Guida completa al collaudo dei componenti IC utilizzando un'apparecchiatura avanzata per il collaudo ESD dei componenti IC (CDM).

Astratto
Durante la produzione, il trasporto e l'assemblaggio dei chip semiconduttori, le scariche elettrostatiche da dispositivo carico (CDM ESD) costituiscono una delle principali cause di guasti imprevisti dei circuiti integrati. Tali guasti sono caratterizzati da forte occultamento, durata dell'impulso ultrabreve e alta difficoltà di riproduzione. I test convenzionali basati su modelli corpo umano (HBM) e modelli macchina (MM) non sono in grado di coprire completamente tali rischi di guasto. L'apparecchiatura di test ESD CDM per componenti IC riproduce il fenomeno della scarica transitoria quando i dispositivi carichi entrano in contatto con conduttori messi a terra e completa la valutazione della tolleranza elettrostatica per i componenti IC. Questo articolo prende in esame LISUN ESD‑CDM CDM Semiconductor ESD Simulator come oggetto di ricerca. Il documento discute il principio di funzionamento, la composizione hardware, la conformità agli standard, le procedure di test complete e il valore applicativo ingegneristico delle apparecchiature di test ESD CDM per componenti IC, al fine di fornire un riferimento di test completo e implementabile per la ricerca sull'affidabilità, il controllo qualità della produzione di massa e la certificazione di conformità internazionale dei dispositivi a semiconduttore.

Introduzione

Durante la manipolazione sulle linee di produzione, il trasporto degli imballaggi e l'assemblaggio automatizzato, i chip a semiconduttore accumulano cariche elettrostatiche per attrito e induzione di campo elettrico. Quando i pin del dispositivo entrano in contatto con punti di messa a terra, pad del PCB o parti metalliche di apparecchiature automatizzate, si verifica una scarica transitoria a livello di nanosecondi, nota come scarica elettrostatica in modalità dispositivo carico (CDM). L'impulso di scarica dura in genere meno di 1 ns con una corrente di picco fino a decine di ampere. Sebbene l'energia di scarica complessiva sia bassa, la sua densità di potenza è estremamente elevata, il che può causare la rottura diretta dello strato di ossido di gate dei chip e provocare circuiti interni bruciati, deriva dei parametri o guasti funzionali permanenti. Molti chip funzionano correttamente dopo l'ispezione in fabbrica, ma presentano guasti inspiegabili dopo la circolazione e l'assemblaggio. Una grande percentuale di questi problemi deriva da danni latenti indotti da shock elettrostatici CDM, difficilmente rilevabili con la normale ispezione visiva.

La maggior parte dei dispositivi di test ESD tradizionali si concentra sul modello del corpo umano e sul modello della macchina. La loro architettura e la capacità di acquisizione delle forme d'onda non soddisfano i rigorosi requisiti dei test CDM e presentano comunemente svantaggi quali procedure operative complesse, insufficiente stabilità della forma d'onda di scarica e un elevato errore di controllo della tensione. L'apparecchiatura di test ESD CDM per componenti IC è stata sviluppata specificamente per scenari di scarica a contatto su dispositivi carichi. Adottando un design integrato di iniezione di carica e scarica a contatto, è in grado di controllare con precisione la tensione di carica e la velocità di contatto di scarica, acquisire completamente le forme d'onda della corrente transitoria, quantificare il limite di tolleranza agli shock elettrostatici CDM dei chip, identificare in anticipo i difetti di progettazione del dispositivo e ridurre la probabilità di guasto nelle successive fasi di produzione di massa e applicazione.

Architettura hardware e parametri principali delle apparecchiature di test ESD CDM per componenti IC

Il completo LISUN Il sistema di simulazione ESD per semiconduttori ESD-CDM è composto da tre unità principali: alimentatore CC ad alta tensione, unità centrale di test e sonda di test elettrostatico. L'apparecchiatura può eseguire autonomamente test in modalità CDM. Può anche condividere l'unità centrale con il simulatore ESD per semiconduttori ESD-883D per estendere i test compositi, coprendo i modelli CDM, HBM e MM, e soddisfare una valutazione multidimensionale della suscettibilità elettrostatica dei dispositivi. L'alimentatore CC ad alta tensione eroga tensioni positive e negative controllabili per completare la carica indotta dal campo dei dispositivi in ​​prova. L'unità centrale di test alloggia il circuito integrato in prova ed è dotata di regolazione dello spostamento tridimensionale e di una struttura di protezione dall'isolamento ad alta tensione. La sonda di test elettrostatico esegue la scarica per contatto e integra un attenuatore per emettere segnali di forma d'onda della corrente di scarica per la registrazione e l'analisi con un oscilloscopio esterno. I principali parametri hardware dell'apparecchiatura sono riassunti nella tabella seguente.

La protezione contro l'isolamento ad alta tensione è integrata all'interno dell'unità principale di test. La piastra di induzione ad alta tensione è isolata per evitare rischi per la sicurezza causati da dispersioni di alta tensione e garantire la sicurezza dell'operatore. La piastra di induzione ad alta tensione, insieme alla piastra di isolamento FR4, costituisce la piattaforma di supporto per il test. Il materiale FR4 soddisfa i requisiti JEDEC per i materiali delle piattaforme di test CDM e genera campi di induzione elettrostatica uniformi e stabili per garantire una distribuzione uniforme della carica sui dispositivi durante la carica. La sonda di test elettrostatica ha un diametro fisico di Φ1.5 mm e una corsa telescopica di circa 3 mm, compatibile con i principali package di semiconduttori, tra cui DIP, SOP, QFP, BGA e TO. Dotata di un attenuatore dedicato, la sonda riserva interfacce di acquisizione del segnale per il collegamento diretto all'oscilloscopio, al fine di acquisire forme d'onda di impulsi di scarica a livello di nanosecondi. Il dispositivo è dotato di un touchscreen Android in cinese e inglese per la configurazione dei parametri con un solo clic. I dati di test, come le forme d'onda di tensione e corrente, possono essere memorizzati direttamente per migliorare la ripetibilità e l'efficienza del test.

Sistema di standard di prova applicabile

LISUN ESD‑CDM, l'apparecchiatura di test ESD CDM per componenti IC, è pienamente conforme ai principali standard nazionali e internazionali per i test di scarica elettrostatica CDM. Gli standard internazionali includono ANSI/ESDA/JEDEC JS‑002‑2014, IEC 60749‑28:2022, AEC‑Q100‑011, EIA/JESD22‑C101 e JEITA ED‑4701/300 Metodo di prova 305. Lo standard nazionale corrispondente è GB/T 4937.28‑2024 Dispositivi a semiconduttore‑Metodi di prova meccanici e climatici‑Parte 28: Test di sensibilità alla scarica elettrostatica‑Caricato‑modello dispositivo, che è una conversione identica da IEC 60749‑28:2022. Per chip di livello automobilistico, circuiti integrati di livello consumer e semiconduttori di potenza, questa apparecchiatura di test ESD CDM per componenti IC può essere utilizzata per la classificazione della suscettibilità elettrostatica CDM a livello di componente, la verifica dell'affidabilità e i test di certificazione di terze parti, e i dati di test generati possono essere direttamente utilizzati nei rapporti di certificazione.

Procedure complete di test CDM per componenti IC

I test CDM formali sui componenti IC devono seguire rigorosamente le specifiche standard per controllare le condizioni chiave come la precisione di posizionamento, il tempo di stabilizzazione della carica e la velocità di movimento della sonda, e per ridurre al minimo gli errori di test indotti dall'operazione manuale. Il primo passo è il montaggio del dispositivo IC. Posizionare il dispositivo a semiconduttore da testare sulla piastra di isolamento e fissarlo con dispositivi di fissaggio compatibili con i pin rivolti verso l'alto. Verificare che non vi siano allentamenti o disallineamenti per evitare interferenze con gli effetti di scarica causate dallo spostamento del dispositivo durante il test. Il secondo passo è la calibrazione della posizione. Regolare le manopole a 3 assi X/Y/Z della base per allineare il pin target esattamente sotto il centro della sonda di test, con una precisione di calibrazione del posizionamento controllata entro 0.1 mm per soddisfare i requisiti di errore di posizionamento JEDEC. Il terzo passo è la messa in servizio della sonda. Spostare manualmente la sonda fino alla massima escursione e abbassarla lentamente fino a toccare il pin del dispositivo. Evitare rigorosamente una pressione eccessiva che possa causare danni fisici al chip. Dopo la conferma del contatto, ritrarre la sonda in posizione di standby e lasciare uno spazio di sicurezza di 5-10 mm tra la sonda e il pin. Il quarto passo è la preimpostazione dei parametri. Impostare la velocità di movimento verticale della sonda sull'interfaccia touch. Per i chip con package fragili, si raccomanda una velocità di 0.5-2 cm/s per evitare danni meccanici causati dalla sonda. Il quinto passaggio consiste nella carica elettrostatica. Impostare la tensione target sull'alimentatore ad alta tensione ed eseguire la carica indotta dal campo sul dispositivo tramite la piastra di induzione ad alta tensione. Mantenere un tempo di assestamento di 1-2 secondi per ottenere una distribuzione di carica completa e uniforme all'interno del dispositivo. Il sesto passaggio consiste nell'esecuzione del test di scarica. Avviare la routine di movimento automatico verso il basso della sonda. La sonda entra in contatto con il pin del dispositivo per innescare la scarica CDM. I segnali istantanei della corrente di scarica vengono trasmessi tramite l'attenuatore all'oscilloscopio con una frequenza di campionamento non inferiore a 1 GHz per l'acquisizione e il salvataggio di forme d'onda impulsive a livello di nanosecondi. Dopo una scarica a polarità singola su un pin, invertire la polarità dell'alta tensione e il pin target per eseguire test di stress di scarica CDM ciclici positivi e negativi su tutti i pin. Al termine del test, confrontare i parametri elettrici e lo stato funzionale del dispositivo prima e dopo lo stress per determinarne il livello di suscettibilità elettrostatica CDM.

Valore applicativo in ambito ingegneristico e precauzioni di prova

Le apparecchiature per il test CDM ESD dei componenti IC offrono molteplici vantaggi lungo l'intera catena industriale dei semiconduttori. Nella fase di ricerca e sviluppo dei chip, i progettisti possono utilizzare queste apparecchiature per individuare i punti deboli sensibili al CDM all'interno dei chip e ottimizzare la progettazione del circuito di protezione ESD on-chip. Negli impianti di packaging, possono essere utilizzate per l'ispezione in entrata e lo screening di affidabilità del prodotto finito, al fine di eliminare preventivamente i prodotti con tolleranza CDM insufficiente. Per i chip di grado automotive che richiedono la certificazione di conformità, le uscite di test supportano elementi di certificazione come AEC-Q100. È importante notare che gli impulsi di scarica CDM sono segnali ad alta velocità, da picosecondi a nanosecondi. Cavi, attenuatori e larghezza di banda dell'oscilloscopio dell'intero sistema di test influiscono direttamente sulla fedeltà della forma d'onda. Nei test pratici, è necessario eseguire una calibrazione regolare del sistema per garantire che l'errore di tensione e gli indici della forma d'onda della corrente soddisfino i requisiti standard. I dispositivi con dimensioni di package maggiori richiedono un tempo di stabilizzazione della carica più lungo per un accumulo di carica sufficiente.

Conclusione

Con la continua miniaturizzazione dei nodi di processo dei semiconduttori, gli strati di ossido di gate dei chip diventano più sottili e i circuiti integrati diventano più vulnerabili alle scariche elettrostatiche CDM. La CDM è diventata una delle principali cause di guasto dei chip. Le apparecchiature per il test ESD CDM dei componenti IC sono in grado di riprodurre realisticamente gli scenari di scarica da contatto di dispositivi carichi in fase di produzione e assemblaggio, consentendo di eseguire test di suscettibilità elettrostatica CDM a livello di componente con elevata precisione e ripetibilità. LISUN ESD‑CDM CDM Semiconductor ESD Simulator Supera i limiti degli strumenti di test CDM convenzionali. La sua struttura hardware, la precisione di controllo e la conformità agli standard soddisfano le esigenze pratiche di ricerca, controllo qualità e certificazione nell'industria nazionale dei semiconduttori. Durante la verifica dell'affidabilità dei circuiti integrati, le aziende dovrebbero dare importanza ai test CDM e integrare le apparecchiature di test ESD CDM per componenti IC nei sistemi di test di affidabilità. I ​​guasti latenti indotti dall'elettricità statica CDM possono essere evitati a livello di componente e l'affidabilità complessiva dei prodotti a circuito integrato può essere migliorata.