半導(dǎo)體器件的ESD測試機器模型（MM）及靜電敏感度分級
一、ESD機器模型
在半導(dǎo)體器件的制造、測試和電路板焊接組裝的過程中，除了人體靜電對器件可能造成潛在傷害，另一種重要的靜電來源則是由于機器設(shè)備本身接地不良，在運行過程中產(chǎn)生靜電積累。當機器或機械手臂碰觸到IC時，靜電經(jīng)由IC的引腳（pin）放電。由于機器通常是金屬材料，其等效電阻為0歐，其等效電容為200pF，故比較人體其放電的過程更短，在幾納秒到幾十納秒之內(nèi)會有數(shù)安培的瞬間靜電放電電流產(chǎn)生。
機器模型（MM) 2KV 和人體模型（HBM）200V放電脈沖波形比較如下圖，雖然HBM的電壓2KV比MM的電壓200V高，但是200V MM的放電電流卻比2KV HBV的放電電流大很多。放電電流波形有上下振蕩(Ring)的情形，這是因為測試機臺導(dǎo)線的雜散等效電感與電容互相耦合而引起的。因此機器模型的放電對IC的破壞力更大。
為了表征機器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)標準組織/機構(gòu)制定了機器模型（Machine Model-MM）以規(guī)范MM模式下的ESD測試模型和等級標準。
以上相關(guān)的標準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標準為參考進行說明。
二、 MM測試要求
依據(jù)JESD22-A115-A (Oct, 1997)，MM模型的測試等效電路如下圖。等效機器電阻為0歐，C1 為等效機器電容。DUT（Device Under Test）為被測器件，放置在插座（socket）中。圖中S1為充電和放電切換開關(guān)，S2用于釋放DUT殘留電荷，R2（500ohm負載）僅用于初始檢測確認此模擬裝置是否符合標準要求以及后續(xù)進行周期性的系統(tǒng)校調(diào)。標準建議短路（short）波形驗證測試采用18-24AWG鍍錫銅導(dǎo)線。
圖1 ESD機器模型等效電路圖
該等效模擬裝置的測試電路要求符合以下脈沖波形指標要求：
圖2 短路放電的電流波形@400V 圖3 通過500ohm放電的電流波形@400V
在每次切換測試儀和更換測試插座（socket）/DUT板后一開始也都需要進行波形校驗。如果任何一次波形不符合圖1和表1（table 1）中 400V電壓下的要求，則應(yīng)停止測試，直到波形符合要求。
三、 器件MM等級測試
器件的ESD等級測試必須在已經(jīng)完成所有制程和規(guī)格功能參數(shù)測試后的真實芯片上進行。在進行ESD測試之前，應(yīng)對所有待進行ESD測試的樣本器件完成室溫下、或如果適用的更高溫度條件下的直流參數(shù)和功能測試。被測試樣本應(yīng)滿足器件手冊的參數(shù)要求。
通常按照Table 1中所示的電壓步長(Voltage Step)在每個電壓等級（Voltage Level）上用3 個器件樣本進行器件ESD失效閾值的表征。可以選擇使用更精細的電壓步長來獲得更精確的失效閾值測量。ESD 測試應(yīng)從Table 1中的最低步長開始。ESD測試應(yīng)在室溫條件下進行。
對于Table 2 中指定的所有引腳組合，3 個器件的每個樣本都應(yīng)以某一個電壓等級（Voltage Level）在每個引腳上施加1個正向脈沖和1個負向脈沖應(yīng)力，脈沖之間至少間隔 0.5 秒。對于Table 2 中指定的每一種引腳組合，使用3個器件中的一個單獨樣本是允許的。
當這3個樣本全部都通過了該等級ESD測試后，仍然可以繼續(xù)使用它們，施加下一個更高等級的脈沖電壓，直到有器件發(fā)生失效。
引腳組合如Table 2 所示。引腳組合的實際數(shù)量取決于電源引腳組的數(shù)量。 通過金屬導(dǎo)線（封裝內(nèi)部）直接連通的命名為“power”引腳（VCC1、VCC2、VSS1、VSS2、GND 等）可以連接在一起并作為一個引腳連接到Terminal B。 否則，必須應(yīng)將每個”power”引腳視為單獨的電源引腳。 不消耗電流的編程引腳（Programming Pins）應(yīng)被視為 I/O 引腳（例如：存儲器上的 Vpp 引腳）。 有源分立器件（FET、晶體管等）應(yīng)使用所有可能的引腳對組合（一個引腳連接到Terminal A，另一個引腳連接到Terminal B ）進行測試，而無論其引腳名稱或功能。所有配置（configured）為“no connect”的引腳都應(yīng)被驗證確認是否在任何時候都是“無連接”且處于開路（懸空）狀態(tài)。 標記為“no-connect”的引腳實際上如果是有連接的話，應(yīng)作為非電源（non-supply）引腳進行測試。
如果在每個應(yīng)力水平下都對不同的樣本組進行了ESD 測試，則允許在所有樣本組都經(jīng)過 ESD 測試后執(zhí)行 DC參數(shù)和功能性 ATE 測試。
在施加ESD脈沖后，器件不再能符合器件手冊上的參數(shù)和功能測試規(guī)格要求，則該器件被定義為失效。如果要求進行多溫度條件下的MM測試，應(yīng)首先在最低溫度下進行測試。
四、 器件HBM級別
所有樣本都必須滿足以上測試要求，直至達到特定的電壓等級（Voltage Level），才能將該種器件歸類為如下特定的靜電敏感度分級（sensitivity classification）。
- CLASS A： 任何器件在施加200V或以下ESD脈沖后發(fā)生失效
- CLASS B： 任何器件在施加200V ESD脈沖后通過，但是施加400V ESD脈沖時發(fā)生失效
- CLASS C： 任何器件在施加400V ESD脈沖后全部通過
日本電子工業(yè)協(xié)會（EIAJ）在EIAJ-IC-121 mothod20標準中細分并擴展了JESD22-A115的MM分級。具體如下表：
芯片的第3種基本測試模型（CDM）及其靜電敏感度分級將在后續(xù)文章中介紹。
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