1HBM静电放电测试系统之二次电性过应力事件的形成与抑制
esds20.20 2021版hbm标准
ESDS20.20 2021版HBM标准一、概述ESDS20.20 2021版HBM标准是由ESDA（电子静电防护协会）制定的，用于评估和测量电子元件对人体静电放电（HBM）的敏感程度。
该标准旨在帮助电子行业有效地防止由人体静电放电引起的损坏，从而保障电子产品的可靠性和稳定性。
二、背景1. 人体静电放电（HBM）是指当人的身体带有静电荷，接触电子元件时会产生放电现象，从而可能对电子元件造成损害。
2. 电子产品在生产、运输、安装和使用过程中都可能遭受到HBM的影响，因此对HBM的评估和防护至关重要。
3. ESDA作为国际性的专业组织，致力于推动静电防护技术的研究和标准化工作，ESDS20.20标准就是其在HBM领域的重要成果。
三、ESDS20.20 2021版HBM标准的主要内容1. HBM测试设备：标准规定了用于HBM测试的各种设备和仪器的要求和配置。
2. HBM测试流程：标准详细描述了HBM测试的步骤和标准化流程，包括测试环境的要求、测试样品的准备和测试方法等。
3. HBM测试参数：标准规定了HBM测试中的各项参数的范围和要求，包括放电电压、放电能量等。
4. HBM测试结果的评定：标准要求根据测试结果对电子元件的防护等级进行评定，并提供相应的报告和记录。
5. HBM测试的应用范围：标准列举了HBM测试适用的各种电子元件和相关产品，包括集成电路、半导体器件、电子线路板等。
四、ESDS20.20 2021版HBM标准的意义和作用1. 保障电子产品的可靠性：通过HBM测试，能够有效地评估电子元件对人体静电放电的敏感程度，从而有针对性地采取防护措施，保障电子产品的可靠性和稳定性。
2. 促进产业发展：标准化的HBM测试方法有助于推动电子产业的发展，提高产品质量和技术水平，增强企业的竞争力。
3. 保护用户权益：通过符合HBM标准的电子产品，可以减少因人体静电放电引起的损害，从而保护用户的合法权益。
五、ESDS20.20 2021版HBM标准的应用案例1. 电子芯片生产企业A为了评估其新产品对HBM的抵抗能力，在生产初期采用ESDS20.20 2021版标准进行了严格的测试和评定，根据测试结果对产品设计进行了调整，最终成功推出了符合市场需求的高品质产品。
HBM测试方法
HBM测试方法本文旨在介绍《HBM测试方法》的目的和背景，并概述本文的结构。
HBM测试方法》是指针对电子产品进行人体静电放电(Human Body Model。
HBM)测试的方法。
HBM测试是一种常见的测试手段，用于评估电子设备在人体静电放电环境下的可靠性和安全性。
测试过程中，会模拟人体静电放电对电子产品可能造成的损害，并评估产品是否能够在此类环境下正常工作。
本文将首先介绍HBM测试的目的，即确定电子产品能否在人体静电放电环境下正常使用。
随后，将概述HBM测试的背景，包括该测试方法的起源和发展。
最后，将简要概述本文的结构，介绍后续各部分的内容和组织安排。
通过阅读本文，读者能够对《HBM测试方法》有一个基本的了解，并对其在电子产品可靠性和安全性评估中的重要性有所认识。
HBM（Human Body Model）测试是一种用于评估电子产品静电放电（ESD）抗性能的方法。
该方法模拟人体静电放电对电子产品可能造成的损害，以确保产品在正常使用时的可靠性。
HBM测试涉及以下几个方面：测试设备：HBM测试需要使用专门的测试设备，包括高阻抗电源、高电压放电控制器和模拟人体模型。
测试条件：HBM测试需要在恒温恒湿的环境下进行，以确保测试结果的准确性和可重复性。
测试环境应符合国际标准，如JESD22-A114.测试步骤：HBM测试包括以下步骤：准备测试样品：将待测产品放置在测试台上，并确保与测试设备连接良好。
设置测试参数：根据测试要求，设置合适的测试电流和放电时间。
进行放电测试：通过电压放电控制器模拟人体静电放电，并记录测试结果。
分析测试结果：根据测试结果评估测试样品的静电放电抗性能，包括放电幅度、放电时间和放电曲线等。
HBM测试方法能够帮助电子产品制造商评估产品的静电放电抗性能，以确保产品在正常使用时不会受到静电放电的损害，提高产品的可靠性和稳定性。
本文将介绍HBM测试的相关标准，包括国际标准和行业标准，并说明其重要性和适用范围。
hbm 静电 原理
hbm 静电原理
HBM（Human Body Model，人身模型）静电原理是指在人与物体之间形成静电放电的现象。
它基于人体与周围环境产生的静电电荷之间的电位差，当这个电位差达到某个临界值时，静电放电就会发生。
静电产生的原因通常包括人体与物体之间的摩擦、电离和电荷转移等。
当人体与物体发生接触或摩擦时，电子会从一个物体转移到另一个物体上，产生电荷的积累。
如果人体表面的电荷积累超过一定程度，就会形成静电放电。
HBM测试的目的是测量人与测试设备之间的电位差，以模拟人体身上的静电放电情况。
通常，测试设备会通过一个高阻抗的电阻和一个电位计连接到人体上，当人体与设备之间存在电位差时，通过电位计可以测量出该电位差的大小。
静电放电可能对电子设备产生破坏性影响，特别是对于集成电路等敏感元件而言。
通过HBM测试，可以评估和验证电子设备对静电放电的敏感性，从而采取适当的保护措施来预防静电放电损害。
HBM测试方法
HBM测试方法简介Human Body Model (HBM) 是一种用于评估电子设备和集成电路对人体静电放电（ESD）敏感性的测试方法。
HBM测试方法使用模拟人体本身作为ESD源，通过模拟人体与电子装置之间的静电放电，进而评估电子设备和集成电路对静电放电的敏感程度。
本文将介绍HBM测试方法的基本原理和步骤。
基本原理HBM测试是一种间接测试方法，通过将模拟人体起电部位（如手指）与待测设备的输入、输出端口相连接，并在人体与设备之间施加静电放电，模拟电荷的积累和放电过程。
静电放电模拟人体与设备之间的接触或靠近时产生的电荷传递。
HBM测试模式下，静电放电的波形可以对人体放电过程和放电能量进行描述，进而判断出设备的抗静电放电能力。
HBM测试方法主要有以下特点：•高压脉冲：HBM测试中使用的脉冲电压可达数千伏，能够模拟人体放电时的高能量电荷传递。
•快速上升时间：HBM测试模式下，放电时间非常短，上升时间可达到纳秒级，模拟人体放电的瞬时性。
•可重复性：HBM测试方法具备良好的重复性，可以在相同条件下对不同样品进行反复测试，确保结果的准确性和可靠性。
测试步骤以下将介绍HBM测试方法的具体步骤：1. 准备测试设备在进行HBM测试之前，需要准备以下测试设备：•高压发生器：用于产生HBM测试中所需的高压脉冲。
•静电放电手柄：用于模拟人体放电时产生的高能量电荷。
2. 设备连接将待测设备的输入、输出端口与静电放电手柄相连接。
确保连接牢固可靠，并注意接地保护以保证测试的准确性。
3. 设置测试参数根据待测设备的规格和要求，设置测试参数。
包括脉冲电压、上升时间和测试次数等。
4. 进行测试开始进行HBM测试。
在测试过程中，持续调整测试参数，直到得到符合要求的测试结果。
5. 结果分析对测试结果进行分析和评估。
根据测试结果，评判待测设备的抗静电放电能力。
如果测试结果不符合规格要求，需要对设备进行优化或重新设计。
注意事项在进行HBM测试时，需要注意以下几点：1.安全防护：由于HBM测试中使用的高压脉冲具有一定的危险性，测试人员需要佩戴防静电手套和护目镜等防护装备，以确保人身安全。
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HBM测试方法范文
HBM测试方法范文HBM（Human Body Model）测试方法是一种常见的电静电放电（ESD）测试方法，用于评估电子元件对人体静电放电的敏感性。
HBM测试方法通过模拟人体静电放电事件，检测元件是否能够在人体静电放电时正常工作。
下面将详细介绍HBM测试方法的原理、测试流程和相关注意事项。
HBM测试方法基于以下原理：在日常生活中，人体会因为摩擦或触碰带有静电的物体而带有静电电荷。
当人体接触到电子元件时，这些静电电荷会通过人体导电路径放电到地面或其他导体上。
HBM测试方法通过人体模型和一个高阻抗的电源来模拟这种静电放电过程。
1.准备测试设备和元件：需要一个HBM测试仪和待测试的电子元件。
元件要求无焊接和其他电路连接，保持与环境绝缘。
2.设置HBM测试仪：根据测试需求设置测试仪的电源电压、电流限制和测试时间等参数。
3.连接测试设备：将待测试元件与HBM测试仪连接，确保电路正常连接。
4.静电放电：将人体模型靠近元件，人体模型上电极与元件的引脚接触，进行放电操作。
HBM测试仪将对元件进行监测，并记录放电事件的发生时间、幅度和持续时间等信息。
5.数据分析和结果判定：根据测试仪器提供的数据和规范要求，分析元件的静电放电敏感性，并判定元件是否符合相关标准。
在进行HBM测试时，需要注意以下事项：1.根据测试规范选择适当的测试设备和参数。
不同行业和应用有不同的HBM测试要求，如工业类和汽车类产品的测试要求可能不同。
2.确保测试环境的静电控制。
HBM测试对环境的静电干扰非常敏感，测试环境应有良好的地静电防护，并尽量减少物体的静电积累。
3.确保测试设备的电气连接正常。
元件与测试仪的电路连接要良好，电气接触要可靠，避免因为接触不良而导致测试结果不准确。
4.在测试过程中避免机械振动或冲击，以免对测试结果产生干扰。
5.HBM测试仅能测试电子元件在静电放电事件下的性能，对于其他类型的ESD事件，如电互感放电（TLP）或金属静电放电（MMB）等，需要采用其他测试方法。
emc静电测试标准
emc静电测试标准EMC（电磁兼容性）静电测试标准是评估电子产品或系统在静电放电（ESD）环境中的性能和可靠性的重要标准。
静电放电是指两个不同电位的物体相互接触或摩擦时，瞬间产生大量电荷的现象。
这些电荷可能会对电子设备产生干扰或损坏，因此进行静电测试是确保设备在真实环境中的稳定性和可靠性必不可少的环节。
一、静电放电模型在EMC静电测试中，通常采用人体模型（HBM）、机器模型（MM）和地模型（GM）三种静电放电模型来模拟不同情况下的静电放电。
1.人体模型（HBM）：模拟人类带电体与电子设备之间的放电。
在测试中，使用人体模型来模拟操作员、维修人员或其他与设备交互的人可能引起的静电放电。
2.机器模型（MM）：模拟机器或设备之间的放电。
例如，两个不同电位的电路板或电子部件之间的摩擦会产生静电放电。
机器模型用于评估设备在生产线或机器之间的静电放电风险。
3.地模型（GM）：模拟设备内部不同电路或组件之间的放电。
地模型主要用于评估设备内部不同部分之间的静电放电风险。
二、静电放电测试标准1.国际电工委员会（IEC）：IEC 61000-4-2是最常用的静电放电测试标准之一。
该标准规定了电子产品或系统在进行电磁兼容性测试时应遵循的静电放电抗扰度要求。
它包括三个等级的测试：Level 1、Level 2和Level 3，分别对应不同的电荷量等级。
2.美国联邦航空管理局（FAA）：FAA对航空设备的电磁兼容性有特殊要求，其中涉及静电放电测试。
FAA要求设备必须能够承受特定的静电放电等级，以确保其在飞机和其他航空器上的正常运行。
3.其他国家和地区标准：除了IEC和FAA，许多国家和地区都有自己的静电放电测试标准和要求。
例如，中国、欧洲电信标准协会（ETSI）和日本电信标准协会（JTS）等都制定了相应的静电放电测试标准。
三、静电放电测试方法在进行静电放电测试时，通常采用以下步骤：1.确定测试设备和条件：选择适当的测试设备，如静电发生器、示波器、电压表等，并设定适当的测试条件，如测试环境湿度、温度、气压等。
二次静电放电特性仿真与实验研究
二次静电放电特性仿真与实验研究二次静电放电(Secondary Electrostatic Discharge,SESD)是一种特殊的静电放电现象,相比一般意义上的静电放电事件,二次放电发生在电子仪器、设备内部的微小间隙之间,威胁过程非常隐蔽,危害性也更强,最高能达到上万伏的瞬态电压,峰值电流可达数十安培,这对晶体管等很多元件来说是致命的。
为此,本文通过棒板结构研究二次静电放电过程,在深入研究静电放电相关理论的基础上,总结棒板放电过程中的一般机理,然后从宏观到微观,从仿真到实验再到仿真的方法,研究二次静电放电特性。
首先,分析棒板结构中二次静电放电原理,将二次放电过程理解为一次峰值过程和二次峰值过程,一次峰值过程由ESD模拟器对间隙的位移电流产生,二次峰值过程由气隙电容的击穿放电过程产生,基于国内外学者成熟的放电数值模型,实现二次静电放电的电路级仿真,研究发现,二次放电峰值大于一次峰值,而峰值上升时间近似。
然后设计了大量的实验,从统计学角度分析实验数据,与电路级模型互相对比验证,总结出二次放电的峰值特性与时延特性。
二次放电的峰值与时延息息相关,时延越长,电容充电越久,二次峰值也越高,这种相关性在纳秒级可以近似为正线性,并且线性度受电压、间距等因素的影响,高电压下,线性系数更大。
二次放电的时延由统计时延和形成时延组成,形成时延是流注产生至沟通棒板电极的时间,在一定外界条件下,是个定值,统计时延是初始种子电子的随机碰撞时间,具有一定的随机性,统计数据表明,这种随机特性服从正态分布,并且受电压、间距等外界因素的影响。
最后在COMSOL Multiphysics软件等离子体模块中,仿真了 0.5mm间隙下的棒板放电过程,仿真结果符合汤森放电理论与流注放电理论,和国内外学者报道的仿真特性基本一致,在0.2mm距离内流注畸变场强落差达800kV/m,流注生长速度可达60km/s。
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HBM靜電放電測試系統之二次電性過應力事件的形成與抑制作者Tom Meuse (1), Larry Ting (2), Joe Schichl (2), Robert Barrett (1), David Bennett (1), Roger Cline (2), Charvaka Duvvury (2), Michael Hopkins (1), Hans Kunz (2), JohnLeiserson (1), Robert Steinhoff (2)(1) Thermo Electron Corporation (2) Texas Instruments Inc.譯者何正江訊程實業股份有限公司目錄1.背景介紹2. 元件失效的描述和測試系統間的相互作用3. 異常尾波(trailing pulse)的發現4. 異常尾波(trailing pulse)形成的機制5. 測試系統的修改以抑制異常尾波(trailing pulse)6. 對於HBM測試標準改進之建議以及將來之挑戰7.結論HBM靜電放電測試系統之二次電性過應力事件的形成與抑制前言以往在人體帶電模型(Human Body Model，HBM)靜電放電測試系統中，未被偵測到的異常尾波(trailing pulse)，最近已被證實對於較先進技術下所製造出來的半導體產品，會在其閘極氧化層(gate oxide)部位產生預期之外的破壞。
此第二脈衝是由於放電繼電器以及充電電路寄生特性所共同引起的電性過應力(Electrical Over-Stress，EOS)自然現象。
本文件主要在探討此一重要現象以及建立測試系統如何來抑制異常尾波的機制。
1. 背景介紹自從1979年美國軍方首度制定人體帶電模型(Human Body Model，HBM)耐靜電測試標準MIL-STD-883 Method 3015以來許多商品化的HBM測試系統相繼在半導體工業界被採用。
此些HBM測試系統已被證實對於半導體產品不論是製程或線路設計的抗過電性應力/抗靜電(EOS/ESD)能力提升上有很大的助益，這些測試系統雖不盡理想但是半導體工業界對它卻有高度的依賴，因此長久以來都被用來檢驗證實半導體產品是否通過耐靜電測試與否。
早期對此不盡理想系統的研究主要在於配合此系統的測試板(test fixture)及繼電器所可能帶來的寄生(parasitic)效應。
本文則著重於由放電繼電器以及充電電路寄生特性所共同引起且跟隨在正常靜電放電脈衝之後的擾動脈衝。
目前大部份的HBM測試系統均使用一種內部充滿惰性氣體的高壓繼電器來遞送HBM放電波形至待測元件上，當此繼電器被激發時其內部氣體亦會被離子化而造成電性的通路，此HBM放電波形會借由放電電容和待測元件的跳火而產生。
然而我們也發現高壓電源會借由此離子化氣體而有某種程度的漏電流會發生，此一發生於HBM放電波形之後的瞬間漏電流在本文中就被稱為異常尾波(trailing pulse)。
此異常尾波漏電流比起主要的HBM放電波形要小好幾個等級，但是對於較薄的閘極氧化層(gate oxide)仍有機會造成致命的傷害。
本研究主要就在描述此異常尾波的被發現和形成機制的討論以及如何被抑制。
2. 元件失效的描述和測試系統間的相互作用這一繼電器現象已在某些產品的測試中被證實對於HBM測試結果有誤判的存在。
以3.3V 0.13µm技術的CMOS元件為例，HBM測試失效的判定就不是一般測試後電壓電流曲線掃瞄(I-V Curve Tracing)或開路/短路(opens/shorts)所能檢測出來。
唯一的方法是檢查最低高邏輯電位(VIH，minimum logic high voltage level)和最高低邏輯電位(VIL，maxium logic low voltage level)的輸入腳參數特性。
在HBM測試之後VIH/VIL準位的偏移可高達超出產品規範的700mV之多。
圖1即是在表示HBM測試電壓和VIH/VIL準位偏移增加的關係，而此一準位偏移的增加是由於電性過應力(EOS-type)的打擊造成了閘極氧化層(gate oxide)劣化所引起。
圖1. 經不同HBM 測試電壓之後VIH/VIL 準位的偏移現象。
圖2為一種輸入端保護線路。
此保護線路由於在電源處並沒有二極體存在，因此一般稱為Fail-Safe (FS)元件。
其主要保護係在於基體觸發(substrate triggered)之nMOS ，它被用來將輸入腳之靜電放電電壓箝制在6V 左右，此特性可由TLP(Transmission Line Pulse)測試得到驗證。
另外在此電路中尚有兩個箝制線路的安排。
其一為接至Vss 的閘極接地N 型通道金氧半電晶體(grounded gate nMOS)，用來保護N 型通道金氧半電晶體緩衝閘(nMOS buffer gate)，另一則為箝制至Vdd 的背對背N 型通道金氧半電晶體(back-to-back nMOS)，用來保護P 型通道金氧半電晶體緩衝閘(pMOS buffer gate)。
圖2. 輸入端保護線路。
此二種箝制均經由大電阻來隔離，必需注意的是接至地電位的閘極箝制(grounded gate clamp)具有較初級基體觸發(primary substrate trigger)保護線路為高的觸發準位(trigger level)，在HBM測試時，此箝制並不導通電流而是由在接腳處的初級基體觸發(primary substrate trigger)保護線路來導通所有的HBM電流，其主要用途是用來箝制任何在接腳處附近所可能累積的電壓以保護閘極氧化層。
以2kV HBM測試為例，在接腳處附近的電壓被箝制在6V，如果接腳處附近的累積靜電放電電壓到達9V時，此初級元件將箝制在6V，因此閘極氧化層將受到最佳的保護。
然而，如果輸入端閘極氧化層(input gate oxide)因任何原因超過9V，例如本文所討論之尾波(trailing pulse)，就有可能引發金氧半電晶體之劣化而造成VIH/VIL的漂移。
如同圖2之保護線路在以往亦曾被使用於0.18µm和0.21µm技術，而完全沒有造成任何VIH/VIL的偏移。
但是，一但被使用於0.13µm技術時，卻產生如同圖1的偏移。
這一特殊現象，在最近被發現和HBM測試系統有絕對的關係。
要解決此一異常現象就必需由測試系統的設計改進來處理。
3. 異常尾波(trailing pulse)的發現在分析HBM所造成的失效時，一般是利用跨在測試腳間的電壓波形相對於靜電保護線路的反應來作分析。
此靜電放電保護線路的反應一般是以不超過150ns為考量，在此時間之後電壓被預期將很快衰退至0V。
然而，從實際所捕捉到的波形卻可在遠超過150ns之後看到如圖3的異常波形。
圖3所顯示最初的150ns即為正常HBM 所造成，至於第二道700µs的異常波形亦同時被捕捉到。
100µs/div圖3. 藉由失效元件而量得的電壓波形。
早先HBM測試系統的負載效應被懷疑是引發異常波形的主要原因，因此，除了原先已有使用短路和500ohm負載檢查波形外另外尚需以並接的10k歐姆(ohm)電阻和稽納二極體(zener diode)來當負載。
圖4顯示HBM的等效電路以及負載的擺置。
此一組合配合10M歐姆阻抗的電壓探棒被用來確認測試系統由異常尾波轉化而來的電流大小。
Tektronix公司CT1電流探棒則被放置在10k/Zener 的A端點，用來觸發示波器額外的10M歐姆阻抗電壓探棒亦被放置在A端點，以便在示波器另一通道抓取異常尾波。
從此一負載所抓取到的電壓就是由異常尾波所轉化而來的第二脈衝(secondary pulse)。
由於電流值相對於ESD電流波形小很多，因此，第二道的異常波形無法於正常ESD 波形確認時的電流探棒和時間參數設定所捕捉到。
240µA trailing pulse圖4. 2kV ESD電壓脈衝，顯示有第二波形(使用圖5之負載並設定在100µs/div)。
4. 異常尾波(trailing pulse)形成的機制在圖5中，ESD波形是借由單刀雙擲(SPDT)的繼電器(S1)而輸出。
在自動化HBM 靜電放電測試系統中，此繼電器不僅要能承受ESD充電電壓同時，也要能滿足超過上億次工作壽命的需求，因此絕大部份都使用內部加灌有高壓的濕式水銀繼電器(mercury wetted gas filled pressurized relay)以達到此基本要求。
當這種氣體水銀繼電器被用來做為高壓切換時存有一個缺點，那就是內部的高壓氣體在開關切換過程中會產生離子化，並在開關完全閉合前產生跳火現象，其結果就是在HBM ESD超過1kV時有可能產生異常之第二波形輸出。
圖6是第一次放電是發生在跳火發生的瞬間，而第二次放電是發生在繼電器開關完全閉合前的瞬間。
依ESDA STM5.1標準第二次放電應保持在第一次放電的15%以內。
圖5. HBM等效電路以及10k歐姆電阻/Zener二極體負載以用確認異常尾波之特性。
圖6. 利用10k歐姆電阻/zener二極體負載驗證S1繼電器所引起的多重脈衝。
繼電器內離子化作用另外會產生一個ESDA STM5.1標準所未討論的現象。
離子化氣體會造成繼電器的常開(N.O. -Normal Open)和常閉(N.C. -Normal Close)接點瞬間導通，並有機會連接至高壓充電電路造成異常尾波發生。
從圖3可以很清楚的看到異常尾波也就是第二脈衝的產生。
此異常尾波可維持大約700µs直到離子化現象結束。
使用500歐姆電阻當HBM ESD負載在2kV時，異常尾波轉化而來的漏電流約可達300µA，也就是相當於額外一顆10M歐姆電阻接至高壓充電電路。
改變高壓充電電路的限流電阻是會改變或改善異常尾波的大小。
如果將限流電阻從10M歐姆提升至50M歐姆則異常尾波約可降低五倍。
此點也更加確認異常尾波是由高壓充電電路而來。
而我們的首要工作，便是如何進一步隔離充電電路以及放電繼電器。
5. 測試系統的修改以抑制異常尾波(trailing pulse)首先就形成ESD脈衝的電路進行修改，以期降低繼電器接點瞬間導通的效應。
當增加充電電路的限流電阻時是會有某種程度的改善，然而充電至C1電容所需的時間也成等比率的增加，因此這不是合適的解決方案。
最終且較合理的解決方案應該如圖7所示，在放電繼電器和高壓充電電路之間多增加一個切斷繼電器。
這個切斷繼電器的動作時間被精準的控制，也就是在S1繼電器動作之前動作。
如此一來便能將高壓充電電路和待測元件(DUT)之間完全隔離。