Nouvelles approches pour les tests CDMLes approches alternatives à l'évaluation CDM ESD gagnent en importance, parmi lesquelles le TLP à couplage capacitif (CCTLP) offre de nombreux avantages par rapport à la configuration CDM standardisée induite par le champ. La précision des tests dépend du transfert des niveaux de tension de charge aux niveaux de courant de pointe. La capacité effective (Ceff) sert d'indicateur de la gravité des contraintes, et les simulations FEM peuvent fournir des valeurs Ceff précises. Cependant, compte tenu de l’impact des dimensions du dispositif, le volume est introduit comme paramètre privilégié pour estimer les niveaux de courant de contrainte. En tirant parti de la relation entre le volume et le courant établie à l'aide de modules de pièces métalliques, des estimations raisonnables peuvent être obtenues. Ces approches facilitent l’utilisation de méthodes alternatives de test MDP et fournissent une solution pratique pour la traduction des cibles MDP.
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.
Nouvelles approches pour les tests MDPIl est désormais bien connu que les tests pour l'évaluation MDP ESD deviennent un défi de plus en plus grand. Auparavant (dans Compliance Magazine, mars 2021), le TLP à couplage capacitif (CCTLP) était décrit comme une approche alternative. Il offre de nombreux avantages par rapport à la configuration CDM induite par le champ standardisée selon la norme JS002 [1]. Les tests d'un boîtier, d'une puce nue ou d'une tranche sont activés avec une reproductibilité élevée. La corrélation de défaillance entre CDM et CCTLP a été étudiée sur la base des niveaux de contrainte de courant de pointe et non par un niveau de tension de charge [2]. Si un test avec une méthode CDM alternative telle que CCTLP est effectué pour reproduire JS002, la tension de charge CDM doit être transférée en niveaux de courant de crête.
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.
Capacité de l'appareil et du testeurUne mesure de la gravité de la contrainte CDM est la capacité effective Ceff d'un appareil [3]. Ceff caractérise la quantité de charge échangée entre le DUT et la configuration de test à un niveau de contrainte spécifique (par exemple, VCDM) dans un environnement de test spécifique.
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].
Les produits peuvent être classés par rapport au Ceff dans une configuration FICDM en raison de la relation directe avec le courant de crête pour une tension de test donnée, comme décrit dans [4].
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During a CDM stress, different 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 values play a role according to the three-capacitances model, as shown in Figure 1.
- Contenu partenaire -.tdi_70{margin-bottom:0px!important;padding-top:10px!important;padding-right:20px!important;padding-bottom:20px!important;padding-left:20px!important;border-color :var(--medium-gray)!important;border-radius:4px!important;border-style:solid!important;border-width:1px 1px 1px 1px!important;position:relative}.tdi_70 .td-image- wrap{padding-bottom:120%}.tdi_70 .entry-thumb{background-position:center 50%}.tdi_70 .td-image-container{flex:0 0 25%;width:25%;display:block;order :1}.ie10 .tdi_70 .td-image-container,.ie11 .tdi_70 .td-image-container{flex:0 0 auto}.tdi_70 .td-module-container{flex-direction:row;border-color : #eaeaea!important}.tdi_70 .td-module-meta-info{flex:1;border-color:#eaeaea}body .tdi_70 .td-favorite{font-size:36px;box-shadow:1px 1px 4px 0px rgba (0,0,0,0.2)}.tdi_70 .td_module_wrap{padding-left:0px;padding-right:0px;padding-bottom:0px;margin-bottom:0px}.tdi_70 .td_block_inner{margin-left:-0px ;margin-right:-0px}.tdi_70 .td-module-container:before{bottom:-0px;border-color:#eaeaea}.tdi_70 .td-post-vid-time{display:block}.tdi_70 .td -post-category:not(.td-post-extra-category){display:none}.tdi_70 .td-author-photo .avatar{width:20px;height:20px;margin-right:6px;border-radius : 50 %}.tdi_70 .td-excerpt{display:block;color:#000000;column-count:1;column-gap:48px;font-family:var(--body)!important;font-size:15px! 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The three 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 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).
Figure 1 : Modèle à trois capacités du testeur CDM. Les trois valeurs de capacité déterminent la capacité effective Ceff. La capacité du DUT CDUT est définie comme la capacité de l'appareil au plan de champ. La valeur de capacité statique pour CDUT est extraite d'une simulation par méthode des éléments finis (FEM) selon le modèle à trois capacités illustré à la figure 1. Les différences entre les capacités Ceff et CDUT sont soit extraites de la simulation FEM, soit calculées sous forme de capacité à plaques parallèles Cplate (A est l'aire du DUT et d est l'épaisseur de la couche diélectrique FR4) sont démontrées sur la base des modules de pièces circulaires métalliques (hauteur 1,27 mm, diamètres voir tableau 1).
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
P1P2JSP4JLP5P6P7P82.294.498.8918.0325.3736.0543.0451.0262.52Tableau 1 : Diamètre de la pièce en mm, hauteur de la pièce : 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.
Figure 2 : Ceff, CDUT et Cplate liés à la zone des pièces de monnaie. La simulation FEM de CDUT ne coïncide pas avec la formule simple du condensateur à plaques puisque les effets de franges sont également pris en compte, en particulier pour les petits appareils. CDUT montre également une dépendance linéaire sur la relation surface-capacité. En revanche, les valeurs Ceff montrent une saturation avec l'augmentation de la surface ou du volume d'un DUT. En conséquence, non seulement la surface inférieure contribue à la capacité, mais également les parois latérales et, par conséquent, le volume.
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.
Impact des dimensions de l'appareilPour calculer le courant de décharge CDM à partir du volume, la zone de l'appareil est considérée comme la longueur maximale du bord a x b, y compris les broches et le composé de moule (Figure 3). Pour un produit à puce nue qui n'entre pas dans un emballage final, la surface est calculée en conséquence à partir de la longueur du bord du silicium.
- From Our Sponsors -
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.
- De nos sponsors - Figure 3 : Définition de la zone de l'appareil A=a x b et du volume V=A x hL'analyse statistique des données de test CDM montre la pertinence de la zone et du volume de l'appareil pour prédire les niveaux de courant de contrainte dans un test CDM depuis la hauteur h de l'appareil a une influence non négligeable sur le courant de décharge. Une base de données contenant plus de 15 millions de formes d'onde CDM a été utilisée pour évaluer la relation entre la surface, le volume, le courant de crête et la capacité effective Ceff. La surface et le volume d'environ 10 000 types d'appareils différents peuvent être déduits des dimensions d'emballage incluses dans la base de données. Pour chaque type d'appareil, seules les formes d'onde sont évaluées, montrant le courant de crête positif maximum Ipeak sur plusieurs décharges CDM pour un niveau de tension de charge positif de 500 V. Selon les résultats de mesure, le courant de crête diminue avec l'augmentation de la hauteur de l'appareil. .
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.
Ceci peut être démontré à l’aide de l’ensemble de neuf pièces cylindriques en métal massif P1 à P8 de différents diamètres et volumes (voir tableau 1)[5]. La référence en pièce pour le courant de crête donne toujours une orientation raisonnable pour le courant de crête maximum. La figure 4 montre la dépendance de la capacité effective Ceff sur le volume. Pour les packages très plats, la limite des pièces est dépassée mais donne toujours une valeur significative. La pièce ayant le plus petit volume et, par conséquent, le Ceff le plus faible atteint le courant de crête le plus faible et vice versa. Pour les appareils, cela signifie que leur Ceff avec le courant correspondant peut être lié au courant des pièces. Comme indiqué, la hauteur du dispositif devient pertinente pour l'estimation du niveau de courant de contrainte. Par conséquent, le volume est introduit comme paramètre préféré. Ainsi, la valeur du volume peut être utilisée pour estimer le courant de crête attendu par rapport aux valeurs des pièces, comme le montre la figure 5.
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.
Figure 4 : Capacité effective par rapport au volume de l'appareil pour h>1,27 mm. L'influence de la hauteur de l'appareil sur la capacité effective est illustrée par couleur.Figure 5 : Courant par rapport au volume avec dépendance illustrée à la hauteur.ConclusionUne solution pratique est présentée au problème, comment les cibles MDP peuvent être traduites en niveaux de test actuels. Les niveaux de test actuels du MDP sont importants car ils permettent d'utiliser des méthodes de test MDP alternatives, telles que CCTLP. La première proposition de test est une approche simple, représentant le pire des cas : augmentez la tension de test CCTLP jusqu'à ce que la valeur de courant de crête soit atteinte au niveau de la broche du produit indiquée dans la figure 5.
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.
Pour éviter des tests excessifs, ces niveaux peuvent être abaissés sur la base de la deuxième proposition si les détails des propriétés électriques sur le boîtier et sur la puce sont connus. Les valeurs Ceff peuvent être prédites par simulation FEM avant même que les appareils ne soient disponibles.
The full paper was published in [6].
L'article complet a été publié dans [6].
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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Sudden flow of electricity between two electrically charged objects caused by contact, an electrical short, or dielectric breakdown.
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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.
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" 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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