Assist. Prof. Dr. Prapto Nugroho

Apa itu ESD?

Electrostatic discharge adalah sinyal denyut berenergi tinggi dengan durasi sangat cepat yang mengenai kaki luar dari IC, istilah ESD sering dibingungkan dengan EOS (Electrical Over Stress), keduanya memang serupa yaitu bentuk terbakar tapi lokasinya berbeda.

Pada EOS yang terbakar adalah disekitar BOND WIRES (sekitar kawat penyambung dice dengan kaki luar IC) and DIE METALLIZATION (sekitar dice IC), sedangkan JUNCTION DEGRADATION (menyebabkan penurunan arus/leakage), CONTACT DAMAGE (kerusakan sambungan/kontak) dan GATE OXIDE BREACHES (putusnya sambungan antar gerbang yg membentuk IC) lebih sering dihubungkan dengan ESD.
Alasan utama yang menyebabkan perbedaan dalam mekanisme failure (kegagalan/kerusakan) ini adalah RISE TIME dan Durasi dari sinyal denyut , dimana ESD terjadi dalam hitungan kurang dari milidetik, sedangkan EOS lebih lambat dari itu dan waktunya lebih lama.

ESD terjadi jika dua objek dengan beda potensial tegangan bertemu sehingga terjadi pemindahan muatan dari satu objek ke objek yang lain sampai terjadi besar potensial yang sama. Waktu yang dibutuhkan untuk itu bervariasi tergantung dari karakteristik, misalnya besar kapasitansi dan resistansi diantara keduanya, pemindahan muatan (CHARGE TRANSFER) ini lah yang disebut peristiwa ESD.

Bagaimana suatu objek dapat termuati
Objek dapat termuati dalam berbagai macam cara, yg umum diketahui adalah melalui FRICTIONAL CHARGES, juga dikenal dalam istilah TRIBOELECTRIC CHARGES, yaitu pemuatan elektron dari satu objek ke objek yang lain melalui kontak langsung, ini dipengaruhi oleh beberapa faktor seperti kelembaban.
Sebagai contoh, ketika orang lewat di atas karpet, pada waktu musim panas ketika kelembaban tinggi, pemuatan tidak akan terjadi, namun dapat terjadi pada musim dingin ketika kelembaban rendah, dan hanya dapat buang muatan melaui peristiwa ESD ketika orang yg termuati tersebut menyentuh bola lampu atau tombol pintu. Objek juga dapat termuati ketika dia berada dalam medan magnet yang kuat, seperti komponen dalam pesawat TV berada dalam medan magnet yang dibangkitkan oleh tabung gambar, ketika TV dimatikan akan ada listrik statik di Layar dan Casing, suara gemeretakannya sampai terdengar, ini adalah buang muatan dari pemuatan medan induksi pada komponen-komponen dalam TV.

Bagaimana IC motorolla terkarakterisasi menurut kerentanannya terhadap ESD?

Ada tiga model yang dikembangkan untuk memprediksi kejadian ESD, dua yang pertama mengenai Tubuh yang bermuatan , yang membuang muatan melalui IC menuju Ground, model terakhir berhubungan dengan IC yang termuati yang membuang muatan langsung ke Ground.

Human Bodi Model (HBM)
digunakan unutk meprediksi, kira-kira apa yang akan terjadi bila tubuh orang yang bermuatan listrik membuang muatan melewati IC menuju Ground. Tubuh manusia disini dimodelkan dengan sebuah kapasitor 100pF yg akan membuang muatan melalui Resistor seri bernilai 1K5 Ohm. Ketika Kapasitor termuati sampai dengan 2000V, ia dapat menghantarkan arus puncak (peak current) yang dapat mencapai 1,33A pada device yang sedang di Test, dan arus ini terjadi selama sekitar 10nsec setelah kejadian ESD berlangsung.

Machine Model (MM)
agak mirip dengan HBM tapi disini tidak mensimulasikan tubuh manusia tapi mesin dengan devais yang digroundkan. Karena kontak terjadi antara metal dengan metal maka resistor seri dihilangkan. Dengan tidak adanya resistor seri akan terjadi lebih banyak osilasi bentuk gelombang (ringing)
Total durasinya hampir sama dengan HBM. 400V yang dikenakan ke model MM akan menghasilkan arus puncak 7A pada devais.

Charged Device Model (CDM)
Model ini sangat berbeda dengan HBM maupun MM, disini devais itu sendiri yang dimuati dan kemudian membuang muatan ke Ground. Kejadian ini misalnya pada waktu devais meluncur keluar dari plastik rel pengetesan, maka ia akan termuati lewat triboelectric charging jika plastik rel tidak dilengkapi dengan pelindung anti-static. IC hanya mempunyai sedikit kapasitansi dibanding Tubuh Manusia, biasanya hanya beberapa PF, dan dengan sedikit charger/muatan sudah akan menghasilkan potensial yang besar sampai dengan beberapa ratus Volt (V=Q/C), setiap muatan akan dengan cepat dibuang karena kecilnya kapasitansi. Arus puncak sekiatr 7.5A dengan 500V muatan pada devais dengan kapasitan sebesar 4pF.

Bagaimana Kriteria ESD dari Motorola
Sebelum semua CSIC microcontroller dari motorolla layal di produksi, ia harus kuat menahan tekanan HBM 2000V dan MM 200v yang diulang-ulang (repeated) pada semua kaki-kaki I/Onya. Tiap kaki I/O akan diberi tegangan kejut (zapped) sebanding denganjumlah kakinya, misalnya IC dengan kaki 44 buah, maka tiap kaki I/O akan ditest 43 kali , jika devaisnya kuat bertahan, maka bisa dikatakan ia sudah lolos Test ESD.
Untuk sekarang ini belum ada standard buat CDM Test, Asosiasi ESD bekerja sama dengan IEEE sedang mengembangkan proses standar untuk CDM, stndar tersebut (#DS5.3-1993) sekarang ini masih berstatus draft.

Bagaimanakah model khas dari ESD Failure?

Biasanya, devais yang sudah gagal dalam Test ketahanan ESD akan mempunyai pin yang short atau leak.
Karena tegangan ke devais disalurkan melalui blok/jalur, maka blok yang terdekat dengan sumber tegangan akan rusak terlebih dulu. Kadang-kadang Arus yang tinggi atau bahkan Kegagalan Fungsi dari IC terjadi pada kasus ESD.

Bagaimanakah Mekanisme Khas dari ESD?
Ada empat besar mekanisme kegagalan pada kasus ESD, yaitu
#junction degradation (penurunan fungsi sambungan), thermal oxide degradation, , poly melt fillament dan contact damage, semuanya adalah dampak langsung dari panas yang terjadi karena yang berlebihan dan terlokalisasi.
Sinyal berenergi tinggi yang terserap kaki IC berjalan melewati sambungan p-n yang ada di blok dalam IC, yang menjadi keluaran DRAIN dari tansistor chnanel-P dan N yang ada di kaki itu, kejadian yg khas dari ESD adalah tegangan yang melewati blok itu umpan balik dadal (reverse bias breakdown ) pada sambungan DRAIN, menghasilkan ionisasi yang menyebabkan arus yg sangat tinggi melewati dioda. Arus dan panas yang ditimbulkan biasanya terlokalisasi karena ketidak seragaman dari pemrosesan sambungan atau tataletak, misalnya kontak terlalu dekat dengan sumber energi, meningkatnya suhu akan meningkatkan konsentrasi intrinsic carrier, membuat resistansi menjadi rendah disepanjang jalur blok tersebut, semakin banyak arus yang lewat akan menaikkan suhu, menurunkan konsentarsi intrinsic, menurunkan resistansi, sehingga memperbanyak arus yang bisa lewat dan seterusnya (positive feedback system)

Contact Damage
Juga disebut contact spiking, adalah hasil dari fenomena khusus, yaitu ketika arus yangberlebihan menaikkan suhu aluminium melebihi titik lelehnya (melting point) 660C. Aluminium yang bermuatan positif, mengalirkan ke dalam substrat dalam pengaruh medan listrik. Akhirnya aluminium dopant mencapai difusi DRAIN menuju substrat, men-short kan dioda drain/substart, dan menghasilkan leakage (pad-Vss Leakage).

Junction Damage
Dapat terjadi pada skenario berikut, Jika panas yang dihasilkan oleh arus berlebih ini melewati titik leleh silicon (1400C), Silikon akan meleleh dan mengalir, mengacaukan karakteristik dopan pada sambungan P-N, ketika ESD sudah selesai, maka silikon akan mengkristal lagi, tapi sekarang dopant tipe-P dan tipe-N bercampur, sehingga menghasilkan isolasi yang buruk diantara kedua daerah (P dan N) juga pada daerah anatara DRAIN/Substat, , tipe kerusakan ini hanya bisa ketahuan ketika devais dibuka, sewaktu diadakan analisa. Mekanisme ini biasanya dibarengi dengan mekanisme failure yang lebih terlihat seperti contact spiking.

Thermal oxide degradation and poly melt filaments
Adalah mekanisme Failure yang berhubungan dekat. Panas yang terlokalisasi didaerah Source/DRAIN akan menurunkan integritas dari Gerbang Oksida (Gate Oxide) pada daerah sekitar breakdown (dadal).
Yang menyebabkan gerbang oksida menjadi Short.Jika panas yang dihasilkan mengalir dari Gerbang Polisilikon (polysilicon Gate) menuju daerah Source/Drain mencapai titik leleh silikon, silikon pada daerah Source/Drain akan pindah menuju Gate. Sebuah jalur kontak akan terlihat seperti parit diantara sambungan.

Seperti di jabarkan diatas, ada banyak Mekanisme Failur pada kejadian ESD

@September 2004
Sumber:
Mark Thomas & Carole Le Clair
CSIC Failure Analisys Group
CSIC Microcontroller Division
Reliability and Quality Assurance
Austin, Texas