Neue Ansätze für CDM-TestsAlternative Ansätze für die CDM-ESD-Bewertung gewinnen an Bedeutung, unter anderem bietet kapazitiv gekoppeltes TLP (CCTLP) zahlreiche Vorteile gegenüber dem standardisierten feldinduzierten CDM-Aufbau. Die Prüfgenauigkeit hängt von der Übertragung von Ladespannungspegeln auf Spitzenstrompegel ab. Die effektive Kapazität (Ceff) dient als Indikator für die Schwere der Belastung, und FEM-Simulationen können genaue Ceff-Werte liefern. Unter Berücksichtigung der Auswirkungen der Geräteabmessungen wird jedoch das Volumen als bevorzugter Parameter zur Schätzung des Spannungsstromniveaus eingeführt. Durch die Nutzung der Beziehung zwischen Volumen und Strom, die mithilfe von Metallmünzenmodulen ermittelt wurde, können vernünftige Schätzungen erhalten werden. Diese Ansätze erleichtern den Einsatz alternativer CDM-Testmethoden und bieten eine praktische Lösung für die CDM-Zielübersetzung.
New Approaches for CDM Testing
It is now well known that testing for CDM Electrostatic Discharge [ESD]
Sudden flow of electricity between two electrically charged objects caused by contact, an electrical short, or dielectric breakdown.
" href="https://incompliancemag.com/terms/electrostatic-discharge/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">ESD evaluation is becoming a bigger challenge. Previously (In Compliance Magazine, March 2021), capacitively coupled TLP (CCTLP) was described as an alternate approach. It offers many advantages compared to the standardized field-induced CDM setup according to the JS002 standard [1]. Testing of a package, bare die, or wafer is enabled with high reproducibility. The failure correlation between CDM and CCTLP has been investigated based on peak current stress levels and not by a charging voltage level [2]. If testing with an alternative CDM method as CCTLP is done to reproduce JS002, the CDM charging voltage must be transferred into peak current levels.
Neue Ansätze für CDM-TestsEs ist mittlerweile allgemein bekannt, dass Tests für die CDM-ESD-Bewertung zu einer größeren Herausforderung werden. Zuvor (im Compliance Magazine, März 2021) wurde kapazitiv gekoppeltes TLP (CCTLP) als alternativer Ansatz beschrieben. Es bietet viele Vorteile gegenüber dem standardisierten feldinduzierten CDM-Aufbau nach dem JS002-Standard [1]. Das Testen eines Gehäuses, eines Bare-Chips oder eines Wafers wird mit hoher Reproduzierbarkeit ermöglicht. Die Fehlerkorrelation zwischen CDM und CCTLP wurde anhand von Spitzenstrombelastungsniveaus und nicht anhand eines Ladespannungsniveaus untersucht [2]. Wenn Tests mit einer alternativen CDM-Methode wie CCTLP durchgeführt werden, um JS002 zu reproduzieren, muss die CDM-Ladespannung in Spitzenstromwerte umgewandelt werden.
Device and Tester Capacitance
The ability of a a component or circuit to store an electric charge.
A measure for the severity of the CDM stress is the effective Capacitance
The ability of a a component or circuit to store an electric charge.
" href="https://incompliancemag.com/terms/capacitance/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">capacitance Ceff of a device [3]. Ceff characterizes the amount of exchanged charge between DUT and test setup at a specific stress level (e.g., VCDM) in a specific testing environment.
Geräte- und Testerkapazität Ein Maß für die Schwere der CDM-Belastung ist die effektive Kapazität Ceff eines Geräts [3]. Ceff charakterisiert die Menge der ausgetauschten Ladung zwischen DUT und Testaufbau bei einem bestimmten Stressniveau (z. B. VCDM) in einer bestimmten Testumgebung.
Products can be categorized with respect to Ceff in an FICDM setup because of the direct relation to the peak current for a given test voltage, as described in [4].
Produkte können im Hinblick auf Ceff in einem FICDM-Aufbau aufgrund der direkten Beziehung zum Spitzenstrom für eine bestimmte Prüfspannung kategorisiert werden, wie in [4] beschrieben.
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During a CDM stress, different Capacitance
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" href="https://incompliancemag.com/terms/capacitance/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">capacitance values play a role according to the three-capacitances model, as shown in Figure 1.
The ability of a a component or circuit to store an electric charge.
" href="https://incompliancemag.com/terms/capacitance/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">capacitance CDUT is defined as the Capacitance
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" href="https://incompliancemag.com/terms/capacitance/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">capacitance from the device to the field plane. The static Capacitance
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" href="https://incompliancemag.com/terms/capacitance/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">capacitance value for CDUT is extracted from a Finite Element Method [FEM]
A technique for finding approximate solutions to boundary value problems for differential equations.
" href="https://incompliancemag.com/terms/finite-element-method/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">Finite Element Method (Finite Element Method [FEM]
A technique for finding approximate solutions to boundary value problems for differential equations.
" href="https://incompliancemag.com/terms/finite-element-method/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">FEM) simulation according to the three-capacitances model shown in Figure 1. Differences between Ceff and CDUT capacitances either extracted from FEM-simulation or calculated as parallel plate Capacitance
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" href="https://incompliancemag.com/terms/capacitance/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">capacitance Cplate (A is the area of the DUT, and d is the thickness of the FR4 dielectric layer) are demonstrated based on the metallic circular coin modules (height 1.27 mm, diameters see Table 1).
Abbildung 1: Drei-Kapazitäten-Modell des CDM-Testers Die drei Kapazitätswerte bestimmen die effektive Kapazität Ceff. Die DUT-Kapazität CDUT ist definiert als die Kapazität vom Gerät zur Feldebene. Der statische Kapazitätswert für CDUT wird aus einer Finite-Elemente-Methode (FEM)-Simulation gemäß dem in Abbildung 1 gezeigten Drei-Kapazitäts-Modell extrahiert. Unterschiede zwischen Ceff- und CDUT-Kapazitäten werden entweder aus der FEM-Simulation extrahiert oder als Parallelplattenkapazität Cplate (A) berechnet ist die Fläche des DUT und d ist die Dicke der dielektrischen FR4-Schicht) werden anhand der metallischen kreisförmigen Münzmodule (Höhe 1,27 mm, Durchmesser siehe Tabelle 1) demonstriert.
P1
P2
JS
P4
JL
P5
P6
P7
P8
2.29
4.49
8.89
18.03
25.37
36.05
43.04
51.02
62.52
Table 1: Coin diameter in mm, height of coin: 1.27 mm
P1P2JSP4JLP5P6P7P82.294.498.8918.0325.3736.0543.0451.0262.52Tabelle 1: Münzdurchmesser in mm, Höhe der Münze: 1,27 mm
The Finite Element Method [FEM]
A technique for finding approximate solutions to boundary value problems for differential equations.
" href="https://incompliancemag.com/terms/finite-element-method/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">FEM simulation of CDUT does not coincide with the simple plate Capacitor
A passive electronic component that consists of two conductive plates separated by an insulating dielectric.
" href="https://incompliancemag.com/terms/capacitor/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">capacitor formula since fringing effects are also considered, especially for small devices. CDUT also shows a linear dependency on the area-capacitance relation. In contrast, Ceff values show saturation with increasing area or volume of a DUT. As a result, not only the area of the bottom surface contributes to the Capacitance
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" href="https://incompliancemag.com/terms/capacitance/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">capacitance but also the sidewalls and, therefore, the volume.
Abbildung 2: Ceff, CDUT und Cplate bezogen auf den Münzbereich. Die FEM-Simulation von CDUT stimmt nicht mit der einfachen Plattenkondensatorformel überein, da insbesondere bei kleinen Geräten auch Randeffekte berücksichtigt werden. CDUT zeigt auch eine lineare Abhängigkeit von der Flächen-Kapazitäts-Beziehung. Im Gegensatz dazu zeigen Ceff-Werte eine Sättigung mit zunehmender Fläche oder Volumen eines Prüflings. Dadurch trägt nicht nur die Fläche der Bodenfläche zur Kapazität bei, sondern auch die Seitenwände und damit das Volumen.
Impact of Device Dimensions
To calculate the CDM discharge current from the volume, the device area is considered as the maximum edge length a x b, including the pins and mold compound (Figure 3). For a bare die product that does not go into a final package, the area is calculated from the edge length of the silicon accordingly.
Einfluss der GeräteabmessungenUm den CDM-Entladestrom aus dem Volumen zu berechnen, wird die Gerätefläche als maximale Kantenlänge a x b betrachtet, einschließlich der Stifte und der Formmasse (Abbildung 3). Für ein Bare-Die-Produkt, das nicht in eine Endverpackung gelangt, wird die Fläche entsprechend aus der Kantenlänge des Siliziums berechnet.
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Statistical analysis of CDM testing data shows the relevance of device area and volume for predicting stress current levels in a CDM test since the height h of the device has a non-neglectable influence on the discharge current. A database with over 15 million CDM waveforms has been used to evaluate the relation between area, volume, peak current, and the effective Capacitance
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" href="https://incompliancemag.com/terms/capacitance/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">capacitance Ceff. The area and volume of about 10000 different device types can be derived from the package dimensions included in the database. For each device type, only the waveforms are evaluated, showing the maximum positive peak current Ipeak out of several CDM discharges for a positive charging voltage level of 500 V. According to the measurement results, the peak current reduces with the increasing height of the device.
- Von unseren Sponsoren - Abbildung 3: Definition der Gerätefläche A=a x b und des Volumens V=A x h. Die statistische Analyse der CDM-Testdaten zeigt die Relevanz der Gerätefläche und des Gerätevolumens für die Vorhersage von Belastungsstromniveaus in einem CDM-Test seit der Höhe h des Gerätes hat einen nicht zu vernachlässigenden Einfluss auf den Entladestrom. Eine Datenbank mit über 15 Millionen CDM-Wellenformen wurde verwendet, um die Beziehung zwischen Fläche, Volumen, Spitzenstrom und der effektiven Kapazität Ceff zu bewerten. Aus den in der Datenbank enthaltenen Paketabmessungen lassen sich Fläche und Volumen von ca. 10.000 verschiedenen Gerätetypen ableiten. Für jeden Gerätetyp werden nur die Kurvenformen ausgewertet, die den maximalen positiven Spitzenstrom Ipeak aus mehreren CDM-Entladungen für einen positiven Ladespannungspegel von 500 V zeigen. Den Messergebnissen zufolge nimmt der Spitzenstrom mit zunehmender Höhe des Geräts ab .
This can be shown using the set of nine cylindrical solid metal coins P1 to P8 with different diameters and volumes (see Table 1)[5]. The coin reference for the peak current still gives a reasonable orientation for the maximum peak current. Figure 4 shows the dependency of the effective Capacitance
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" href="https://incompliancemag.com/terms/capacitance/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">capacitance Ceff on the volume. For very flat packages, the limit of the coins is exceeded but still givesa meaningful value. The coin with the smallest volume and, therefore, lowest Ceff reaches the lowest peak current and vice versa. For devices, this means that their Ceff with the according current can be related to the current of the coins. As shown, the device height is becoming relevant for the estimation of the stress current level, therefore, the volume is introduced as the preferred parameter. Thus, the volume value can be used to estimate the expectable peak current with respect to the coin values as shown in Figure 5.
Dies kann anhand des Satzes von neun zylindrischen Vollmetallmünzen P1 bis P8 mit unterschiedlichen Durchmessern und Volumina gezeigt werden (siehe Tabelle 1)[5]. Die Münzreferenz für den Spitzenstrom gibt immer noch eine sinnvolle Orientierung für den maximalen Spitzenstrom. Abbildung 4 zeigt die Abhängigkeit der effektiven Kapazität Ceff vom Volumen. Bei sehr flachen Paketen wird das Münzlimit überschritten, ergibt aber dennoch einen aussagekräftigen Wert. Die Münze mit dem kleinsten Volumen und damit dem niedrigsten Ceff erreicht den niedrigsten Spitzenstrom und umgekehrt. Für Geräte bedeutet das, dass ihr Ceff mit dem entsprechenden Strom auf den Strom der Münzen bezogen werden kann. Wie gezeigt, wird die Gerätehöhe für die Schätzung des Spannungsstromniveaus relevant, daher wird das Volumen als bevorzugter Parameter eingeführt. Somit kann der Volumenwert verwendet werden, um den zu erwartenden Spitzenstrom in Bezug auf die Münzwerte abzuschätzen, wie in Abbildung 5 dargestellt.
Conclusion
A practical solution is presented for the problem, how CDM targets can be translated to current test levels. CDM current test levels are important as they allow using alternative CDM testing methods, such as CCTLP. The first testing proposal is a simple approach, representing the worst case: Increase the CCTLP testing voltage until the peak current value is reached at the product pin given in Figure 5.
Abbildung 4: Effektive Kapazität im Verhältnis zum Gerätevolumen für h>1,27 mm. Der Einfluss der Gerätehöhe auf die effektive Kapazität wird farblich dargestellt. Abbildung 5: Strom vs. Volumen mit dargestellter Abhängigkeit von der Höhe. Fazit Es wird eine praktische Lösung für das Problem vorgestellt, wie CDM-Ziele auf aktuelle Testniveaus übertragen werden können. Aktuelle CDM-Testniveaus sind wichtig, da sie die Verwendung alternativer CDM-Testmethoden wie CCTLP ermöglichen. Der erste Testvorschlag ist ein einfacher Ansatz, der den schlimmsten Fall darstellt: Erhöhen Sie die CCTLP-Testspannung, bis der in Abbildung 5 angegebene Spitzenstromwert am Produktpin erreicht wird.
To avoid over-testing, these levels can be lowered based on the second proposal if details of the electrical properties on-package and on-chip are known. Ceff values can be predicted by Finite Element Method [FEM]
A technique for finding approximate solutions to boundary value problems for differential equations.
" href="https://incompliancemag.com/terms/finite-element-method/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">FEM simulation even before devices are available.
Um übermäßige Tests zu vermeiden, können diese Werte auf der Grundlage des zweiten Vorschlags gesenkt werden, wenn Einzelheiten zu den elektrischen Eigenschaften auf dem Gehäuse und auf dem Chip bekannt sind. Ceff-Werte können durch FEM-Simulation vorhergesagt werden, noch bevor Geräte verfügbar sind.
The full paper was published in [6].
Der vollständige Artikel wurde in [6] veröffentlicht.
References
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A private non-profit organization that oversees the development of voluntary consensus standards for products, services, processes, systems, and personnel in the United States.
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Sudden flow of electricity between two electrically charged objects caused by contact, an electrical short, or dielectric breakdown.
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A professional association that is dedicated to advancing technological innovation and excellence.
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Sudden flow of electricity between two electrically charged objects caused by contact, an electrical short, or dielectric breakdown.
Sudden flow of electricity between two electrically charged objects caused by contact, an electrical short, or dielectric breakdown.
" href="https://incompliancemag.com/terms/electrostatic-discharge/" data-mobile-support="0" data-gt-translate-attributes='[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]' tabindex="0" role="link">ESD), Riverside, CA, USA, 2023, pp. 1-11, doi: 10.23919/EOS/ESD58195.2023.10287735
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