一、ESD帶電器件模型
帶電器件模型（Charged-Device Model - CDM）是第三種重要的元器件靜電放電耐受閾值的測(cè)試方法。CDM 模型與之前討論的HBM、 MM模型完全不同。HBM和MM模型是模擬人體(Human Body)或機(jī)器設(shè)備（Machine）帶電后對(duì)元器件放電，而 CDM模型則是模擬元器件本身帶電后對(duì)地放電。隨著芯片制造、封測(cè)、裝聯(lián)的自動(dòng)化程度提高，人體接觸器件的機(jī)會(huì)相對(duì)減少，帶電器件ESD放電事件越來(lái)越成為微電子器件失效的主要原因之一。
半導(dǎo)體器件在裝配、試驗(yàn)、測(cè)試、運(yùn)輸及存貯過(guò)程中由于IC管殼（封裝）與其它絕緣材料（如包裝用的塑料袋、塑料管）相互磨擦，就會(huì)使芯片管殼帶電。器件本身作為電容器的一個(gè)極板而存貯電荷。下圖示意了從塑料包裝管中滑落的芯片因摩擦帶上了正電荷靜電，當(dāng)引腳接觸到接地的金屬設(shè)備或被接地的人體用金屬鑷子觸碰引腳的瞬間，形成導(dǎo)電通道，放電電流流經(jīng)IC內(nèi)部，導(dǎo)致芯片損傷。此種模型的放電時(shí)間較HBM模型或MM模型更短，僅約幾納秒（ns）之內(nèi)。
CDM模型就是基于已帶電的器件通過(guò)引腳與地接觸時(shí)，發(fā)生對(duì)地放電引起器件失效而建立的。帶電器件的電容值與器件的封裝結(jié)構(gòu)、引腳排列形式及器件放置時(shí)的方位等因數(shù)有關(guān)，一般僅為幾到幾十皮法（pF）。元器件管芯（component）的CDM靈敏度非常依賴于封裝。對(duì)于完全相同的IC晶片（chip），采用小型封裝（SOP）可能比雙列直排（DIL）封裝中的IC更容易受到CDM損壞。采用薄型小型封裝（TSOP）或引腳陣列（PGA）封裝的IC通常具有[敏感詞]的CDM耐壓能力。CDM ESD波形的上升時(shí)間極短(ps-皮秒級(jí)），峰值電流很大 (5~20A/500V），維持時(shí)間極短(0.5~1ns)，一般保護(hù)電路甚至來(lái)不及起作用。
2KV HBM、 200V MM、 與1KV CDM的放電電流比較（如上圖2），其中1KV CDM的放電電流在不到1ns的時(shí)間內(nèi)，便已沖到約15安培的尖峰值，其放電的總時(shí)段約在10ns內(nèi)便結(jié)束了。此種放電方式更易造成集成電路的損傷。
為了表征器件本身帶靜電并放電的電路特性，以及半導(dǎo)體器件的ESD敏感度，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)組織/機(jī)構(gòu)制定了帶電器件模型，以規(guī)范CDM模式下的ESD測(cè)試模型和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
以上相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有所差異且被多次修訂，但原理基本一致，本文以經(jīng)典的JESD 22標(biāo)準(zhǔn)為主要參考進(jìn)行說(shuō)明。
JESD22-C101標(biāo)準(zhǔn)文本的完整名稱為：“Field-Induced Charged-Device Model Test Method for Electrostatic- Discharge-Withstand Thresholds of Microelectronic Components”。直譯為：“微電子元器件靜電放電耐受閾值的電場(chǎng)感應(yīng)帶電器件模型測(cè)試方法”。
該標(biāo)準(zhǔn)描述了建立帶電器件模型 (CDM) 靜電放電 (ESD) 耐受閾值的統(tǒng)一方法。
這里有幾個(gè)相關(guān)術(shù)語(yǔ)解釋一下：
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帶電器件模型(CDM)：是用于描述、當(dāng)器件通過(guò)摩擦起電或因靜電感應(yīng)而獲得電荷，然后突然
接觸接地物體或表面時(shí)、 發(fā)生ESD 事件的一種特定的電路特征。
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靜電放電 (ESD)：靜電電荷在處于不同靜電勢(shì)的物體之間的突然轉(zhuǎn)移。
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場(chǎng)感應(yīng)充電（Field-induced charging）：利用靜電感應(yīng)的一種電荷產(chǎn)生方式。
【編者按：】如此看來(lái)，JESD22-C101標(biāo)準(zhǔn)文本的標(biāo)題名稱似乎未將摩擦起電或其它導(dǎo)致器件帶電的方式表述在內(nèi)。實(shí)際上為了規(guī)范描述CDM模型和量化測(cè)定，該標(biāo)準(zhǔn)中的CDM測(cè)試模擬裝置（圖4）是以電場(chǎng)感應(yīng)充電方式設(shè)計(jì)的，故而如此命名。
所有帶封裝的半導(dǎo)體元器件、薄膜電路、表面聲波 (SAW) 組件、光電組件、混合集成電路 (HIC) 和包含任何這些元器件的多芯片模組 (MCM) 都可根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估。該標(biāo)準(zhǔn)中描述的測(cè)試方法也可用于評(píng)估被運(yùn)輸?shù)木A（wafer）或裸片(bare chips)，但在實(shí)施測(cè)試時(shí)，這些元器件（components）必須被組裝到類似于最終應(yīng)用的封裝中。對(duì)于無(wú)封裝的裸片則不適用于本標(biāo)準(zhǔn)。
CDM模型的充電方式有兩種：直接充電和電場(chǎng)感應(yīng)充電，如圖3所示。通過(guò)電場(chǎng)感應(yīng)對(duì)DUT進(jìn)行充電，避免了直接充電可能損傷器件的情況發(fā)生，因此，大多數(shù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)推薦采用感應(yīng)充電方式。
依據(jù)JESD22-C101F (Oct, 2013)標(biāo)準(zhǔn)的CDM模型采用了電場(chǎng)感應(yīng)方式充電，其測(cè)試電路如下圖4所示。
圖4 電場(chǎng)感應(yīng)CDM模擬測(cè)試裝置電路圖 & 等效電路
可拆卸放電頭用于啟動(dòng)放電，該放電頭由彈簧探針、徑向電阻、頂部接地平面、半剛性同軸電纜和支撐臂組成。頂部接地平面應(yīng)為方形導(dǎo)電板，邊長(zhǎng)為63.5 mm±6.35 mm（2.5 in±0.25 in）。放電路徑包括1個(gè)至少3 GHz帶寬的1歐姆電阻電流探針，用于監(jiān)測(cè)放電波形。從1歐姆電阻到示波器的線纜也應(yīng)具有至少3 GHz的帶寬。FR-4電介質(zhì)的厚度應(yīng)為0.381 mm±0.038 mm（0.015 in±0.0015 in），電介質(zhì)的介電常數(shù)應(yīng)規(guī)定為4.7（±5%）@1 MHz。圖4所示充電限流電阻標(biāo)稱為100 MΩ或更大，但更大的電阻需要延長(zhǎng)每次測(cè)試放電之間的時(shí)間以確保待測(cè)器件被飽和充電。感應(yīng)充電電極的尺寸應(yīng)大于器件的尺寸（ESD STM5.3.1標(biāo)準(zhǔn)文本則明確要求充電極板的面積至少是待測(cè)器件面積的7倍以上）。FR-4電介質(zhì)的面積應(yīng)等于或大于充電極板。模擬測(cè)試裝置應(yīng)盡量減小充電和放電路徑的寄生參數(shù)，這些寄生參數(shù)會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成顯著的影響。
CDM測(cè)試模擬裝置在進(jìn)行正式測(cè)試使用前，需要進(jìn)行校驗(yàn)標(biāo)定。校驗(yàn)用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試組件（Standard Test modules）包括一小一大兩個(gè)圓片（disk），其尺寸及特性要求如下表1（Table 1）。
圓片是由黃銅制成，其表面鍍有鎳或金/鎳、或鎳上鍍金。圓片周長(zhǎng)上必須光滑無(wú)毛刺、以免測(cè)試時(shí)產(chǎn)生電弧影響測(cè)試結(jié)果。大、小圓片放置在FR-4電介質(zhì)/充電極板上的電容值需要被測(cè)定且滿足表1中的規(guī)格。
圖5 標(biāo)準(zhǔn)校驗(yàn)測(cè)試組件
CDM測(cè)試模擬裝置的校驗(yàn)測(cè)試有3個(gè)層級(jí)，測(cè)試要求如表2（Table 2）所述。
-CDM Equipment Manufacturer Qualification (CDM 測(cè)試裝置生產(chǎn)廠家質(zhì)檢)
-User Verification (使用者校驗(yàn))
-Routine Verification (例行校驗(yàn))
使用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試組件，對(duì)CDM測(cè)試模擬裝置按表3（Table 3）要求進(jìn)行以下4項(xiàng)測(cè)試校驗(yàn)，其脈沖波形如圖6。
圖6 Waveform Specification
校驗(yàn)測(cè)試過(guò)程如下：
1）將標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試組件的電位提高到表3所示的電壓；
2）使標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試組件在正極性和負(fù)極性下至少放電三次；
3）使用示波器記錄波形，并取表3中規(guī)定參數(shù)的平均值；
4）根據(jù)需要，對(duì)其它放電頭重復(fù)上述步驟1-3；
5）如果波形特征不符合表3的要求，則應(yīng)清潔測(cè)試組件（在超聲波清洗槽中使用異丙醇清洗圓片約20秒，并用中性氣流使其干燥，以防止測(cè)試操作期間電荷泄漏）后并重復(fù)上述步驟1-3；
6）如果波形仍不能滿足表3的要求，則之前的校驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)都應(yīng)作廢，并對(duì)模擬裝置進(jìn)行檢修。
JESD22-C101標(biāo)準(zhǔn)推薦的CDM ESD測(cè)試的電壓水平為：125V、250V、500V、1000V。不建議進(jìn)行超過(guò)1000V的測(cè)試。
*注：也可以使用本標(biāo)準(zhǔn)以前版本中推薦的電壓水平（100 V、200 V、500 V和1000 V）。
為了更精確地確定器件的CDM ESD閾值，除了上述建議的電壓外，還允許在>=100 V和<=1000 V的任何電壓水平下進(jìn)行測(cè)試。
測(cè)試應(yīng)在室溫下進(jìn)行，環(huán)境濕度不應(yīng)超過(guò)60%RH。測(cè)試可以在以上列出的任何可行的電壓水平開始。除非另有規(guī)定，通常每次測(cè)試取3個(gè)被驗(yàn)證合格的器件為樣本。
對(duì)于每個(gè)器件樣本，向其各個(gè)引腳施加至少一個(gè)正極和至少一個(gè)負(fù)極放電。在兩次放電之間允許間隔足夠的時(shí)間（>200 ms），以使器件充分感應(yīng)帶電至測(cè)試的電壓水平。通過(guò)監(jiān)視放電過(guò)程探測(cè)器的輸出或?qū)⑹静ㄆ鬟B接到電流檢測(cè)電阻器上，驗(yàn)證是否出現(xiàn)對(duì)應(yīng)極性的放電脈沖。
放電應(yīng)力可以按極性劃分，對(duì)應(yīng)每個(gè)極性（正向放電或負(fù)向放電）都應(yīng)使用至少3個(gè)樣本。如果器件的每個(gè)管腳至少屬于某一個(gè)管腳組合中的一個(gè)，也可以將該管腳劃分到一個(gè)或多個(gè)管腳組合。每個(gè)管腳組合也應(yīng)該至少對(duì)應(yīng)3個(gè)樣本。
如果在某一電平下施加應(yīng)力的所有3個(gè)樣本都通過(guò)了，則認(rèn)為該器件“通過(guò)”了該電壓水平。這些器件樣本仍然可以繼續(xù)在其它電壓水平上進(jìn)行測(cè)試，直至一個(gè)或多個(gè)樣本在其它的某一電壓電平下失效。未通過(guò)測(cè)試的器件樣本不得用于其它級(jí)別的測(cè)試。當(dāng)然也可以針對(duì)任一電壓水平用新的器件樣本進(jìn)行測(cè)試。
規(guī)定數(shù)量的樣本（通常為3個(gè)）進(jìn)行放電應(yīng)力測(cè)試全部所能通過(guò)的[敏感詞]電壓水平即為該器件的CDM耐受閾值。此外，在低于耐受閾值的任何測(cè)試電壓水平之下，不得發(fā)生任何樣品失效。如果器件樣本未通過(guò)任何電壓水平測(cè)試，則其閾值為0 V。
所有樣本都必須滿足以上測(cè)試要求，直至達(dá)到特定的電壓等級(jí)（Voltage Level），才能將該種器件歸類為如下特定的靜電敏感度分級(jí)（sensitivity classification）。
ESD STM5.3.1標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了JESD22-A101的CDM分級(jí)，具體見其標(biāo)準(zhǔn)中之Table 2，如下：
HBM、MM、CDM三種測(cè)試模型都是針對(duì)半導(dǎo)體器件受ESD影響而建立的。上述ESD測(cè)試模型的測(cè)試方法對(duì)元器件都具有破壞性。這些測(cè)試模型用于標(biāo)定靜電放電敏感半導(dǎo)體元器件的失效閾值。對(duì)于電子系統(tǒng)或整機(jī)產(chǎn)品的ESD測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)則主要遵照“國(guó)際電工委員會(huì)-IEC”制定的IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，此將在后續(xù)另文介紹。
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