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常見防靜電問題

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靜電防護ESD的標準以及測試方法

時間:2017-07-21  編輯:通格電子字體:
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    根據靜電的產生方式以及對電路的損傷模式不同通常分為四種測試方式:人體放電模式(HBM: Human-Body Model)、機器放電模式(Machine Model)、元件充電模式(CDM: Charge-Device Model)、電場感應模式(FIM: Field-Induced Model),但是業界通常使用前兩種模式來測試(HBM, MM)。下文著重講解以下前兩種,尤其是第二種機器放電模式的測試方法:
一、人體放電模式(HBM)
      就是人體摩擦產生的電荷突然碰到芯片釋放的電荷導致芯片燒毀擊穿,秋天和別人觸碰經常觸電就是這個原因。
     業界對HBM的ESD標準為:(MIL-STD-883C method 3015.7,等效人體電容為100pF,等效人體電阻為1.5Kohm),它規定小于<2kV的則為Class-1,在2kV~4kV的為class-2,4kV~16kV的為class-3。國際電子工業標準(EIA/JESD22-A114-A)也有相關規定。

二、機器放電模式(MM):

     是機器(如robot)移動產生的靜電觸碰芯片時由pin腳釋放,其標準為EIAJ-IC-121 method 20(或者標準EIA/JESD22-A115-A),等效機器電阻為0 (金屬),電容依舊為100pF。由于機器是金屬且電阻為0,所以放電時間很短,幾乎是ms或者us之間。但是更重要的問題是,由于等效電阻為0,所以電流很大,所以即使是200V的MM放電也比2kV的HBM放電的危害大。而且機器本身由于有很多導線互相會產生耦合作用,所以電流會隨時間變化而干擾變化。
ESD的測試方法類似FAB里面的GOI測試,指定pin之后先給他一個ESD電壓,持續一段時間后,然后再回來測試電性看看是否損壞,沒問題再去加一個step的ESD電壓再持續一段時間,再測電性,如此反復直至擊穿,此時的擊穿電壓為ESD擊穿的臨界電壓(ESD failure threshold Voltage)。通常我們都是給電路打三次電壓(3 zaps),為了降低測試周期,通常起始電壓用標準電壓的70% ESD threshold,每個step可以根據需要自己調整50V或者100V。
(1). Stress number = 3 Zaps. (5 Zaps, the worst case)
(2). Stress step ΔVESD = 50V(100V) for VZAP <=1000VΔVESD = 100V(250V, 500V) for VZAP > 1000V
(3). Starting VZAP = 70% of averaged ESD failure threshold (VESD)
 
另外,因為每個chip的pin腳很多,你是一個個pin測試還是組合pin測試,所以會分為以下四種組合:I/O-pin測試(Input and Output pins)、pin-to-pin測試、Vdd-Vss測試(輸入端到輸出端)、Analog-pin。
1. I/O pins:就是分別對input-pin和output-pin做ESD測試,而且電荷有正負之分,所以有四種組合:input+正電荷、input+負電荷、output+正電荷、output+負電荷。測試input時候,則output和其他pin全部浮接(floating),反之亦然。
2. pin-to-pin測試: 靜電放電發生在pin-to-pin之間形成回路,但是如果要每每兩個腳測試組合太多,因為任何的I/O給電壓之后如果要對整個電路產生影響一定是先經過VDD/Vss才能對整個電路供電,所以改良版則用某一I/O-pin加正或負的ESD電壓,其他所有I/O一起接地,但是輸入和輸出同時浮接(Floating)。
3.Vdd-Vss之間靜電放電:只需要把Vdd和Vss接起來,所有的I/O全部浮接(floating),這樣給靜電讓他穿過Vdd與Vss之間。
4.Analog-pin放電測試:因為模擬電路很多差分比對(Differential Pair)或者運算放大器(OP AMP)都是有兩個輸入端的,防止一個損壞導致差分比對或運算失效,所以需要單獨做ESD測試,當然就是只針對這兩個pin,其他pin全部浮接(floating)。
 

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