Một con chip qua được bàn thử ESD không có nghĩa là nó còn nguyên vẹn. Thử nghiệm ESD HBM không đo trực tiếp “hỏng hay không hỏng” — nó đo dòng rò của từng chân trước và sau khi phóng điện, rồi so hai con số đó với nhau. Toàn bộ kết luận về ngưỡng chịu đựng của linh kiện nằm ở phép đo dòng rò ấy. Tuy nhiên, nó không nằm ở khẩu súng phóng điện. Bài này đi vào phần mà nhiều phòng thử làm qua loa: mạch tương đương của mô hình cơ thể người, dạng sóng phải kiểm chứng trước khi tin số liệu. Ngoài ra, trình tự bậc ứng suất, và cách đọc chênh lệch dòng rò để chốt ngưỡng hỏng sẽ được đề cập.
Vì sao thử nghiệm ESD HBM bắt đầu và kết thúc ở dòng rò
Hỏng do phóng tĩnh điện hiếm khi làm chip chết hẳn ngay. Cơ chế phổ biến là một đường dẫn rò rỉ mới hình thành xuyên qua lớp oxide cổng hoặc dọc theo tiếp giáp bảo vệ. Theo đó, linh kiện vẫn chạy đúng chức năng logic, vẫn qua test chức năng, nhưng dòng rò tĩnh tăng lên vài chục nano-ampe. Vài tháng sau, đường rò đó lan rộng. Cuối cùng, sản phẩm chết ngoài hiện trường.
Vì vậy tiêu chí đánh giá là một phép đo tham số, không phải một phép thử chức năng. Trong đánh giá so sánh do NASA JPL công bố năm 2020 trên chip điều khiển số CMOS 1,2 µm, tiêu chí hỏng được định nghĩa là sai lệch ±15% giữa dòng đo trước và sau khi phóng điện, trên cùng một đặc tuyến dòng–áp hai đầu cực. Con số ngưỡng cụ thể do nhà sản xuất đặt theo dòng linh kiện. Tuy nhiên, nguyên tắc thì không đổi: bạn cần một phép đo dòng rò đủ ổn định. Nhờ đó, một biến đổi 15% là tín hiệu thật chứ không phải nhiễu của hệ đo.
Mô hình cơ thể người: mạch tương đương và dạng sóng phải kiểm chứng
Mô hình cơ thể người mô phỏng tình huống một người tích điện chạm vào chân linh kiện. Mạch tương đương theo ANSI/ESDA/JEDEC JS-001 rất gọn: một tụ 100 pF được nạp tới điện áp ứng suất, rồi phóng qua điện trở nối tiếp 1500 Ω vào linh kiện cần thử.
Trước khi thử bất kỳ linh kiện nào, máy phải được kiểm chứng dạng sóng ở chế độ ngắn mạch. Bốn tham số phải đạt:
- Dòng đỉnh: 0,667 A trên mỗi kV điện áp nạp, dung sai ±10%. Ở bậc 1 kV, dòng đỉnh danh định là 0,667 A.
- Thời gian lên: 2 đến 10 ns.
- Thời gian suy giảm: 130 đến 170 ns.
- Dao động ký sinh: không quá ±15% dòng đỉnh.
Dải thời gian lên rộng tới năm lần là điểm hay bị bỏ qua. Hai máy cùng đạt chuẩn nhưng một máy cho sườn 3 ns, máy kia 9 ns, sẽ đặt lượng ứng suất khác nhau lên cùng một mạch bảo vệ. Đặc biệt, điều này đúng với các mạch kích hoạt theo tốc độ biến thiên điện áp. Khi số liệu của hai phòng thử lệch nhau mà quy trình giống nhau, đây là chỗ nên soi trước tiên.
Trình tự bậc ứng suất: nơi các tiêu chuẩn tách nhau
JS-001 lấy mẫu ba linh kiện cho mỗi mức điện áp, với các bậc khuyến nghị 50 V, 125 V, 250 V, 500 V, 1 kV, 2 kV, 4 kV và tuỳ chọn 8 kV. Mỗi nhóm ba linh kiện chịu ứng suất tại một mức duy nhất, bằng một xung dương và một xung âm, cách nhau tối thiểu 100 ms. Bên cạnh đó, khoảng cách dài hơn được phép. Hơn nữa, nên dùng khi nghi ngờ linh kiện nhạy với hiệu ứng tích luỹ.
MIL-STD-883 phương pháp 3015.7 làm khác hẳn: bậc tối thiểu 500 V, 1 kV, 2 kV, 4 kV; mỗi linh kiện chịu ba xung dương rồi ba xung âm, cách nhau tối thiểu 1 giây. Sáu xung mỗi tổ hợp chân thay vì hai. Vì vậy, lượng ứng suất tích luỹ lớn hơn nhiều.
Hệ quả rất thực tế. Vẫn trong nghiên cứu của NASA JPL, cùng một lô chip đưa qua bậc 250 V: theo MIL-STD-883 có ba mẫu hỏng, còn theo JS-001 chỉ hai mẫu hỏng ở 250 V và một mẫu trụ tới 500 V. Kết luận của nhóm tác giả rất thẳng: hai tiêu chuẩn không tương đương nhau, và phân loại HBM chỉ có ý nghĩa khi datasheet ghi rõ nó được đo theo tiêu chuẩn nào.
Đo dòng rò trước và sau ứng suất: chỗ quyết định ngưỡng hỏng
Phép đo dòng rò trong thử nghiệm ESD HBM là một phép đo tham số ở mức pico- đến nano-ampe trên nền điện áp vài volt tới vài chục volt. Bốn điều kiện quyết định số liệu có dùng được hay không:
Một, cùng điều kiện tuyệt đối giữa hai lần đo. Trước và sau ứng suất phải cùng điện áp phân cực, cùng thời gian ổn định trước khi lấy số, cùng nhiệt độ. Dòng rò tiếp giáp gần như tăng gấp đôi mỗi khi nhiệt độ tăng chừng 10 °C. Vì thế, một chênh lệch nhiệt độ phòng vài độ giữa buổi sáng và buổi chiều đủ tạo ra “biến đổi 15%” hoàn toàn giả.
Hai, thời gian ổn định phải đủ dài. Điện dung của chân linh kiện cộng với cáp đo tạo hằng số thời gian lớn khi dòng ở mức pico-ampe. Đọc sớm sẽ bắt được dòng nạp điện dung chứ không phải dòng rò. Cách kiểm tra đơn giản: kéo dài thời gian trễ gấp đôi. Nếu số đọc còn đổi thì chưa đủ.
Ba, chống nhiễu và dòng rò của chính đồ gá. Ở mức pico-ampe, dòng rò bề mặt của đế cắm và cáp có thể lớn hơn dòng cần đo. Dùng cáp triax với vòng bảo vệ dẫn tới sát chân linh kiện, giữ đồ gá sạch và khô. Ngoài ra, nên đo dòng rò của đồ gá không có linh kiện làm nền so sánh.
Bốn, đo cả những chân không bị phóng điện. Ứng suất đặt vào một tổ hợp chân vẫn có thể làm hỏng mạch bảo vệ ở chân khác qua đường cấp nguồn nội bộ. Do đó, nếu chỉ đo lại chân vừa bị phóng, một phần hư hỏng sẽ lọt lưới.
Nguyên lý đo dòng nhỏ và cách khử nhiễu nền được trình bày kỹ hơn trong bài 4 ứng dụng đo dòng femtoampere với Keysight B2985C; các bẫy tương tự về tự nung và thời gian ổn định cũng xuất hiện khi đo I-V xung cho linh kiện công suất.
Cây quyết định khi số liệu trước và sau lệch nhau
Khi thấy dòng rò sau ứng suất cao hơn trước, đừng kết luận ngay là linh kiện hỏng. Đi theo thứ tự sau:
- Đo lại chính mẫu đó sau 30 phút. Nếu dòng trở về gần giá trị ban đầu, nhiều khả năng đó là hiệu ứng nạp điện tích bề mặt hoặc chênh nhiệt, không phải hư hỏng.
- Đo mẫu chứng không chịu ứng suất trong cùng phiên, cùng đồ gá. Nếu mẫu chứng cũng trôi, lỗi nằm ở hệ đo.
- Quét đặc tuyến dòng–áp đầy đủ thay vì lấy một điểm. Hư hỏng do ESD thường làm đặc tuyến chuyển từ dạng mũ sang dạng tuyến tính — dấu hiệu của một đường dẫn điện trở thuần song song với tiếp giáp. Dạng đường cong nói nhiều hơn một con số.
- Chỉ khi ba bước trên đều loại trừ được thì mới ghi nhận mức đó là ngưỡng hỏng và dừng ở bậc trước đó.
Chọn thiết bị Keysight cho phép đo dòng rò trước và sau ứng suất
Mặt trước Keysight B1500A với màn hình quét đặc tuyến dòng–áp của linh kiện.
Máy phóng điện HBM là thiết bị chuyên dụng, nhưng phần quyết định chất lượng số liệu — đo dòng rò và quét đặc tuyến — thì nằm ở nguồn-đo.
Với phòng thử làm nhiều tổ hợp chân và cần quét đặc tuyến trên nhiều cực cùng lúc, máy phân tích linh kiện bán dẫn Keysight B1500A là nền tảng hợp lý. Kiến trúc nhiều mô-đun cho phép đặt đồng thời điện áp lên cực cổng, cực máng và cực nền. Nhờ đó, bạn có thể đo dòng ở từng cực. Ngoài ra, cấu hình này phù hợp để tách đường rò mới xuất hiện.
Khi bài toán chỉ cần hai cực và ưu tiên tốc độ triển khai, nguồn-đo SMU Keysight B2902B hai kênh đủ để đo trước, đo sau và quét đặc tuyến trên cùng một đồ gá mà không phải đổi dây. Ngoài ra, với dây chuyền đã chuẩn hoá quanh nền tảng phân tích tham số cổ điển, máy phân tích tham số bán dẫn chính xác Keysight 4156C vẫn giữ nguyên giá trị cho các chương trình đo đã được kiểm định.
Điều cần nhớ khi chọn: hãy so ngưỡng dòng rò mà bạn phải phân giải với dải đo nhỏ nhất của thiết bị, không so với độ phân giải hiển thị. Một thiết bị hiển thị tới femto-ampe nhưng dải đo nhỏ nhất là 100 nA thì không giúp gì cho phép đo ở mức pico-ampe.
Kết luận
Giá trị của thử nghiệm ESD HBM nằm ở độ tin cậy của hai con số dòng rò kẹp hai đầu chuỗi ứng suất. Hãy kiểm chứng dạng sóng ngắn mạch theo bốn tham số của JS-001 trước khi tin máy phóng; giữ điều kiện đo trước và sau giống nhau đến từng độ nhiệt độ; và luôn ghi rõ tiêu chuẩn đã dùng. Bởi vì JS-001 với hai xung mỗi mức và MIL-STD-883 với sáu xung không cho cùng một phân loại trên cùng một lô hàng.
Techmaster Electronics là đại lý uỷ quyền của Keysight tại Việt Nam và vận hành phòng hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025. Nếu bạn cần tư vấn cấu hình nguồn-đo cho chương trình đánh giá độ bền ESD, hoặc cần hiệu chuẩn thiết bị đo dòng nhỏ để số liệu trước và sau ứng suất có chuỗi truy xuất chuẩn, hãy gọi 0908 173 345.
