I/V特性扫描在静电放电试验中的应用

王 瑜，卢礼兵，姜汝栋

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

随着超大规模集成电路工艺的高速发展，特征尺寸已经达到深亚微米阶段，大大提高了集成电路的性能及运算速度，同时降低了单个芯片的制造成本。但随着器件尺寸的减小，对可靠性的要求也越来越高。而静电放电（Electrostatic Discharge）对器件可靠性的危害变得越来越显著。

为了减少静电放电对集成电路的损坏，目前主要有两种方法：（1）提高电路本身对ESD的保护能力，也就是ESD保护器件及电路的设计。（2）加强制造、封装、测试、组装及运输等环境的静电放电防护，减少静电来源。在静电放电试验的前后，需要对样品进行接触测试，以保证样品和设备接触良好，保证试验顺利进行。本文从I/V特性扫描的目的、特性、程序、扫描过程中遇到的问题及I/V特性扫描的应用几个方面阐述了I/V特性扫描方法和I/V特性扫描方法对电路的影响。

2 I/V特性扫描的目的

静电放电试验前后，会对电路进行接触扫描，即I/V特性扫描，扫描的目的主要有两方面：

试验前，I/V特性扫描是为了检测电路和设备是否接触良好，I/V特性是否正常，如无异常，试验顺利进行；如有异常，联系委托方，和委托方的技术人员进行沟通，确保电路在试验前均正常。

试验后，I/V特性扫描是为了检测电路在试验后是否与试验前有不同，判别试验结果。静电放电试验分三类：摸底、考核和分析。摸底试验在静电试验前后都需进行I/V特性扫描，以扫描结果来判断电路好坏；考核试验仅在试验前进行I/V特性扫描，仅仅检测接触是否良好，对结果不予判断；分析试验在静电试验前后也需进行I/V特性扫描，以扫描结果来判断电路好坏。

3 I/V特性扫描的波形

静电放电试验前，I/V特性扫描的特性大概有3种：二极管特性（正向、反向和双向）、电阻特性、开路特性（参见图1～图5）。

图1 静电放电试验前的二极管（正向）特性

图2 静电放电试验前的二极管（反向）特性

图3 静电放电试验前的二极管（双向）特性

静电放电试验后，若I/V特性扫描未发生变化，则静电放电试验通过；反之，则静电放电试验失效。静电放电试验后，I/V特性可能发生的变化有：漂移、短路和开路；另外，试验前I/V特性为开路特性，试验后可能发生短路特性，具体图形如图6～图8。

图4 静电放电试验前的电阻特性

图5 静电放电试验前的开路特性

4 I/V特性扫描的程序

在静电放电试验开始前，要先对电路进行接触测试，检测电路是否和设备接触良好。接触测试程序如下：

（1）把电路安装在夹具上，把夹具安装在设备上。（2）打开静电放电测试程序进行编程，设置电路扫描信息。首先要对电路进行编程，把电路的具体信息列出来，通常分4类：电源、地、I/O引脚和空脚。其次，对引脚扫描范围进行编程：电压范围（±3 V）、限流范围（10 μA）、扫描判别范围（30%），这3个范围可根据不同的电路进行调整。再次，对电压、地和I/O引脚分别进行接地设置，空脚悬空，不进行试验。（3）打开扫描程序，选择扫描项。（4）打开设备电源，进行I/V特性扫描。

5 I/V特性扫描过程中的问题

常规I/V特性扫描设置的范围为：电压范围：-3～+3 V；限流范围：10 μA；扫描范围：30%。常规I/V特性扫描范围能满足绝大部分电路的需求，但是往往在扫描过程中需要不断调节扫描范围，以达到最佳效果。当试验前电路的扫描特性呈现为短路特性时，一般有两种情况：第一，该特性为电阻特性，加大限流范围后，呈现为电阻特性，这种特性不论限流加大到多少，始终保持电阻特性；第二，该特性为二极管特性，由于限流范围太小，无法显示出特性，只要加大限流范围，即可呈现二极管特性。当电路的扫描波形呈现为开路特性时，有三种情况：第一，该电路和设备接触不好，重新安装电路直至可扫描出特性；第二，该电路的开启电压不够，无法显示出特性，需要加大电压范围，同时要降低限流范围，保护电路不被烧坏，直至出现特性曲线为止；第三，按以上两种情况进行特性扫描，假如始终扫描不出特性曲线，首先要检查设备，排除设备问题导致的接触不良，其次需要和客户沟通，确认该电路究竟本身是开路特性，还是由于电路的开启电压偏大，扫描范围无法满足客户要求造成的开路特性。

图6 静电放电试验后正常的漂移特性

图7 静电放电试验后正常的短路特性

图8 静电放电试验后正常的开路特性

静电放电试验后电路失效的特征有3种：电路的I/V特性曲线发生变化，输入输出端漏电流增大，功能失效。除了I/V特性曲线发生变化是可以通过静电放电测试仪观察到，另外两种特征都要通过测试设备对电路的功能和电性能参数进行测试才能知道结果。但I/V特性曲线发生变化，并不表示电路就失效，只能初步判断电路的ESD失效，最终还是要通过测试设备对电路进行测试才能判断电路失效与否。实际工作中常遇到以下两种情况：I/V特性曲线发生变化而参数和功能测试正常；参数或功能失效而I/V特性曲线未发生变化。所以，通常在摸底试验中通过I/V特性曲线对结果进行判断，但对于考核试验，只对电路进行试验而不对其进行判断，试验结果通过测试进行判断。

图9 试验前I/V特性为开路特性，试验后发生短路的特性

I/V特性扫描会不会对电路造成影响，这是个一直在研究的问题。先对电路进行I/V特性扫描，再进行常温电特性测试，看电路的参数和功能是否发生变化。对20批次的电路进行I/V特性扫描，然后进行常温参数和功能测试，结果20例中有2例测试超标，其余18例测试正常，失效率为0.5%。当然，这个结果并不能代表I/V特性扫描对所有电路的影响。不同的电压范围和限流范围可能会有不同的结果，这将是今后研究的目标。

6 I/V特性扫描的应用

现有的ESD测试系统可以在试验前后和过程中随时进行任意端口的I/V特性扫描，虽然根据标准，ESDS等级评价必须以常规功能和参数测试为依据，但对许多电子器件如CMOS IC，引脚端口之间的I/V特性的变化情况也能反映器件对ESD损伤的抵抗能力。当I/V特性扫描可以在试验前后和过程中随时进行时，对分析器件的静电敏感通道、敏感脉冲极性等非常方便和有利。

实时I/V特性扫描的适用情况有以下几种：

（1）器件规模大、管脚数多以及常规功能参数测试复杂困难时，利用I/V特性扫描可以较快地测出器件的特性，尤其是对于失效器件的失效引脚，非常容易定位。

（2）仅需要对器件的抗ESD水平有一个定性的了解。由于标准的等级评价必须进行常规功能参数测试， 因此I/V扫描结果只能作为补充和参考。

（3）特别适用于不同厂家生产的或同一厂家不同批次可相互替代的器件的抗ESD能力的比较。

（4）I/V特性扫描还是失效分析的有效手段。虽然I/V特性扫描是直流特性测试，但对失效模式和失效管脚的确定非常有效。由于I/V特性扫描不是常规功能测试，用I/V特性扫描进行抗ESD水平评价的结果与采用标准测试方法进行测试的结果之间存在一定的可比性。不过在实际检测时，也确实存在I/V特性变化明显而功能测试正常，或是功能失效而I/V特性没有变化的情况。在对任意管脚之间用I/V特性扫描进行对比测试，必须具有一定的经验积累。如果判别准确，不仅可以对器件的好坏进行判别、评价， 还能帮助委托方分析、鉴别ESD敏感管脚并进行失效定位，是非常有用的失效分析技术手段。

7 结束语

静电放电测试已经成为对器件可靠性评估的一个重要项目。I/V特性扫描是静电放电敏感度测试的重要判别依据，是失效定位非常有效的技术手段。本文对I/V特性扫描进行了比较详细的阐述。通过I/V特性扫描，可以初步了解电路的状况，可以反映器件对ESD损伤的抵抗能力，也可以对器件的敏感管脚进行失效定位，是非常有用的技术手段。

[1]徐骏华，向宏莉，令文生.CMOS集成电路的ESD模型和测试方法探讨[J].现代电子技术，2004.

[2]来萍，钟征宇，祁贤军.电子元器件静电放电敏感度（ESDS）检测[J].电子质量，2003.