摘 要： 集成電路靜電放電模擬器是微電子元器件可靠性篩選的重要設(shè)備，通過模擬靜電放電對器件的抗靜電能力進(jìn)行篩選。本文在分析靜電放電模擬器工作原理的基礎(chǔ)上，利用高頻電流探頭和高速率采樣示波器實現(xiàn)了對模擬器的校準(zhǔn)。文章還并結(jié)合校準(zhǔn)實例，對測量不確定度進(jìn)行了評定。

　　1 引 言

　　集成電路靜電放電模擬器是利用阻容放電網(wǎng)絡(luò)模擬人體放電， 實現(xiàn)對微電子元器件抗靜電放電能力的分級。 集成電路靜電放電模擬器在國內(nèi)的應(yīng)用非常普遍， 是微電子元器件可靠性篩選必不可少的設(shè)備。國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在集成電路靜電放電模擬器的參數(shù)要求有明確的規(guī)定， 對校準(zhǔn)方法也有簡要說明， 但對于校準(zhǔn)的關(guān)鍵技術(shù)和測量不確定度的評定并沒有公開文獻(xiàn)論述。本文在簡要介紹校準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上， 重點對測量不確定度進(jìn)行了分析評定，為集成電路靜電放電模擬器的校準(zhǔn)和測量不確定度提供參考和借鑒。

　　2 校準(zhǔn)方案

　　在介紹校準(zhǔn)方案前， 先對集成電路靜電放電模擬器的工作原理進(jìn)行簡要說明。圖1 給出了集成電路靜電放電模擬器的測試原理框圖。

圖1 集成電路靜電放電模擬器測試原理圖

　　靜電放電模擬器工作時， 開關(guān)S 首先切換到狀態(tài)1, 整流高壓源首先通過電阻R1 對電容C 充電； 充電電壓達(dá)到設(shè)定電壓值后， 開關(guān)S 切換到2, 電容通過R2 對管座上的被測器件進(jìn)行靜電放電， 完成一個工作過程。

　　根據(jù)GJB548B-2005 的要求， 靜電放電模擬器校準(zhǔn)重點關(guān)注的是短路放電電流波形參數(shù)指標(biāo)， 主要包括： 短路放電電流峰值、短路電流上升時間和延遲時間。各參數(shù)的定義如圖2 所示。

圖2 靜電放電模擬器短路電流波形

　　以集成電路靜電放電模擬器Thermal KeyTek公司生產(chǎn)的7/1 為例， 分別對各參數(shù)的校準(zhǔn)作詳細(xì)的說明。

　　短路放電電流峰值、短路電流上升時間和延遲時間的校準(zhǔn)方法和校準(zhǔn)裝置相同。即利用高頻電流探頭將靜電模擬器的短路電流變換成電壓信號， 再利用示波器進(jìn)行采集， 測量各參數(shù)。校準(zhǔn)裝置如圖3 所示。

圖3 集成電路靜電放電模擬器校準(zhǔn)裝置

　　進(jìn)行集成電路靜電放電模擬器校準(zhǔn)， 需要注意以下幾個問題： 1） 連接放電端子與地端子的短路電流導(dǎo)線應(yīng)盡量短， 以減小外界電磁干擾等對測量結(jié)果的影響； 2） 由于進(jìn)行校準(zhǔn)時， 示波器工作在50Ω輸入阻抗下， 此時示波器的輸入電壓范圍較?。ㄒ话悴怀^15VP-P）， 防止電壓過高損壞示波器； 3） 校準(zhǔn)時， 盡量使采集的波形布滿示波器顯示屏， 以提高測量的定。

　　高頻電流探頭選用Tektronix 公司的CT-1、20 dB衰減器Microcircuits 公司的HAT-20、數(shù)字示波器選用Tektronix 公司的TDS5104。

　　根據(jù)GJB548B-2005, 器件ESD 測試要求在±0.5 kV、±1 kV、±2 kV、±4 kV、±8 kV 下進(jìn)行， 因此對于集成電路靜電放電模擬器的校準(zhǔn)也在這些典型電壓下進(jìn)行。表1 給出了標(biāo)準(zhǔn)對靜電放電模擬器的放電波形參數(shù)要求。

表1 集成電路靜電放電模擬器短路電流參數(shù)要求

　　3 校準(zhǔn)實例

　　下面以+2 kV 為例進(jìn)行校準(zhǔn)方法的說明和測量不確定度的分析。

　　校準(zhǔn)時， 選取放電線路長的一對管座引腳進(jìn)行校準(zhǔn)（在此情況下， 短路電流的波形參數(shù)差）。將兩引腳用單股導(dǎo)線短路， 并將導(dǎo)線穿過電流探頭的感應(yīng)孔， 電流探頭輸出通過20 dB衰減器與示波器連接。示波器輸入阻抗選擇為50 Ω， 利用上升延觸發(fā)方式采集靜電放電模擬器的輸出電流波形。

　　2 kV 放電電壓對應(yīng)的短路峰值電流為1.33 A,經(jīng)電流探頭轉(zhuǎn)換為6.65 V, 再經(jīng)20 dB 衰減， 輸入到示波器的電壓為665 mV。采集波形時， 將示波器的垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)設(shè)置為100 mV/格； 整個波形在200 ns以內(nèi)， 因此將示波器的水平時基設(shè)置為20 ns。校準(zhǔn)得到的波形如圖4 所示。

圖4 校準(zhǔn)波形圖

　　根據(jù)采集的波形， 進(jìn)行波形參數(shù)的校準(zhǔn)： 峰值電壓（轉(zhuǎn)換為峰值電流）、上升時間（峰值電流的10%到90%對應(yīng)的時間間隔）、延遲時間（電流峰值降到峰值36.8%所對應(yīng)的時間間隔）。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 +2kV 下的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

　　4 測量不確定度分析

　　進(jìn)行測量不確定度評定前， 先建立校準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型。短路電流與示波器電壓測量的數(shù)學(xué)關(guān)系是：

　　式中： V 為示波器測量電壓值； I 為短路電流值； kCT 為電流探頭的靈敏系數(shù)， 5 mV/mA; kA 為衰減器的衰減比例， 20 dB（0.1）。

　　4.1 峰值電流測量不確定度分析

　　峰值電流測量的測量不確定度來源于： 1） 重復(fù)測量引起的測量不確定度分量μA; 2） 電流探頭靈敏系數(shù)不準(zhǔn)引起的測量不確定度分量μB1; 3） 20 dB 衰減器衰減比例不準(zhǔn)引起的測量不確定度分量μB2; 4） 示波器電壓測量不準(zhǔn)引起的測量不確定度分量μB3。

　　4.1.1 重復(fù)測量引起的測量不確定度分量uA

　　利用圖3 所示的較準(zhǔn)裝置， 對峰值電流重復(fù)測量10 次， 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表3 所示。

表3 峰值電流測量重復(fù)性數(shù)據(jù)

　　代入貝葉斯公式， 計算測量的試驗標(biāo)準(zhǔn)差：

　　測量重復(fù)性引入的測量不確定度分量：

　　4.1.2 電流探頭靈敏系數(shù)不準(zhǔn)引起的測量不確定度分量

　　根據(jù)電流探頭CT-1 的技術(shù)手冊， 電流探頭的靈敏度誤差為±3%。其概率分布為均勻分布， 因此有：

　　電流探頭靈敏度系數(shù)不準(zhǔn)對電流測量不確定度的靈敏度系數(shù)為：

　　模擬器充電電壓2 kV 時， 對應(yīng)的示波器電壓測量值為665 mV, 此時：

　　因此， 由電流探頭靈敏度系數(shù)不準(zhǔn)引起的電流測量不確定度為：

　　4.1.3 由衰減器衰減比例不準(zhǔn)引起的測量不確定度分量uB2

　　根據(jù)20 dB 衰減器HAT-20 的技術(shù)手冊， 衰減的全頻段衰減誤差為±0.40 dB。假定其概率分布為均勻分布， 因此有：

　　20 dB 衰減器衰減比例不準(zhǔn)對電流測量不確定度的靈敏度系數(shù)為：

　　模擬器充電電壓2 kV 時， 對應(yīng)的示波器電壓測量值為665 mV, 此時5.32 A ckA = 。因此， 由電流探頭靈敏度系數(shù)不準(zhǔn)引起的電流測量不確定度為：

　　4.1.4 由示波器電壓測量不準(zhǔn)引起的測量不確定度分量μB3

　　根據(jù)數(shù)字示波器TDS5104 技術(shù)手冊， 示波器在50 Ω 輸入阻抗下的電壓測量允許誤差為±（1%×fullscale+|3%×ofset|）。進(jìn)行2 kV 放電電流校準(zhǔn)時， 垂直滿量程為800 mV, 垂直偏轉(zhuǎn)為-400 mV, 因此測量誤差為20 mV。假定其概率分布為均勻分布， 因此有：

　　示波器電壓測量不準(zhǔn)對電流測量不確定度的靈敏度系數(shù)為：

　　由示波器電壓測量不準(zhǔn)引起的電流測量不確定度分量為：

　　4.1.5 不確定度分量合成

　　由于以上各分量相互獨立， 因此合成測量不確定度為：

　　4.1.6 擴展測量不確定度

　　取置信概率95%, 包含因子k=2, 放電短路電流的擴展測量不確定度為：U=k×μC=0.08 A, 相對擴展測量不確定度為6%（k=2）。

　　4.2 短路電流上升時間測量不確定度分析

　　短路電流上升時間校準(zhǔn)的測量不確定度來源主要有： 1） 測量重復(fù)性引起的測量不確定度uA; 2） 電流探頭上升時間引起的測量不確定度分量uB1; 3） 衰減器上升時間引起的測量不確定度分量uB2; 4） 示波器時間間隔測量不準(zhǔn)引起的測量不確定度分量uB1; 5） 示波器電壓測量不準(zhǔn)引起的上升時間測量不確定度分量uB4。

　　4.2.1 測量重復(fù)性引入的不確定度分量uA

　　利用圖3 所示的校準(zhǔn)裝置， 對短路電流上升時間重復(fù)測量10 次， 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)如表4 所示。

表4 上升時間測量重復(fù)性數(shù)據(jù)

　　代入貝葉斯公式， 計算本次測量試驗標(biāo)準(zhǔn)差：

　　測量重復(fù)性引入的測量不確定度分量：

　　4.2.2 電流探頭上升時間引起的測量不確定度分量uB1

　　根據(jù)電流探頭CT-1 的技術(shù)指標(biāo)， 電流探頭上升時間為350 ps, 小于短路電流上升時間下限的1/5,因此電流探頭上升時間對短路電流上升時間的測量不確定度分量可以忽略不計， 有：uB1=0 ns。

　　4.2.3 20 dB 衰減器上升時間引起的測量不確定度分量uB2

　　根據(jù)衰減器HAT-20 的技術(shù)指標(biāo)， 衰減器上升時間為350 ps, 小于短路電流上升時間下限的1/10, 因此衰減器上升時間對短路電流上升時間的測量不確定度分量可以忽略不計， 有：uB2=0 ns。

　　4.2.4 示波器時間間隔測量不準(zhǔn)引起的測量不確定度分量uB3

　　根據(jù)數(shù)字示波器TDS5104 的技術(shù)指標(biāo)， 示波器測量時間間隔的準(zhǔn)確度為：

　　采樣間隔為40 ps 下， 示波器時間間隔測量允許誤差為： 13 ps。假設(shè)服從均勻分布， 則示波器時間間隔測量不準(zhǔn)引起的測量不確定度分量為：

　　4.2.5 示波器電壓測量不準(zhǔn)引起的測量不確定度分量uB4

　　示波器電壓測量不準(zhǔn)必然會影響到上升時間測量的電壓閾值判定（峰值10%和90%）?？梢约俣ǘ搪冯娏鞯纳仙有甭蕿槌?shù)， 則斜率為：

　　由3.1.4 的分析可知， 示波器測量電壓的允許誤差為0.012 V, 因此示波器電壓測量不準(zhǔn)引起的上升時間測量不確定度分量為：

　　4.2.6 不確定度分量合成

　　由于以上各分量相互獨立， 因此合成測量不確定度為：

　　4.2.7 擴展測量不確定度

　　取置信概率95%, 包含因子k=2, 短路電流上升時間的擴展測量不確定度為：

　　U=k×μC=0.54 ns, 相對擴展測量不確定度為8.1%（k=2）。

　　4.3 短路電流衰減時間測量不確定度分析

　　衰減時間測量不確定度評定的影響因素和評定方法與上升時間類似， 這里不再贅述。

　　短路電流衰減時間的相對擴展不確定度為5%（k=2）。

　　4.4 短路電流衰減時間測量不確定度分析

　　整個校準(zhǔn)系統(tǒng)的測量不確定度如表5 所示， 指標(biāo)滿足集成電路靜電放電模擬器量值溯源的要求。

表5 IC 靜電放電模擬器校準(zhǔn)的測量不確定度

　　5 結(jié) 論

　　本文在分析集成電路靜電放電模擬器相關(guān)要求的基礎(chǔ)上， 給出了模擬器的校準(zhǔn)原理、方法以及校準(zhǔn)需要注意的事項。給出了校準(zhǔn)實例， 并對測量不確定給出了詳細(xì)的評定方法。解決了集成電路靜電模擬器的校準(zhǔn)和量值溯源問題， 對于保證集成電路靜電放電試驗的有效性和可靠性具有十分重要的意義。