ESD: Neue Messtechniken sorgen für wirksameren Schutz

Mikroelektronische Bauteile und Systeme werden immer kleiner und komplexer – das stellt auch den ESD-Schutz vor neue Herausforderungen. Viele etablierte Testmethoden stoßen dabei zunehmend an ihre Grenzen. Fraunhofer-Forscher haben neue Lösungen entwickelt, die genauere und reproduzierbare Messergebnisse liefern.

Wohl jeder hat schon einmal eine (unangenehme) Erfahrung mit elektrostatischen Entladungen gemacht: Man fasst an den Türgriff und bekommt ohne Vorwarnung „eine gewischt“, nachdem man zuvor über einen Teppichboden gelaufen ist. Ein anderes Beispiel ist der Pullover aus Kunstfasern, der beim Ausziehen anfängt zu knistern. Manchmal lassen sich dabei sogar kleine Funken beobachten.

Damit der Mensch eine solche Entladung spürt, sind um die 3000 Volt nötig. Halbleiterbausteine, Herzstück aller elektronischer Geräte, die uns im Alltag umgeben, sind da weniger hart im Nehmen: Bei ihnen können schon 30 Volt zu einer Schädigung oder Funktionsbeeinträchtigung führen. Das Bauelement wird damit zwar nicht zwangsläufig unbrauchbar. Oftmals verschieben sich nur bestimmte Parameter, was dann beispielsweise zu einer höheren Stromaufnahme führt. Eine erhöhte Stromaufnahme muss die Funktionalität des Bauteils nicht beeinträchtigen und fällt auch bei Funktionstests nicht auf. Sie kann jedoch die Lebensdauer eines Akkus oder einer Batterie deutlich verkürzen, beispielsweise im Smartphone. Die Gruppe „Analyse und Test“ an der Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT beschäftigt sich seit mehr als 20 Jahren mit dem Thema ESD-Schutz und unterstützt Industriekunden aus unterschiedlichsten Brachen bei der Risikoanalyse und der Entwicklung individueller ESD-Schutzstrukturen für Bauteile und Systeme. Solche ESD-Schutzstrukturen werden in das Bauteil bzw. an dessen Anschlüssen integriert, um einen Teil der Entladungsenergie abzupuffern. Das funktioniert entweder über Widerstände, die den Stromfluss begrenzen, oder über den Einbau so genannter Schutzschaltungen, die den ESD-Impuls aufnehmen.

© Foto Fraunhofer EMFT

ESD Systemtest mit breitbandiger Messung des Sekundärentladungsstroms

Die Spielräume werden kleiner

Für neue Herausforderungen sorgt jedoch der anhaltende Trend zur Miniaturisierung in der Mikroelektronik: Denn mit den immer filigraneren Strukturen der Bauelemente reduziert sich auch die maximal zulässige Entladespannung. Umso wichtiger ist es, die ESD-Festigkeit eines Bauteils oder einer Baugruppe so realitätsgetreu wie möglich berechnen und auf Basis der Ergebnisse die erforderlichen Schutzmaßnahmen konzipieren zu können. Vereinfacht gesagt: Die Spielräume werden kleiner – und die heute gebräuchlichen Testmethoden stoßen zunehmend an ihre Grenzen, da sie die Realität oft nicht vollständig abbilden können. Um einzelne Bauteile auf ihre ESD-Festigkeit zu testen, kommen bislang vor allem zwei verschiedene Simulationsmodelle zum Einsatz: Das HBM (Human Body Model) sowie das CDM (Charged Device Model). Während das HBM die Entladung eines Menschen über den Baustein simuliert, wird beim CDM der Baustein selbst aufgeladen und anschließend entladen. Das CDM spielt deshalb für automatisierte Produktionsumgebungen eine zunehmende Rolle. Das Problem dabei: Da bei diesem Test mehr oder weniger kontrollierbare Luftentladungen entstehen können, unterliegen die Messergebnisse Schwankungen und sind nur schlecht reproduzierbar. Für den schmalen Toleranzbereich bei miniaturisierten Bauelementen benötigt man jedoch absolut exakte Messungen, um einen sicheren ESD-Schutz gewährleisten zu können. 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 hierbei zunächst kontaktiert und dann erst der Impuls ausgelöst. Mehrere Untersuchungen an verschiedenen Testschaltungen und Produkt-ICs zeigten eine sehr gute Korrelation mit dem CDM – sowohl in Hinblick auf die Ausfallschwelle als auch auf den physikalischen Fehler. Ein weiterer Vorteil des CC-TLP liegt darin, dass die Tests bereits auf Wafern durchgeführt 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. Hierzu setzen wir Analysewerkzeuge wie das TLP ein, bei denen mit Rechteckimpulsen die Hochstromcharakteristik gemessen werden kann. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise 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.

© Foto Fraunhofer EMFT

Modularer Aufbau für ESD-Charakterisierung (TLP/vfTLP/HBM/HMM 300 mm, 33 GHz)

Designbedingte Störeffekte spielen eine große Rolle

ESD-Schutz spielt aber nicht nur auf Bauteilebene eine wichtige Rolle, sondern auch im fertigen System. 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 Volt aushalten muss, plötzlich schon bei Spannungen von 1000 Volt zu Defekten bei einem Bauteil kommt. An einem Standard-Messplatz lassen sich die Ursachen kaum nachvollziehen, daher sind wir an der Fraunhofer EMFT neue Wege gegangen und haben ein erweitertes Messverfahren mit einem integrierten Stromsensor konzipiert. In einem Fall haben wir auf diese Weise etwa herausgefunden, dass es an einem kleinen Luftspalt zwischen der Grundplatte des Messplatzes und einer Metallkappe des Systemgehäuses zu einer so genannten Sekundärentladung kam. Dabei sind unseren Messungen zufolge kurzzeitig extrem hohe Stromstärken um die 600 Ampere geflossen. Solche oftmals designbedingten Phänomene treten relativ häufig auf und lassen sich nicht kontrollieren. Umso wichtiger ist es, auftretende Störeffekte auf Systemebene in die Analysen mit einzubeziehen, um wirksamere Schutzkonzepte und damit letztlich robustere Systeme zu entwickeln. Im zuvor beschriebenen Fall identifizierten wir vier sensible Leitungen, die sich alle im gleichen Bereich des Systems befanden. Um die ESD-Festigkeit zu verbessern, wurden auf den kritischen Pins Wiederstände 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 konnten systematisch alle Störeinflüsse eliminiert und die Robustheit des Systems erhöht werden.