Mikroelektronische Bauteile und Systeme

Messtechnik für verbesserten ESD-Schutz

| Autor / Redakteur: Horst Gieser * / Hendrik Härter

Höhere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit

ESD-Schutz: TLP-Testsystem zur Hochstromcharakterisierung von Schaltungen im ESD-relevanten Zeit-und Strombereich.
ESD-Schutz: TLP-Testsystem zur Hochstromcharakterisierung von Schaltungen im ESD-relevanten Zeit-und Strombereich. (Bild: Fraunhofer EMFT)

Wir haben daher nach Alternativen gesucht, mit denen wir diese Luftentladungen umgehen können. Mit dem so genannten Capacitive Coupled Transmission Line Pulsing (CC-TLP) haben wir eine Messtechnik entwickelt und patentiert, welche eine CDM ähnliche Belastung mit wesentlich höherer Genauigkeit und Reproduzierbarkeit erlaubt. Das Bauteil wird zunächst kontaktiert und dann erst der Impuls ausgelöst.

Mehrere Untersuchungen an verschiedenen Testschaltungen und Produkt-ICs zeigten eine sehr gute Korrelation mit dem CDM. Und das sowohl in Hinblick auf die Ausfallschwelle als auch auf den physikalischen Fehler. Ein weiterer Vorteil des CC-TLP ist, dass die Wafer direkt getestet werden können, so dass frühzeitig Schwächen im Hinblick auf ESD erkannt werden.

Da es auch wichtig ist, Schutzschaltungen oder Bauelemente auf die zu schützenden Schaltungsteile abzustimmen, muss das Verhalten der einzelnen Bauelemente und Schaltungen im ESD relevanten Hochstrombereich gemessen werden. Hier kommen verschiedene Analysewerkzeuge wie das TLP zum Einsatz, bei denen mit Rechteckimpulsen die Hochstromcharakteristik gemessen werden kann.

Es lässt sich klären, ob ein IC-Anschluss sich selbst schützen kann oder ein zusätzlicher ESD-Schutz benötigt wird. Dabei können sowohl interne als auch externe Schutzstrukturen charakterisiert und sinnvoll aufeinander abgestimmt werden.

Erweitertes Messverfahren mit integrierten Stromsensor

Neben einem ESD-Schutz auf Bauteilebene ist auch im fertigen System Schutz wichtig. Die Anforderungen an Testmethoden auf Systemlevel sind sogar noch um einiges komplexer, da es innerhalb des Systems zu Strömen kommen kann, die im Simulationsmodell nicht berechenbar sind. Auf den ersten Blick gibt es keine Erklärung, warum es in einem System, das Belastungen von mindestens 3000 V aushalten muss, plötzlich schon bei Spannungen von 1000 V zu Defekten bei einem Bauteil kommt.

An einem Standard-Messplatz lassen sich die Ursachen kaum nachvollziehen. Mit einem erweiterten Messverfahren und einem integrierten Stromsensor ließ sich beispielsweise herausfinden, dass es an einem kleinen Luftspalt zwischen der Grundplatte des Messplatzes und einer Metallkappe des Systemgehäuses zu einer so genannten Sekundärentladung kam. Dabei sind bei den vorgenommenen Messungen kurzzeitig extrem hohe Stromstärken um die 600 A geflossen.

Solche oftmals designbedingten Phänomene treten sehr häufig auf und lassen sich nicht kontrollieren. Deshalb ist es umso wichtiger, dass die auftretenden Störeffekte auf Systemebene unbedingt in die Analysen mit einbezogen werden. Daraus lassen sich dann wirksamere Schutzkonzepte entwickeln und damit letztlich robustere Systeme. Im beschriebenen Fall ließen sich vier sensible Leitungen identifizieren, die sich alle im gleichen Bereich des Systems befanden.

Für eine verbesserte ESD-Festigkeit wurden auf den kritischen Pins Widerstände integriert. Interessanterweise ließ sich mit einer herkömmlichen Messung zunächst keine Verbesserung feststellen, wenn nur einzelne Leitungen modifiziert wurden. Als jedoch die Sekundärentladungen in die Analyse mit einbezogen wurden, zeigte sich, dass sich mit jeder modifizierten Leitung die ESD-Festigkeit etwas erhöhte. Dadurch ließen sich systematisch alle Störeinflüsse eliminieren und die Robustheit des Systems wurde erhöht.

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* Dr. Horst Gieser ist Gruppenleiter Analyse und Test an der Fraunhofer EMFT in München.

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