王 瑜，盧禮兵，姜汝棟

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

隨著超大規(guī)模集成電路工藝的高速發(fā)展，特征尺寸已經(jīng)達(dá)到深亞微米階段，大大提高了集成電路的性能及運(yùn)算速度，同時(shí)降低了單個(gè)芯片的制造成本。但隨著器件尺寸的減小，對(duì)可靠性的要求也越來越高。而靜電放電（Electrostatic Discharge）對(duì)器件可靠性的危害變得越來越顯著。

為了減少靜電放電對(duì)集成電路的損壞，目前主要有兩種方法：（1）提高電路本身對(duì)ESD的保護(hù)能力，也就是ESD保護(hù)器件及電路的設(shè)計(jì)。（2）加強(qiáng)制造、封裝、測(cè)試、組裝及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)境的靜電放電防護(hù)，減少靜電來源。在靜電放電試驗(yàn)的前后，需要對(duì)樣品進(jìn)行接觸測(cè)試，以保證樣品和設(shè)備接觸良好，保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。本文從I/V特性掃描的目的、特性、程序、掃描過程中遇到的問題及I/V特性掃描的應(yīng)用幾個(gè)方面闡述了I/V特性掃描方法和I/V特性掃描方法對(duì)電路的影響。

2 I/V特性掃描的目的

靜電放電試驗(yàn)前后，會(huì)對(duì)電路進(jìn)行接觸掃描，即I/V特性掃描，掃描的目的主要有兩方面：

試驗(yàn)前，I/V特性掃描是為了檢測(cè)電路和設(shè)備是否接觸良好，I/V特性是否正常，如無(wú)異常，試驗(yàn)順利進(jìn)行；如有異常，聯(lián)系委托方，和委托方的技術(shù)人員進(jìn)行溝通，確保電路在試驗(yàn)前均正常。

試驗(yàn)后，I/V特性掃描是為了檢測(cè)電路在試驗(yàn)后是否與試驗(yàn)前有不同，判別試驗(yàn)結(jié)果。靜電放電試驗(yàn)分三類：摸底、考核和分析。摸底試驗(yàn)在靜電試驗(yàn)前后都需進(jìn)行I/V特性掃描，以掃描結(jié)果來判斷電路好壞；考核試驗(yàn)僅在試驗(yàn)前進(jìn)行I/V特性掃描，僅僅檢測(cè)接觸是否良好，對(duì)結(jié)果不予判斷；分析試驗(yàn)在靜電試驗(yàn)前后也需進(jìn)行I/V特性掃描，以掃描結(jié)果來判斷電路好壞。

3 I/V特性掃描的波形

靜電放電試驗(yàn)前，I/V特性掃描的特性大概有3種：二極管特性（正向、反向和雙向）、電阻特性、開路特性（參見圖1～圖5）。

圖1 靜電放電試驗(yàn)前的二極管（正向）特性

圖2 靜電放電試驗(yàn)前的二極管（反向）特性

圖3 靜電放電試驗(yàn)前的二極管（雙向）特性

靜電放電試驗(yàn)后，若I/V特性掃描未發(fā)生變化，則靜電放電試驗(yàn)通過；反之，則靜電放電試驗(yàn)失效。靜電放電試驗(yàn)后，I/V特性可能發(fā)生的變化有：漂移、短路和開路；另外，試驗(yàn)前I/V特性為開路特性，試驗(yàn)后可能發(fā)生短路特性，具體圖形如圖6～圖8。

圖4 靜電放電試驗(yàn)前的電阻特性

圖5 靜電放電試驗(yàn)前的開路特性

4 I/V特性掃描的程序

在靜電放電試驗(yàn)開始前，要先對(duì)電路進(jìn)行接觸測(cè)試，檢測(cè)電路是否和設(shè)備接觸良好。接觸測(cè)試程序如下：

（1）把電路安裝在夾具上，把夾具安裝在設(shè)備上。（2）打開靜電放電測(cè)試程序進(jìn)行編程，設(shè)置電路掃描信息。首先要對(duì)電路進(jìn)行編程，把電路的具體信息列出來，通常分4類：電源、地、I/O引腳和空腳。其次，對(duì)引腳掃描范圍進(jìn)行編程：電壓范圍（±3 V）、限流范圍（10 μA）、掃描判別范圍（30%），這3個(gè)范圍可根據(jù)不同的電路進(jìn)行調(diào)整。再次，對(duì)電壓、地和I/O引腳分別進(jìn)行接地設(shè)置，空腳懸空，不進(jìn)行試驗(yàn)。（3）打開掃描程序，選擇掃描項(xiàng)。（4）打開設(shè)備電源，進(jìn)行I/V特性掃描。

5 I/V特性掃描過程中的問題

常規(guī)I/V特性掃描設(shè)置的范圍為：電壓范圍：-3～+3 V；限流范圍：10 μA；掃描范圍：30%。常規(guī)I/V特性掃描范圍能滿足絕大部分電路的需求，但是往往在掃描過程中需要不斷調(diào)節(jié)掃描范圍，以達(dá)到最佳效果。當(dāng)試驗(yàn)前電路的掃描特性呈現(xiàn)為短路特性時(shí)，一般有兩種情況：第一，該特性為電阻特性，加大限流范圍后，呈現(xiàn)為電阻特性，這種特性不論限流加大到多少，始終保持電阻特性；第二，該特性為二極管特性，由于限流范圍太小，無(wú)法顯示出特性，只要加大限流范圍，即可呈現(xiàn)二極管特性。當(dāng)電路的掃描波形呈現(xiàn)為開路特性時(shí)，有三種情況：第一，該電路和設(shè)備接觸不好，重新安裝電路直至可掃描出特性；第二，該電路的開啟電壓不夠，無(wú)法顯示出特性，需要加大電壓范圍，同時(shí)要降低限流范圍，保護(hù)電路不被燒壞，直至出現(xiàn)特性曲線為止；第三，按以上兩種情況進(jìn)行特性掃描，假如始終掃描不出特性曲線，首先要檢查設(shè)備，排除設(shè)備問題導(dǎo)致的接觸不良，其次需要和客戶溝通，確認(rèn)該電路究竟本身是開路特性，還是由于電路的開啟電壓偏大，掃描范圍無(wú)法滿足客戶要求造成的開路特性。

圖6 靜電放電試驗(yàn)后正常的漂移特性

圖7 靜電放電試驗(yàn)后正常的短路特性

圖8 靜電放電試驗(yàn)后正常的開路特性

靜電放電試驗(yàn)后電路失效的特征有3種：電路的I/V特性曲線發(fā)生變化，輸入輸出端漏電流增大，功能失效。除了I/V特性曲線發(fā)生變化是可以通過靜電放電測(cè)試儀觀察到，另外兩種特征都要通過測(cè)試設(shè)備對(duì)電路的功能和電性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試才能知道結(jié)果。但I(xiàn)/V特性曲線發(fā)生變化，并不表示電路就失效，只能初步判斷電路的ESD失效，最終還是要通過測(cè)試設(shè)備對(duì)電路進(jìn)行測(cè)試才能判斷電路失效與否。實(shí)際工作中常遇到以下兩種情況：I/V特性曲線發(fā)生變化而參數(shù)和功能測(cè)試正常；參數(shù)或功能失效而I/V特性曲線未發(fā)生變化。所以，通常在摸底試驗(yàn)中通過I/V特性曲線對(duì)結(jié)果進(jìn)行判斷，但對(duì)于考核試驗(yàn)，只對(duì)電路進(jìn)行試驗(yàn)而不對(duì)其進(jìn)行判斷，試驗(yàn)結(jié)果通過測(cè)試進(jìn)行判斷。

圖9 試驗(yàn)前I/V特性為開路特性，試驗(yàn)后發(fā)生短路的特性

I/V特性掃描會(huì)不會(huì)對(duì)電路造成影響，這是個(gè)一直在研究的問題。先對(duì)電路進(jìn)行I/V特性掃描，再進(jìn)行常溫電特性測(cè)試，看電路的參數(shù)和功能是否發(fā)生變化。對(duì)20批次的電路進(jìn)行I/V特性掃描，然后進(jìn)行常溫參數(shù)和功能測(cè)試，結(jié)果20例中有2例測(cè)試超標(biāo)，其余18例測(cè)試正常，失效率為0.5%。當(dāng)然，這個(gè)結(jié)果并不能代表I/V特性掃描對(duì)所有電路的影響。不同的電壓范圍和限流范圍可能會(huì)有不同的結(jié)果，這將是今后研究的目標(biāo)。

6 I/V特性掃描的應(yīng)用

現(xiàn)有的ESD測(cè)試系統(tǒng)可以在試驗(yàn)前后和過程中隨時(shí)進(jìn)行任意端口的I/V特性掃描，雖然根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，ESDS等級(jí)評(píng)價(jià)必須以常規(guī)功能和參數(shù)測(cè)試為依據(jù)，但對(duì)許多電子器件如CMOS IC，引腳端口之間的I/V特性的變化情況也能反映器件對(duì)ESD損傷的抵抗能力。當(dāng)I/V特性掃描可以在試驗(yàn)前后和過程中隨時(shí)進(jìn)行時(shí)，對(duì)分析器件的靜電敏感通道、敏感脈沖極性等非常方便和有利。

實(shí)時(shí)I/V特性掃描的適用情況有以下幾種：

（1）器件規(guī)模大、管腳數(shù)多以及常規(guī)功能參數(shù)測(cè)試復(fù)雜困難時(shí)，利用I/V特性掃描可以較快地測(cè)出器件的特性，尤其是對(duì)于失效器件的失效引腳，非常容易定位。

（2）僅需要對(duì)器件的抗ESD水平有一個(gè)定性的了解。由于標(biāo)準(zhǔn)的等級(jí)評(píng)價(jià)必須進(jìn)行常規(guī)功能參數(shù)測(cè)試， 因此I/V掃描結(jié)果只能作為補(bǔ)充和參考。

（3）特別適用于不同廠家生產(chǎn)的或同一廠家不同批次可相互替代的器件的抗ESD能力的比較。

（4）I/V特性掃描還是失效分析的有效手段。雖然I/V特性掃描是直流特性測(cè)試，但對(duì)失效模式和失效管腳的確定非常有效。由于I/V特性掃描不是常規(guī)功能測(cè)試，用I/V特性掃描進(jìn)行抗ESD水平評(píng)價(jià)的結(jié)果與采用標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果之間存在一定的可比性。不過在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，也確實(shí)存在I/V特性變化明顯而功能測(cè)試正常，或是功能失效而I/V特性沒有變化的情況。在對(duì)任意管腳之間用I/V特性掃描進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，必須具有一定的經(jīng)驗(yàn)積累。如果判別準(zhǔn)確，不僅可以對(duì)器件的好壞進(jìn)行判別、評(píng)價(jià)， 還能幫助委托方分析、鑒別ESD敏感管腳并進(jìn)行失效定位，是非常有用的失效分析技術(shù)手段。

7 結(jié)束語(yǔ)

靜電放電測(cè)試已經(jīng)成為對(duì)器件可靠性評(píng)估的一個(gè)重要項(xiàng)目。I/V特性掃描是靜電放電敏感度測(cè)試的重要判別依據(jù)，是失效定位非常有效的技術(shù)手段。本文對(duì)I/V特性掃描進(jìn)行了比較詳細(xì)的闡述。通過I/V特性掃描，可以初步了解電路的狀況，可以反映器件對(duì)ESD損傷的抵抗能力，也可以對(duì)器件的敏感管腳進(jìn)行失效定位，是非常有用的技術(shù)手段。

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[2]來萍，鐘征宇，祁賢軍.電子元器件靜電放電敏感度（ESDS）檢測(cè)[J].電子質(zhì)量，2003.