于其高電壓、低電量、小電流以及作用時間短。盡管對人體可能只造成輕微沖擊，但對于微電子元件而言卻是致命的。在IC行業中，ESD是主要的可靠性威脅之一，是導致約三分之一IC失效的原因。

靜電產生的常見原因包括接觸、剝離、摩擦和感應，其中摩擦生電是最典型且常見的現象。靜電可能來源于人體，也可能來自儀器設備或電子元器件本身。根據靜電源頭的不同，ESD測試可分為人體模型（HBM）、機器模型（MM）和充電器件模型（CDM）。其中，人體是最重要的靜電來源，因此HBM模擬測試在ESD防護設計中尤為重要。

不同情形下的靜電電壓等級示例

HBM模型的提出

人體模型（Human Body Model，簡稱HBM）是ESD防護研究中建立最早且最主要的模型之一。當人體因摩擦等原因積聚靜電荷后，若與集成電路的某些引腳接觸，同時集成電路的另一部分引腳接觸到地面，人體上的靜電荷便會通過集成電路流入大地。

人體能夠儲存一定量的電荷，因此具有明顯的電容特性。同時，人體也具備一定的電阻，這取決于人體的肌肉彈性、水分含量以及接觸電阻等因素。大部分研究人員認為電容器串聯一個電阻是較為合理的電氣模型。

早在1962年，美國國家礦務局進行了大量實驗，測得人體電容范圍在95～398PF之間，平均電容值為240PF。同時，手與手之間的平均電阻測得為4000Ω。這些數據為建立人體模型提供了寶貴的依據，經過一些修正后，被用于電子工業中早期的模擬電路設計。

后續研究中，Kirk等人進一步測得人體電容值的范圍為132－190PF，而人體電阻值則在87－190Ω之間。為了統一標準，美國海軍在1980年提出了一個被廣泛接受的人體模型參數，即電容值為100PF，電阻為1.5kΩ的“標準人體模型”。這一模型為后續的ESD防護研究和測試提供了重要的參考依據。

HBM模擬測試的等效電路原理圖

以下是HBM標準中描述的HBM模擬器的等效電路圖。在這個等效電路圖中，Terminal A作為靜電測試端，負責模擬人體帶有的靜電荷，并與待測設備進行接觸。而Terminal B則作為接地端，用于模擬集成電路的另一部分引腳與地面接觸的情況。

此外，等效電路圖中還包括了短路負載（Short）和500歐姆電阻器（R4）。這兩個元件是根據JS 001標準規定的，用于評估設備放電波形所要求的負載。

常用的測試標準及其對應的測試條件

HBM測試的靜電放電組合

測試放電組合可以選擇標準內的table 2A或table 2B中的任意組合，但實踐中更常選擇table 2B的組合方案進行測試。如下圖是table 2B的測試方案，即測試No.1: supply pin Group 1~No.N: supply pin Group N和No.N+1: non-supply pin group組合。

其中需要注意以下事項：首先，如果兩個電源引腳是通過die內金屬互連，或通過封裝打線短接，那么這兩個引腳則可以劃分為同一個電源引腳組別，但必須嚴格確認這兩個引腳之間的電阻值是否小于或等于3歐姆，如果測量結果顯示電阻值大于3歐姆，那么這兩個引腳應當作為獨立的電源引腳分別進行測試，以防止ESD保護較為薄弱的點被忽視。

其次，對于非電源引腳組別來說，如果在這一組別內的引腳之間存在封裝打線短接或die內金屬互連，并且這些連接的阻值小于1歐姆，那么在實際測試時，可以選擇其中的一個引腳作為代表進行測試。而與之相連的其他引腳則無需參與測試，但在整個測試過程中需要保持浮接狀態（JS 001）。

測試結果的判定

實驗室通常以IV曲線的偏移作為判定測試是否pass或fail的標準。具體來說，SGS選擇以±15%的偏移量作為參考范圍，且標準中明確規定，在ESD測試前后都需要對引腳的功能進行確認。因此，在進行ESD測試前，建議客戶首先量測引腳的功能以確保其處于正常狀態，完成ESD測試后，再次量測引腳的功能。

由于每個器件的引腳在ESD能力上存在差異，標準要求在進行ESD測試時，必須依據器件中結果最差的引腳來確定整個器件所能通過的電壓水平，測試結果還需按照以下等級分類表格進行分級（JS 001）：

影響測試結果判定的幾種效應

1. 靜電累積效應
新型的機臺MK2和MK4基本都配備了測試后釋放靜電(discharge pins after zap)的選項，并且在每次測量IV曲線時也能起到釋放靜電的作用，但這些措施并不能完全保證將socket或測試板上的所有靜電完全釋放。如果待測器件對靜電累積的影響較為敏感，那么靜電的累積可能會對其性能造成顯著影響。為了應對這一問題，相關標準允許對于每個不同的電壓或引腳組合，使用全新的樣本組進行測試。這樣的做法旨在消除由于階躍電壓累積效應可能帶來的不良影響，從而降低因靜電累積應力導致的早期失效風險。

2. 障窗口效應（Failure Window）
故障窗口效應指的是器件在高電壓和低電壓水平下都能順利通過測試，但在某個中間電壓范圍內卻會出現失效的情況。例如，如果一個器件在500V和2000V的ESD測試中都表現正常，但在1000V的測試中卻失效了，那么這個器件的故障窗口范圍大致在500V至2000V之間，并且該器件的ESD水平應被認定為500V。針對這種故障窗口效應，我們建議客戶在進行ESD測試時選擇合適的電壓階躍水平，以避免部分失效情況被忽略。

3. 階躍應力硬化效應（step-stress-test hardening）
階躍應力硬化效應指的是：從低電壓水平開始，逐步增加電壓水平并使用相同的樣品組進行測試時，最終的測試結果可能會高于實際芯片的耐受水平。
以步進電壓測試為例，雖然器件在測試中通過了2500V的電壓，但如果每個電壓水平都使用全新的樣品組進行測試，那么器件可能只能承受2000V的電壓。這說明，在沒有階躍應力硬化效應的影響下，器件的真實ESD能力可能遠低于之前測試的結果。因此，應以每個電壓水平使用新的樣品組的測試結果為準。在上述例子中，器件被認定只能承受2000V的電壓水平。