芯片在生產、封裝、運輸、裝配的全流程當中,會不斷遭遇靜電放電事件,瞬態大電流沖擊有可能造成器件內部電路損傷,部分損傷不會立刻造成芯片失效,而是帶來性能衰減,在后續使用過程中逐步暴露問題,所以靜電可靠性驗證是芯片研發流程中不可跳過的環節,芯片ESD測試設備就是用來復現這類瞬態沖擊,評估器件耐受能力的工具。在實際項目當中,經常出現不同測試環節得到的評估結論存在差異,很多時候不是芯片本身特性不穩定,而是測試模型、鏈路寄生、樣品形態、測試條件帶來結果邊界的變化,理清這些邊界,才能合理解讀測試數據,避免誤判器件真實防護水平。
行業內存在多種主流的靜電放電模擬模型,不同模型對應的放電機理、電流波形、損傷模式存在明顯區別,彼此之間的測試結果不能直接互相替代。人體模型模擬人體接觸芯片引腳帶來的放電過程,應力從芯片外部引腳向內部流入;充電器件模型的機理不同,芯片本體先積累電荷,再通過引腳向外完成泄放,脈沖持續時間很短,電流上升速度快,對應產線裝配過程中芯片自身帶電之后接觸接地點位的場景;機器模型模擬金屬物件接觸放電,目前在很多新產品評估中使用占比已經降低。不同模型針對的現實場景不一樣,部分研發只選用單一模型完成評估,就會漏掉部分失效風險,出現實驗室測試通過,量產應用階段出現靜電相關失效的情況。需要結合芯片的應用場景,確定需要覆蓋哪幾類模型,建立完整的評估組合。
測試鏈路的寄生效應,會直接改變施加到芯片管芯上面的實際應力波形。設備主機輸出標準波形,經過繼電器、轉接板、探針、走線,最終抵達芯片引腳,這條路徑上分布的電感、電容,會對原始脈沖波形產生改造,改變脈沖上升沿、脈沖持續時長以及電流幅值。如果轉接載板布線設計不合理,即便設備主機輸出波形符合規范,到達被測器件的波形已經偏離標準要求,此時得到的失效電壓、失效電流數值就失去對比意義。晶圓級測試和封裝后成品測試,鏈路結構不一樣,寄生參數也存在區別,同一顆芯片,晶圓裸片狀態和封裝完成之后,測得的靜電耐受閾值會出現差異,這種差異一部分來自封裝結構本身,另一部分就來自測試鏈路的不同。不能直接把晶圓測試數據等同于成品器件的最終指標,需要區分不同樣品形態對應的測試結論。
引腳數量的變化,會帶來測試方案的一系列調整。低引腳數器件,每一個引腳可以獨立配置通路,鏈路相對簡單;高引腳數芯片,引腳數量上升之后,需要依靠多路切換機構完成逐個引腳的應力施加,切換機構會引入額外寄生,同時還要兼顧各個引腳之間的隔離水平。測試過程中,除了施加靜電應力的目標引腳,其余引腳的處理方式同樣會影響結果,其余引腳接地、懸空、接電源電位,芯片內部電路的工作狀態不一樣,器件的靜電耐受表現會發生改變。部分標準當中會明確規定其余引腳的處理條件,但實際研發探索階段,很多工程師會忽略這一條件,不同實驗之間引腳狀態不統一,得到的數據無法橫向對比。在記錄實驗文檔的時候,除了記錄施加的應力等級,也要完整記錄其余引腳的電位配置,保證實驗具備復現性。
測試前后的器件狀態監測,是完整評估流程的重要組成部分。靜電沖擊存在兩種損傷模式,一種是硬性損傷,直接造成短路或者開路,電學功能直接喪失;另一種是軟性損傷,芯片基礎功能還可以運行,但是漏電水平、關鍵參數發生偏移,如果只觀察芯片是否還能工作,就會漏掉這類隱性損傷。完整的測試流程,需要在每一次靜電應力施加前后,完成基礎電學參數采集,對比參數變化,以此綜合判斷器件是否發生損傷。如果僅僅以功能是否完好作為判斷依據,會低估靜電沖擊帶來的傷害,留下后期應用隱患。同時,應力施加的步進梯度也會影響結論,梯度設置過大,會直接跨過臨界失效點,只能得到失效發生的上限,無法定位真實臨界耐受水平;梯度設置過小,會增加樣品損耗和測試時長,需要結合器件預期防護水平,平衡測試精度與樣品消耗。
樣品本身的狀態同樣會對測試結果產生作用。芯片表面存在氧化層、污染物,會改變引腳接觸的接觸電阻,影響瞬態電流的傳導。不同批次的晶圓,工藝存在微小波動,也會帶來防護電路性能的分散,因此單一芯片樣品的測試結果,不能代表整批器件的水平,需要選取一定數量的樣品開展重復測試,統計結果分布區間。部分芯片內部存在上電才會開啟的防護模塊,不上電測試和帶電測試,靜電耐受能力會出現區別,要結合芯片實際工作場景,確定測試時器件的上電條件,區分器件斷電存儲運輸場景和整機帶電運行場景對應的不同評估需求。
設備本身存在明確的適用邊界,沒有一套方案可以覆蓋全部器件類型。高壓功率器件、高速接口芯片、小尺寸先進工藝芯片,各自的測試難點不一樣。高速接口芯片對脈沖波形畸變十分敏感,需要嚴格控制整套鏈路寄生;高壓功率器件需要兼顧高應力等級同時做好隔離防護。在前期規劃階段,要梳理清楚器件引腳規模、目標測試模型、樣品形態,判斷現有配置是否可以滿足波形要求,必要時調整轉接結構,而不是直接套用固定測試模板。
很多研發人員會把芯片ESD測試設備當成一臺只輸出高壓脈沖的儀器,把關注點集中在最高輸出電壓數值。但靜電可靠性評估是一套完整體系,設備只是實現應力施加的工具,測試模型選擇、鏈路寄生控制、引腳狀態配置、損傷判定標準、樣品數量規劃,每一環都會左右最終評估結論。充分理解測試的各類邊界條件,才可以把測試數據轉化為有效的設計參考,識別芯片靜電防護設計當中的薄弱環節,完成可靠性驗證。
立即詢價
您提交后,專屬客服將第一時間為您服務