1 引 言
集成电路静电放电模拟器是利用阻容放电网络模拟人体放电， 实现对微电子元器件抗静电放电能力的分级。 集成电路静电放电模拟器在国内的应用非常普遍， 是微电子元器件可靠性筛选必不可少的设备。国内外相关标准在集成电路静电放电模拟器的参数要求有明确的规定， 对校准方法也有简要说明， 但对于校准的关键技术和测量不确定度的评定并没有公开文献论述。本文在简要介绍校准方法的基础上， 重点对测量不确定度进行了分析评定，为集成电路静电放电模拟器的校准和测量不确定度提供参考和借鉴。
2 校准方案
在介绍校准方案前， 先对集成电路静电放电模拟器的工作原理进行简要说明。图1 给出了集成电路静电放电模拟器的测试原理框图。
图1 集成电路静电放电模拟器测试原理图
静电放电模拟器工作时， 开关S 首先切换到状态1, 整流高压源首先通过电阻R1 对电容C 充电; 充电电压达到设定电压值后， 开关S 切换到2, 电容通过R2 对管座上的被测器件进行静电放电， 完成一个工作过程。
根据GJB548B-2005 的要求， 静电放电模拟器校准重点关注的是短路放电电流波形参数指标， 主要包括： 短路放电电流峰值、短路电流上升时间和延迟时间。各参数的定义如图2 所示。
图2 静电放电模拟器短路电流波形
以集成电路静电放电模拟器Thermal KeyTek公司生产的7/1 为例， 分别对各参数的校准作详细的说明。
短路放电电流峰值、短路电流上升时间和延迟时间的校准方法和校准装置相同。即利用高频电流探头将静电模拟器的短路电流变换成电压信号， 再利用示波器进行采集， 测量各参数。校准装置如图3 所示。
图3 集成电路静电放电模拟器校准装置
进行集成电路静电放电模拟器校准， 需要注意以下几个问题： 1) 连接放电端子与地端子的短路电流导线应尽量短， 以减小外界电磁干扰等对测量结果的影响; 2) 由于进行校准时， 示波器工作在50Ω输入阻抗下， 此时示波器的输入电压范围较小(一般不超过15VP-P)， 防止电压过高损坏示波器; 3) 校准时， 尽量使采集的波形布满示波器显示屏， 以提高测量的精确定。
高频电流探头选用Tektronix 公司的CT-1、20 dB衰减器Microcircuits 公司的HAT-20、数字示波器选用Tektronix 公司的TDS5104。
根据GJB548B-2005, 器件ESD 测试要求在±0.5 kV、±1 kV、±2 kV、±4 kV、±8 kV 下进行， 因此对于集成电路静电放电模拟器的校准也在这些典型电压下进行。表1 给出了标准对静电放电模拟器的放电波形参数要求。
表1 集成电路静电放电模拟器短路电流参数要求
3 校准实例
下面以+2 kV 为例进行校准方法的说明和测量不确定度的分析。
校准时， 选取放电线路最长的一对管座引脚进行校准(在此情况下， 短路电流的波形参数最差)。将两引脚用单股导线短路， 并将导线穿过电流探头的感应孔， 电流探头输出通过20 dB衰减器与示波器连接。示波器输入阻抗选择为50 Ω， 利用上升延触发方式采集静电放电模拟器的输出电流波形。
2 kV 放电电压对应的短路峰值电流为1.33 A,经电流探头转换为6.65 V, 再经20 dB 衰减， 输入到示波器的电压为665 mV。采集波形时， 将示波器的垂直偏转系数设置为100 mV/格; 整个波形在200 ns以内， 因此将示波器的水平时基设置为20 ns。校准得到的波形如图4 所示。
图4 校准波形图
根据采集的波形， 进行波形参数的校准： 峰值电压(转换为峰值电流)、上升时间(峰值电流的10%到90%对应的时间间隔)、延迟时间(电流峰值降到峰值36.8%所对应的时间间隔)。校准数据如表2 所示。
表2 +2kV 下的校准数据
4 测量不确定度分析
进行测量不确定度评定前， 先建立校准的数学模型。短路电流与示波器电压测量的数学关系是：
式中： V 为示波器测量电压值; I 为短路电流值; kCT 为电流探头的灵敏系数， 5 mV/mA; kA 为衰减器的衰减比例， 20 dB(0.1)。
4.1 峰值电流测量不确定度分析
峰值电流测量的测量不确定度来源于： 1) 重复测量引起的测量不确定度分量μA; 2) 电流探头灵敏系数不准引起的测量不确定度分量μB1; 3) 20 dB 衰减器衰减比例不准引起的测量不确定度分量μB2; 4) 示波器电压测量不准引起的测量不确定度分量μB3。
4.1.1 重复测量引起的测量不确定度分量uA
利用图3 所示的较准装置， 对峰值电流重复测量10 次， 校准数据如表3 所示。
表3 峰值电流测量重复性数据
代入贝叶斯公式， 计算测量的试验标准差：
测量重复性引入的测量不确定度分量：
4.1.2 电流探头灵敏系数不准引起的测量不确定度分量
根据电流探头CT-1 的技术手册， 电流探头的灵敏度最大误差为±3%。其概率分布为均匀分布， 因此有：
电流探头灵敏度系数不准对电流测量不确定度的灵敏度系数为：
模拟器充电电压2 kV 时， 对应的示波器电压测量值为665 mV, 此时：
因此， 由电流探头灵敏度系数不准引起的电流测量不确定度为：
4.1.3 由衰减器衰减比例不准引起的测量不确定度分量uB2
根据20 dB 衰减器HAT-20 的技术手册， 衰减的全频段最大衰减误差为±0.40 dB。假定其概率分布为均匀分布， 因此有：
20 dB 衰减器衰减比例不准对电流测量不确定度的灵敏度系数为：
模拟器充电电压2 kV 时， 对应的示波器电压测量值为665 mV, 此时5.32 A ckA = 。因此， 由电流探头灵敏度系数不准引起的电流测量不确定度为：
4.1.4 由示波器电压测量不准引起的测量不确定度分量μB3
根据数字示波器TDS5104 技术手册， 示波器在50 Ω 输入阻抗下的电压测量最大允许误差为±(1%×fullscale+|3%×ofset|)。进行2 kV 放电电流校准时， 垂直满量程为800 mV, 垂直偏转为-400 mV, 因此最大测量误差为20 mV。假定其概率分布为均匀分布， 因此有：
示波器电压测量不准对电流测量不确定度的灵敏度系数为：
由示波器电压测量不准引起的电流测量不确定度分量为：
4.1.5 不确定度分量合成
由于以上各分量相互独立， 因此合成测量不确定度为：
4.1.6 扩展测量不确定度
取置信概率95%, 包含因子k=2, 放电短路电流的扩展测量不确定度为：U=k×μC=0.08 A, 相对扩展测量不确定度为6%(k=2)。
4.2 短路电流上升时间测量不确定度分析
短路电流上升时间校准的测量不确定度来源主要有： 1) 测量重复性引起的测量不确定度uA; 2) 电流探头上升时间引起的测量不确定度分量uB1; 3) 衰减器上升时间引起的测量不确定度分量uB2; 4) 示波器时间间隔测量不准引起的测量不确定度分量uB1; 5) 示波器电压测量不准引起的上升时间测量不确定度分量uB4。
4.2.1 测量重复性引入的不确定度分量uA
利用图3 所示的校准装置， 对短路电流上升时间重复测量10 次， 校准数据如表4 所示。
表4 上升时间测量重复性数据
代入贝叶斯公式， 计算本次测量试验标准差：
测量重复性引入的测量不确定度分量：
4.2.2 电流探头上升时间引起的测量不确定度分量uB1
根据电流探头CT-1 的技术指标， 电流探头上升时间为350 ps, 小于短路电流上升时间下限的1/5,因此电流探头上升时间对短路电流上升时间的测量不确定度分量可以忽略不计， 有：uB1=0 ns。
4.2.3 20 dB 衰减器上升时间引起的测量不确定度分量uB2
根据衰减器HAT-20 的技术指标， 衰减器上升时间为350 ps, 小于短路电流上升时间下限的1/10, 因此衰减器上升时间对短路电流上升时间的测量不确定度分量可以忽略不计， 有：uB2=0 ns。
4.2.4 示波器时间间隔测量不准引起的测量不确定度分量uB3
根据数字示波器TDS5104 的技术指标， 示波器测量时间间隔的准确度为：
采样间隔为40 ps 下， 示波器时间间隔测量最大允许误差为： 13 ps。假设服从均匀分布， 则示波器时间间隔测量不准引起的测量不确定度分量为：
4.2.5 示波器电压测量不准引起的测量不确定度分量uB4
示波器电压测量不准必然会影响到上升时间测量的电压阈值判定(峰值10%和90%)。可以假定短路电流的上升延斜率为常数， 则斜率为：
由3.1.4 的分析可知， 示波器测量电压的最大允许误差为0.012 V, 因此示波器电压测量不准引起的上升时间测量不确定度分量为：
4.2.6 不确定度分量合成
由于以上各分量相互独立， 因此合成测量不确定度为：
4.2.7 扩展测量不确定度
取置信概率95%, 包含因子k=2, 短路电流上升时间的扩展测量不确定度为：
U=k×μC=0.54 ns, 相对扩展测量不确定度为8.1%(k=2)。
4.3 短路电流衰减时间测量不确定度分析
衰减时间测量不确定度评定的影响因素和评定方法与上升时间类似， 这里不再赘述。
短路电流衰减时间的相对扩展不确定度为5%(k=2)。
4.4 短路电流衰减时间测量不确定度分析
整个校准系统的测量不确定度如表5 所示， 指标满足集成电路静电放电模拟器量值溯源的要求。
表5 IC 静电放电模拟器校准的测量不确定度
5 结 论
本文在分析集成电路静电放电模拟器相关要求的基础上， 给出了模拟器的校准原理、方法以及校准需要注意的事项。给出了校准实例， 并对测量不确定给出了详细的评定方法。解决了集成电路静电模拟器的校准和量值溯源问题， 对于保证集成电路静电放电试验的有效性和可靠性具有十分重要的意义