《系统与芯片ESD防护的协同设计》 —2.2　HMM测试

2.2　HMM测试

　　片上系统级IC防护设计的一个重要进展是元器件和晶圆级测试方法的实现。这些方法仿真系统级ESD放电脉冲波形，有一些允差，这在初始设计阶段是可以接受的。特别是对IEC 61000-4-2标准要求的理解导致了使用同一应力波形的元器件级测试方法的发展。

　　系统级ESD测试标准没有直接指导如何将系统级ESD应力应用于IC元器件级。然而，有迫切的需要用系统级等效应力表征元器件和片上ESD的钳位。因此，提出了一种新的测量方法——人体金属模型（HMM）法。系统级IEC和ISO标准的接触放电定义了系统端口的测试，而HMM方法主要针对的是IC引脚鲁棒性的评估。它也成功地应用于评估芯片上独立的ESD解决方案。

　　该方法是在这样的假设下，即，如果HMM脉冲波形重复系统级的波形，则可以预期确定级别的通过水平。一些研究证明，在很多情况下标准的系统级放电枪测试与HMM应力之间存在关联[51]。尽管也有一些不存在关联性的报告，但如今HMM代表了片上系统级设计最有用的方法。这引发了由各家供应商提供的许多工业HMM实验室工具的发布[28-29]。设置和相关问题的详细内容会在下面的章节中描述。

　　在HMM实践中，互补的视角与系统级应力在整个PCB上的传播有关。这在IC引脚上可能引起电流过应力，这些引脚直接与应力下的系统端口相接。有理由推断，仅通过标准的元器件级应力（HBM、MM、CDM），并不能自动保证可承受住系统级应力测试的能力。相反，这样的能力应该通过专门的片上设计来增加，第3和4章将对此进行讨论。

　　HMM测试仪采用与IEC 61000-4-2标准波形类似的应力波形。在HMM测试和标准元器件级测试之间的物理理解中，唯一的平行关系可以粗略地由HMM电流脉冲波形的物理表示来勾勒，后者作为元器件级CDM脉冲的叠加，代表第一个峰值、HBM脉冲和第二个峰值，都按比例缩放。虽然可做某些尝试，找到HMM脉冲和双组分脉冲之间的关联因子，但这一方法不太可能成为HMM的替代。这主要是由于单个引脚CDM应力的电流路径与HMM应力的电流路径一般并不相同。此外，HBM事件的持续时间比，比如HMM事件第二峰电流的持续时间大得多。

2.2.1　具有ESD枪的HMM装置

　　HMM标准实践文献[30]描写了三种不同的测量装置，可将应力波形施加到元器件上。这些装置使用了放电枪和50 Ω脉冲发生器。基于放电枪的装置将与IEC 61000-4-2兼容的ESD枪作为应力源。封装的DUT放置在PCB上，PCB安装在一个较大的地平面上，使得PCB的地平面和测试装置的地平面形成了一个连续的地平面（图2.18a）。当对DUT施加应力时，ESD枪的地线与测量装置的地平面连接。装置的一种变化是使用垂直地平面（图2.18b），使测量设备能够屏蔽ESD枪放电期间发出的电磁场。

图2.18　a）基于ESD枪和水平耦合板的HMM测试装置　b）基于ESD枪和垂直耦合板的测试装置[30]

　　这两种装置都允许在DUT通电时施加HMM应力。在这种情况下，DUT的电源引脚应该配备一个接地旁路电容，以解耦电源线。

　　几个不同ESD枪模型之间没有关联的案例已见报道[31-33]。大多数没有关联的常见原因与标准中定义的波形参数的相当灵活的容差范围有关。例如，IEC 61000-4-2定义的应力电流幅值和上升时间，在30 ns和60 ns后的允许误差可大到30%。再加上初始电流峰值上升时间有25%的可接受范围，有理由认为在相同条件下，不同模型的ESD枪脉冲可能会影响合格水平[33-34]。另外，放电点周围的电磁场强烈依赖于ESD枪放电尖端的形状。因此，基于放电枪的HMM测量装置部分包含了一些与ESD枪的灵活性相关的限制，但与IEC 61000-4-2兼容。