導(dǎo)語(yǔ)：ESD對(duì)半導(dǎo)體器件、以及電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造是一項(xiàng)十分重要的影響因素。對(duì)于半導(dǎo)體元器件，人體可能是使其產(chǎn)生靜電損傷最主要的靜電來(lái)源。本文將詳細(xì)介紹ESD測(cè)試的人體模型（HBM）。
一、ESD人體模型
為了表征人體帶靜電并接觸器件放電的電路特性，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)制定了人體模型（Human Body Model-HBM）以規(guī)范HBM模式下的ESD測(cè)試模型和等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
人體放電模型(HBM)的ESD是指因人體在走動(dòng)摩擦或其它因素在人體上累積了靜電，當(dāng)人碰觸到IC時(shí)，人體上的靜電便會(huì)經(jīng)由IC的引腳(pin)而進(jìn)入IC內(nèi)，再經(jīng)由IC放電到地。如左下圖所示。
此放電的過(guò)程會(huì)在短到幾百納秒(ns)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的瞬間放電電流，此電流會(huì)把IC內(nèi)的組件給燒毀。不同HBM靜電電壓相對(duì)產(chǎn)生的瞬間放電電流與時(shí)間的關(guān)系如右上圖。對(duì)一般商用IC的2KV ESD放電電壓而言，其瞬間放電電流的尖峰值大約是1.33 安培。
上表中相關(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。
二、HBM測(cè)試要求
依據(jù)JESD22-A114C (Jan, 2005)，HBM模型的測(cè)試等效電路如下圖。R1為等效人體電阻，C1 為等效人體電容。DUT（Device Under Test)為被測(cè)器件，放置在socket中。圖中S1為充電和放電切換開(kāi)關(guān)，S2用于釋放DUT殘留電荷，R2（500ohm負(fù)載）僅用于初始檢測(cè)確認(rèn)此模擬裝置是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求以及后續(xù)進(jìn)行周期性的系統(tǒng)校調(diào)。標(biāo)準(zhǔn)建議短路（short）波形驗(yàn)證測(cè)試采用18-24AWG鍍錫銅導(dǎo)線。
ESD人體模型等效電路圖
該等效模擬裝置的測(cè)試電路要求在短路（short）條件下應(yīng)符合以下脈沖波形指標(biāo)要求：
a)脈沖上升時(shí)間tr b)脈沖衰減時(shí)間td
短路電流（Ips）波形
該等效模擬裝置的測(cè)試電路要求在500ohm負(fù)載條件下應(yīng)符合以下脈沖波形指標(biāo)要求：
a)脈沖上升時(shí)間trr b)脈沖衰減時(shí)間tdr
通過(guò)500oh電阻的電流（Ips）波形
Table 1-Waveform Specification
在短路條件下，脈沖從峰值（Ips）的10%上升到峰值的90%所需要的時(shí)間tr為脈沖上升時(shí)間，為2~10ns;脈沖從峰值下降到峰值的36.8%所需要的時(shí)間td為脈沖衰減時(shí)間，為150±20ns; 電流脈沖波形中第一個(gè)波峰與第一個(gè)波谷之間的差值IR為最大的振蕩電流峰-峰值，應(yīng)小于短路放電峰值電流Ips的15%。500ohm負(fù)載條件下的脈沖波形指標(biāo)要求如上表Table 1，不在此贅述。
三、器件HBM等級(jí)測(cè)試
通常按照Table 1中所示的電壓步長(zhǎng)(Voltage Step)在每個(gè)電壓等級(jí)（Voltage Level）上用3 個(gè)器件樣本進(jìn)行器件ESD失效閾值的表征?？梢赃x擇使用更精細(xì)的電壓步長(zhǎng)來(lái)獲得更精確的失效閾值測(cè)量。ESD 測(cè)試應(yīng)從Table 1中的最低步長(zhǎng)開(kāi)始。ESD測(cè)試應(yīng)在室溫條件下進(jìn)行。 進(jìn)行器件ESD等級(jí)測(cè)試時(shí)，3顆芯片的每個(gè)樣本都按照Table 2給出的全部引腳組合以某一個(gè)電壓等級(jí)（Voltage Level）對(duì)每個(gè)引腳施加1次正向和1次負(fù)向脈沖，正向和負(fù)向脈沖的間隔時(shí)間不小于100ms，考慮器件可能積累損傷，這個(gè)間隔時(shí)間可以加長(zhǎng)。施加的脈沖電壓通常從Table 1中最低的等級(jí)開(kāi)始，但也可以從任何一個(gè)等級(jí)開(kāi)始，當(dāng)這3個(gè)樣本全部都通過(guò)了該等級(jí)測(cè)試后，仍然可以繼續(xù)使用它們，施加下一個(gè)更高等級(jí)的脈沖電壓，直到有器件發(fā)生失效。但如果一開(kāi)始用較高的初始脈沖電壓導(dǎo)致器件失效，則應(yīng)該換用全新的樣本并從最低等級(jí)電壓重新開(kāi)始測(cè)試。
Table 2中的power pin(s)是指任何為電路提供電能的引腳。絕大多數(shù)power pin(s)很容易通過(guò)符號(hào)識(shí)別，例如：VDD、VDD1、VDD2、VDD_PLL、VCC、VCC1、VCC2、VCC_ANALOG、VSS、VSS1、VSS2、VSS_PLL、VSS_ANALOG, 其它如Vbias、Vref 等則不屬于power pin(s)。 遵循Table 2中的引腳組合指引，參考其它標(biāo)準(zhǔn)，芯片ESD測(cè)試的引腳組合和連接方式有以下幾種方式。
1）Pin對(duì)VDD/VSS測(cè)試
2）Pin對(duì)Pin測(cè)試
3）VDD對(duì)VSS測(cè)試
4）多VDD 對(duì) 多VSS測(cè)試
5）運(yùn)放差分輸入引腳間測(cè)試
在施加ESD脈沖后，器件不再能符合參數(shù)和功能測(cè)試規(guī)格要求，則被定義為失效。如果有特別要求進(jìn)行多溫度條件下的HBM測(cè)試，則應(yīng)該從最低溫度開(kāi)始。
為了給芯片進(jìn)行靜電敏感度分級(jí)（sensitivity classification），所有被測(cè)樣品必須按照上述模型及測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試標(biāo)定。JESD22-A114將芯片的HBM等級(jí)劃分如下：
CLASS 0： 施加250V或以下ESD脈沖，器件發(fā)生失效
CLASS 1A： 施加250V ESD脈沖時(shí)通過(guò)，但是施加500V ESD脈沖時(shí)器件發(fā)生失效
CLASS 1B： 施加500V ESD脈沖時(shí)通過(guò)，但是施加1000V ESD脈沖時(shí)器件發(fā)生失效
CLASS 1C： 施加1000V ESD脈沖時(shí)通過(guò)，但是施加2000V ESD脈沖時(shí)器件發(fā)生失效
CLASS 2： 施加2000V ESD脈沖時(shí)通過(guò)，但是施加4000V ESD脈沖時(shí)器件發(fā)生失效
CLASS 3A： 施加4000V ESD脈沖時(shí)通過(guò)，但是施加8000V ESD脈沖時(shí)器件發(fā)生失效
CLASS 1B： 施加8000V ESD脈沖時(shí)通過(guò)
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