電子元器件抗ESD損傷的基礎(chǔ)知識

1、電子元器件抗ESD技術(shù)講義 第18頁引 言4第1 章 電子元器件抗ESD損傷的基礎(chǔ)知識51.1 靜電和靜電放電的定義和特點(diǎn)51.2 對靜電認(rèn)識的發(fā)展歷史61.3 靜電的產(chǎn)生61.3.1 摩擦產(chǎn)生靜電71.3.2 感應(yīng)產(chǎn)生靜電81.3.3 靜電荷81.3.4 靜電勢81.3.5 影響靜電產(chǎn)生和大小的因素91.4 靜電的來源101.4.1 人體靜電101.4.2 儀器和設(shè)備的靜電111.4.3 器件本身的靜電111.4.4 其它靜電來源121.5 靜電放電的三種模式121.5.1 帶電人體的放電模式(HBM)121.5.2 帶電機(jī)器的放電模式（MM）131.5.3 充電器件的放電模型131.6 靜

2、電放電失效151.6.1 失效模式151.6.2 失效機(jī)理15第2章 制造過程的防靜電損傷技術(shù)192.1 靜電防護(hù)的作用和意義192.1.1 多數(shù)電子元器件是靜電敏感器件192.1.2 靜電對電子行業(yè)造成的損失很大202.1.3 國內(nèi)外企業(yè)的狀況222.2 靜電對電子產(chǎn)品的損害232.2.1 靜電損害的形式232.2.2 靜電損害的特點(diǎn)232.2.3 可能產(chǎn)生靜電損害的制造過程242.3 靜電防護(hù)的目的和總的原則242.3.1 目的和原則242.3.2 基本思路和技術(shù)途徑252.4 靜電防護(hù)材料262.4.1 與靜電防護(hù)材料有關(guān)的基本概念262.4.2 靜電防護(hù)材料的主要參數(shù)272.5 靜電防

3、護(hù)器材272.5.1 防靜電材料的制品272.5.2 靜電消除器（消電器、電中和器或離子平衡器）292.6 靜電防護(hù)的具體措施312.6.1 建立靜電安全工作區(qū)312.6.2 包裝、運(yùn)送和存儲工程的防靜電措施332.6.3 靜電檢測332.6.4 靜電防護(hù)的管理工作35第3章 抗靜電檢測及分析技術(shù)373.1 抗靜電檢測的作用和意義373.2 靜電放電的標(biāo)準(zhǔn)波形373.3 抗ESD檢測標(biāo)準(zhǔn)393.3.1 電子元器件靜電放電靈敏度（ESDS）檢測及分類的常用標(biāo)準(zhǔn)393.3.2 標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法的主要內(nèi)容（以MIL-STD-883E 方法3015.7為例）403.4 實(shí)際ESD檢測的結(jié)果統(tǒng)計(jì)及分析423

4、.4.1 試驗(yàn)條件423.4.2 ESD評價(jià)試驗(yàn)結(jié)果分析423.5 關(guān)于ESD檢測中經(jīng)常遇到的一些問題433.6 ESD損傷的失效定位分析技術(shù)443.6.1 端口IV特性檢測443.6.2 光學(xué)顯微觀察443.6.3 掃描電鏡分析453.6.4 液晶分析463.6.5 光輻射顯微分析技術(shù)473.6.6 分層剝離技術(shù)473.6.7 小結(jié)483.7 ESD和EOS的判別方法討論483.7.1 概念483.7.2 ESD和EOS對器件損傷的分析判別方法48第4 章 電子元器件抗ESD設(shè)計(jì)技術(shù)514.1 元器件抗ESD設(shè)計(jì)基礎(chǔ)514.1.1抗ESD過電流熱失效設(shè)計(jì)基礎(chǔ)514.1.2抗場感應(yīng)ESD失效設(shè)

5、計(jì)基礎(chǔ)524.2元器件基本抗ESD保護(hù)電路524.2.1基本抗靜電保護(hù)電路524.2.2對抗靜電保護(hù)電路的基本要求534.2.3 混合電路抗靜電保護(hù)電路的考慮544.2.4防靜電保護(hù)元器件544.3 CMOS電路ESD失效模式和機(jī)理544.4 CMOS電路ESD可靠性設(shè)計(jì)策略554.4.1 設(shè)計(jì)保護(hù)電路轉(zhuǎn)移ESD大電流。554.4.2 使輸入/輸出晶體管自身的ESD閾值達(dá)到最大。564.5 CMOS電路基本ESD保護(hù)電路的設(shè)計(jì)564.5.1 基本ESD保護(hù)電路單元564.5.2 CMOS電路基本ESD保護(hù)電路574.5.3 ESD設(shè)計(jì)的輔助工具TLP測試584.5.4 CMOS電路ESD保護(hù)設(shè)

6、計(jì)方法604.5.5 CMOS電路ESD保護(hù)電路示例614.6 工藝控制和管理63參考文獻(xiàn)：65引 言隨著電子元器件技術(shù)的發(fā)展，靜電對元器件應(yīng)用造成的危害越來越明顯。一方面，電子元器件不斷向輕、薄、短、小、高密度、多功能等方向發(fā)展，因而元器件的尺寸越來越小，尤其是微電子器件，COMS IC中亞微米柵已進(jìn)入實(shí)用化，柵條寬度達(dá)到0.18um，柵氧厚度為幾個(gè)nm或幾十個(gè)Å，柵氧的擊穿電壓小于20V。尺寸的減小，就使電子元器件對靜電變得更加敏感。而大量新發(fā)展起來的特種器件如GaAs 單片集成電路（MMIC）、新型的納米器件以及高頻聲表面波器件（SAW）等多數(shù)也都是靜電敏感元器件；另一方面，在

7、電子元器件制造和應(yīng)用環(huán)境中，作為靜電主要來源的各種高分子材料被廣泛采用，使得靜電的產(chǎn)生更加容易和廣泛。因此，必須應(yīng)用各種抗靜電放電損傷的技術(shù)，使靜電對電子元器件的危害減小到最低的程度。編寫本講義的主要目的是對電子元器件制造和應(yīng)用行業(yè)的有關(guān)技術(shù)和管理人員進(jìn)行“電子元器件抗靜電放電損傷技術(shù)”的基礎(chǔ)培訓(xùn)。本講義主要分為4個(gè)章節(jié)的內(nèi)容。第1 章“電子元器件抗ESD損傷的基礎(chǔ)知識”，介紹有關(guān)靜電和靜電放電的基本原理，以及對元器件損傷的主要機(jī)理和模式；第2章“制造過程的防靜電損傷技術(shù)”，重點(diǎn)介紹在電子元器件制造和裝配過程中，對環(huán)境和人員的靜電防護(hù)要求，以保證電子元器件在制造和裝配過程中的靜電安全；第3章“

8、抗靜電檢測及分析技術(shù)”，主要介紹對電子元器件的抗ESD水平進(jìn)行檢測的技術(shù)。包括國內(nèi)外抗ESD檢測的主要標(biāo)準(zhǔn)，檢測的模型和方法以及實(shí)際的一些檢測結(jié)果和遇到的問題；并介紹了對ESD損傷的元器件進(jìn)行失效分析的技術(shù)，包括一些常用和有效的分析技術(shù)及其適用的條件和技巧。還討論了ESD損傷和過電（EOS）損傷的幾種判別方法和技術(shù)。第4章“電子元器件抗ESD設(shè)計(jì)技術(shù)”，介紹電子元器件抗ESD損傷的設(shè)計(jì)技術(shù)，主要包括抗ESD設(shè)計(jì)的主要原則、基本保護(hù)電路和最先進(jìn)的大規(guī)模CMOS電路中保護(hù)電路的設(shè)計(jì)技術(shù)。 本講義的內(nèi)容既有通用的基本理論和知識，也收集了國內(nèi)外的相關(guān)資料和數(shù)據(jù)，還有我們自己在工作中遇到和解決的實(shí)際案例

9、、數(shù)據(jù)和圖片等。講義的內(nèi)容既有理論性，更注重實(shí)用性，希望能為從事電子元器件制造和應(yīng)用行業(yè)的有關(guān)技術(shù)和管理人員提供較為具體的技術(shù)指導(dǎo)和幫助。第1 章 電子元器件抗ESD損傷的基礎(chǔ)知識本章主要介紹有關(guān)靜電和靜電放電的基本原理，產(chǎn)生的危害以及對元器件損傷的主要機(jī)理和模式。1.1 靜電和靜電放電的定義和特點(diǎn)什么是靜電(Electrostatic，static electricity)？通俗地來說，靜電就是靜止不動(dòng)的電荷。它一般存在于物體的表面。是正負(fù)電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果。靜電是通過電子或離子轉(zhuǎn)移而形成的。靜電可由物質(zhì)的接觸和分離、靜電感應(yīng)、介質(zhì)極化和帶電微粒的附著等物理過程而產(chǎn)生。那什么是靜

10、電放電（Electrostatic Discharge，ESD）呢？處于不同靜電電位的兩個(gè)物體間的靜電電荷的轉(zhuǎn)移就是靜電放電。這種轉(zhuǎn)移的方式有多種，如接觸放電、空氣放電。一般來說，靜電只有在發(fā)生靜電放電時(shí)，才會(huì)對元器件造成傷害和損傷。如人體帶電時(shí)只有接觸金屬物體、或與他人握手時(shí)才會(huì)有電擊的感覺。對電子元器件來說，靜電放電（ESD）是廣義的過電應(yīng)力的一種。那么什么是過電應(yīng)力呢？其中的ESD又有什么特點(diǎn)？廣義的過電應(yīng)力（Electrical Over Stress，EOS）是指元器件承受的電流或電壓應(yīng)力超過其允許的最大范圍。表1.1是三種過電應(yīng)力現(xiàn)象的特點(diǎn)比較。表1.1 三種過電應(yīng)力現(xiàn)象的特點(diǎn)比較

11、閃電（Lightning）過電（EOS）靜電放電（ESD）極端的高壓極大的能量低電壓（16V）持續(xù)時(shí)間較長較低的能量高電壓（4kV）持續(xù)時(shí)間短（幾百納秒）很低的能量快速的上升時(shí)間從表中可以看到，靜電放電現(xiàn)象是過電應(yīng)力一種，但與通常所說的過電應(yīng)力相比有其自身的特點(diǎn)：首先其電壓較高，至少都有幾百伏，典型值在幾千伏，最高可達(dá)上萬伏；其次，持續(xù)時(shí)間短，多數(shù)只有幾百納秒；第三是相對于通常所說的EOS，其釋放的能量較低，典型值在幾十個(gè)到幾百個(gè)微焦耳；另外，ESD電流的上升時(shí)間很短，如常見的人體放電，其電流上升時(shí)間短于10ns。1.2 對靜電認(rèn)識的發(fā)展歷史人類對靜電放電危害的認(rèn)識也是經(jīng)歷了一段漫長的歷史，電

12、子行業(yè)認(rèn)識到ESD的危害只是最近幾十年。表1.2列出了人類尤其是電子行業(yè)對ESD認(rèn)識的發(fā)展過程，。表1.2 對ESD認(rèn)識的發(fā)展1千百年前，靜電對人類來說曾經(jīng)是非常神秘的2中國發(fā)明了火藥后，靜電對火藥制造行業(yè)不再神秘了3美國獨(dú)立戰(zhàn)爭期間，火藥是在有潮濕的泥墻和泥地的房子里制造的4現(xiàn)在，在靜電火花可能引起爆炸的行業(yè)如面粉廠、醫(yī)院的手術(shù)室都采取了特殊的防靜電措施。5在其它行業(yè)，靜電仍然是神秘6在40和50年代，在塑料和膠片制造行業(yè)，發(fā)現(xiàn)靜電問題7在50和60年代，在電子行業(yè)，出現(xiàn)靜電問題。常常發(fā)生奇怪的失效，在光學(xué)顯微鏡下看不到失效原因。失效分析的結(jié)論是原因不明8MOS晶體管的普及和IC的發(fā)展使靜電

13、問題加劇970年代，IC的幾何尺寸縮小使問題更糟10真正的突破是半導(dǎo)體領(lǐng)域掃描電子顯微鏡的應(yīng)用（70年代后期），第一次即使最小的ESD損傷也能看到111979年，EOS/ESD研討會(huì)成立，主要研究ESD問題，尋求解決方法1280年代初期，多數(shù)主要的電子制造商建立了他們的ESD組織，負(fù)責(zé)ESD問題13EOS/ESD也許是當(dāng)今電子制造行業(yè)最主要的失效機(jī)理1.3 靜電的產(chǎn)生通常物體保持電中性狀態(tài)，這是由于它所具有的正負(fù)電荷量相等的緣故。如果兩種不同材料的物件因直接接觸或靜電感應(yīng)而導(dǎo)致相互間電荷的轉(zhuǎn)移，使之存在過剩電荷，這樣就產(chǎn)生了靜電。帶有靜電電荷的物體之間或者它們與地之間有一定的電勢差，稱之為靜電

14、勢。 靜電產(chǎn)生的方式有很多，如接觸、摩擦、沖流、冷凍、電解、壓電、溫差等，但主要是兩種形式，即摩擦產(chǎn)生靜電和感應(yīng)產(chǎn)生靜電，如圖1.1所示。前者是兩種物體直接接觸后形成的，通常發(fā)生于絕緣體與絕緣體之間或者絕緣體與導(dǎo)體之間；后者則發(fā)生于帶電物體與導(dǎo)體之間，兩種物體無需直接接觸。1.3.1 摩擦產(chǎn)生靜電當(dāng)兩種具有不同的電子化學(xué)勢或費(fèi)米能級的材料相互接觸時(shí)，電子將從化學(xué)勢高的材料向化學(xué)勢低的材料轉(zhuǎn)移。當(dāng)接觸后又快速分離時(shí)，總有一部分轉(zhuǎn)移出來的電子來不及返回到它們原來所在的材料，從而使化學(xué)勢低的材料因電子過剩而帶負(fù)電，化學(xué)勢高的材料因電子不足而帶正電。對絕緣體而言，由于電子不易移動(dòng)，過剩電荷將在接觸表面

15、附近累積。顯然，這種方式產(chǎn)生的靜電荷與相互接觸的兩個(gè)物體分離的速度有關(guān)。實(shí)際上，只要兩種不同的物體接觸再分離就會(huì)有靜電產(chǎn)生。但由于摩擦產(chǎn)生的熱能為電子轉(zhuǎn)移提供了足夠的能量，因此使靜電產(chǎn)生作用大大增強(qiáng)。當(dāng)兩種物體相互摩擦的時(shí)候，接觸和分離幾乎同時(shí)進(jìn)行，是一個(gè)不斷接觸又不斷分離的過程。分離速度快、接觸面積大，使得摩擦所產(chǎn)生的靜電荷比固定接觸后再分離所產(chǎn)生的靜電荷的數(shù)量要大得多。摩擦生電主要發(fā)生在絕緣體之間，因?yàn)榻^緣體不能把所產(chǎn)生的電荷迅速分布到物體整個(gè)表面，或迅速傳給它所接觸的物體,所以能產(chǎn)生相當(dāng)高的靜電勢。表1.3是常見物體帶電順序表，從帶正電依次排列到帶負(fù)電，其中任何兩種物體摩擦?xí)r，可以按此表

16、來判斷它們帶電的極性，還可以大致估計(jì)所帶電荷的多寡程度。排在前面的材料與排在后面的材料相互摩擦?xí)r，前者帶正電，后者帶負(fù)電。同種材料與不同材料相互摩擦?xí)r所帶電荷的極性可能不同，如棉布與玻璃棍摩擦帶負(fù)電，但與硅片摩擦?xí)r帶正電。棉布與玻璃摩擦后所帶電量大于它與尼龍摩擦所帶電量。摩擦產(chǎn)生靜電的大小除了與摩擦物體本身的材料性質(zhì)有關(guān)之外，還要受到許多因素的影響，如環(huán)境的濕度、摩擦的面積、分離速度、接觸壓力、表面潔凈度等。表1.3是常見物體帶電順序表 序號材料序號材料序號材料正電荷方向 ­8羊毛16硬橡皮1空氣9絲綢17鑷、銅2人的手10鋁18黃銅、銀3兔毛11紙19聚酯人造纖維4玻璃12棉布20

17、聚乙烯5云母13鋼21聚丙烯6頭發(fā)14木材22聚氯乙烯(PVC)7尼龍15琥珀負(fù)電荷方向 ¯(a) 摩擦生電 (b) 感應(yīng)生電圖1.1 靜電產(chǎn)生的兩種形式1.3.2 感應(yīng)產(chǎn)生靜電 靜電產(chǎn)生的另一個(gè)重要來源是感應(yīng)生電。當(dāng)一個(gè)導(dǎo)體靠近帶電體時(shí)，會(huì)受到該帶電體形成的靜電場的作用，在靠近帶電體的導(dǎo)體表面感應(yīng)出異種電荷遠(yuǎn)離帶電體的表面出現(xiàn)同種電荷。盡管這時(shí)導(dǎo)體所帶凈電荷量仍為零，但出現(xiàn)了局部帶電區(qū)域。顯然，非導(dǎo)體不能通過感應(yīng)產(chǎn)生靜電。1.3.3 靜電荷靜電的實(shí)質(zhì)是存在剩余電荷。電荷是所有的有關(guān)靜電現(xiàn)象本質(zhì)方面的物理量。電位、電場、電流等有關(guān)的量都是由于電荷的存在或電荷的移動(dòng)而產(chǎn)生的物理量。在科

18、研院所、高等院校、檢測站和工礦企業(yè)等部門經(jīng)常需要測量物體的電荷量或電荷密度。表示靜電電荷量的多少用電量表示，其單位是庫侖，由于庫侖的單位太大通常用微庫或納庫1庫侖（C）16微庫（C）1微庫(C) 13納庫 (C)1.3.4 靜電勢雖然靜電電荷是表征靜電的最直接的參量，但人們又常說靜電電壓幾千伏或幾萬伏。其含義是什么呢？與那些因素有關(guān)？下面討論這個(gè)問題。前面已經(jīng)提到，帶有靜電電荷的物體之間或者它們與地之間有一定的電勢差，這就稱之為靜電勢，也叫靜電電壓。實(shí)際環(huán)境中產(chǎn)生的靜電電壓通常是指帶電體與大地之間的電位差。如果將大地作為零電位，靜電帶電體的靜電電壓顯然有正負(fù)之別，通常說靜電電壓幾千伏或幾萬伏是

19、指其絕對值。靜電帶電體與另一個(gè)物體或大地之間的電位差與哪些因素有關(guān)呢？通常把靜電帶電體與另一個(gè)物體或大地看成一個(gè)電容器。電容器的電容量C、電容器一個(gè)電極上的電荷量Q和電容器兩個(gè)極間的電位差V之間有如下關(guān)系： V= （1.1）從式1.1可以知道，靜電帶電物體的電容對其靜電勢有顯著影響。帶電物體與另一個(gè)物體或地之間的靜電電壓與它們之間的電容量成反比，即電容量越小，靜電電壓越大。靜電荷相同，靜電勢可能有數(shù)量級的差別。如將式1.1中的電容等效成平板電容器，其電容量C可表示為： C= （1.2）A為電容器面積、為兩板之間物質(zhì)的介電常數(shù)、d為兩板之間的距離。將（1.2）帶入（1.1）得： V= （1.3）

20、從（1.3）式也可以了解與靜電電壓有關(guān)的各因素。例：人體帶靜電，其靜電電壓與所帶的電荷量Q和人腳與地面的距離d成正比，與兩腳的面積A（如果人是站立的）和腳底面與地間的物質(zhì)的介電常數(shù)成反比。又例： 在桌面的聚乙烯袋的靜電勢為幾百伏，當(dāng)人將袋子提起離開桌面時(shí)，因它對地間距增大，電容減小，會(huì)使靜電勢增加到幾千伏。1.3.5 影響靜電產(chǎn)生和大小的因素靜電的產(chǎn)生及其大小與環(huán)境濕度和空氣中的離子濃度有密切的關(guān)系。在高濕度環(huán)境中由于物體表面吸附有一定數(shù)量雜質(zhì)離子的水分子，形成弱導(dǎo)電的濕氣薄層，提高了絕緣體的表面電導(dǎo)率，可將靜電荷散逸到整個(gè)材料的表面，從而使靜電勢降低。所以，在相對濕度高的場合，如海洋性氣候地

21、區(qū)(如我國的東南沿海地區(qū))或潮濕的梅雨季節(jié)，靜電勢較低。在相對濕度低的場合，如大陸性氣候地區(qū)(如我國的北方地區(qū))或干燥的冬季，靜電勢就高。與普通場所相比，在空氣純凈的場所(如超凈車間)內(nèi)，因空氣中的離子濃度低，所以靜電更加容易產(chǎn)生。表1.4是電子生產(chǎn)中產(chǎn)生的靜電勢的典型值。從中可以看到，同樣的動(dòng)作在不同的濕度下，產(chǎn)生的靜電電壓可以相差一個(gè)量級以上。表1.4 電子生產(chǎn)中產(chǎn)生的靜電勢的典型值（單位：V）事件相對濕度104050走過乙烯地毯1200050003000在工作椅上操作人員的移動(dòng)6000800400將DIP封裝的器件從塑料管中取出2000700400將印刷電路板裝進(jìn)泡沫包裝盒中210001

22、100055001.4 靜電的來源在電子制造業(yè)中，靜電的來源是多方面的，如人體、塑料制品、有關(guān)的儀器設(shè)備以及電子元器件本身。1.4.1 人體靜電人體是最重要的靜電源，這主要有三個(gè)方面的原因。其一，人體接觸面廣，活動(dòng)范圍大，很容易與帶有靜電荷的物體接觸或摩擦而帶電，同時(shí)也有許多機(jī)會(huì)將人體自身所帶的電荷轉(zhuǎn)移到器件上或者通過器件放電。其二，人體與大地之間的電容低，約為50一250pF，典型值為150PF，故少量的人體靜電荷即可導(dǎo)致很高的靜電勢。其三，人體的電阻較低，相當(dāng)于良導(dǎo)體，如手到腳之間的電阻只有幾百歐姆，手指產(chǎn)生的接觸電阻為幾千至幾十千歐姆，故人體處于靜電場中也容易感應(yīng)起電，而且人體某一部分帶

23、電即可造成全身帶電。影響人體靜電的因素十分復(fù)雜，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1) 人體靜電與人體所接觸的環(huán)境以及活動(dòng)方式有關(guān)表1.4列出了在幾種活動(dòng)中人體的靜電勢，圖1.2則給出了操作人員在做不同的動(dòng)作時(shí)手上靜電勢的變化曲線。圖1.2 操作者手上的靜電(2) 人體靜電與環(huán)境濕度有關(guān)，濕度越低則靜電勢越高。從表1.4可以清楚地看到這一點(diǎn)。(3) 人體靜電與所著衣物和鞋帽的材料有關(guān)，化纖和塑料制品較之棉制品更容易產(chǎn)生靜電。工作服和內(nèi)衣摩擦?xí)r產(chǎn)生的靜電是人體靜電的主要起因之一，表1.5列出了質(zhì)地不同的工作服和內(nèi)衣摩擦?xí)r人體所帶的靜電勢。表1.5 質(zhì)地不同的工作服和內(nèi)衣摩擦?xí)r人體的靜電勢（kV）(4)

24、人體靜電與個(gè)體人的體質(zhì)有關(guān)，主要表現(xiàn)在人體等效電容與等效電阻上。人體電容越小，則因摩擦而帶電越容易，帶電電壓越高，人體電阻越小，則因感應(yīng)帶電越容易。人體電容與所穿戴的衣服和鞋的材料以及周圍所接觸的環(huán)境(特別是地板)有關(guān)，人體電阻則與皮膚表面水分、鹽和油脂的含量、皮膚接觸面積和壓力等因素有關(guān)。由于人體電容的60是腳底對地電容，而電容量正比于人體與地之間的接觸面積，所以單腳站立的人體靜電勢遠(yuǎn)大于雙腳站立的人體靜電勢。 (5)人體靜電與人的操作速度有關(guān)，操作速度越快，人體靜電勢越高。由圖1.2可以看出這一點(diǎn)。(6) 人體各部位所帶的靜電電荷不是均等的，一般認(rèn)為手腕側(cè)的靜電勢最高。1.4.2 儀器和設(shè)

25、備的靜電儀器和設(shè)備也會(huì)由于摩擦或靜電感應(yīng)而帶上靜電。如傳輸帶在傳動(dòng)過程中由于與轉(zhuǎn)軸的接觸和分離產(chǎn)生的靜電，或是接地不良的儀器金屬外殼在電場中感應(yīng)產(chǎn)生靜電等。儀器設(shè)備帶電后，與元器件接觸也會(huì)產(chǎn)生靜電放電，并造成靜電損傷。1.4.3 器件本身的靜電電子元器件的外殼(主要指陶瓷、玻璃和塑料封裝管殼)與絕緣材料相互摩擦，也會(huì)產(chǎn)生靜電。器件外殼產(chǎn)生靜電后，會(huì)通過某一接地的管腳或外接引線釋放靜電，也會(huì)對器件造成靜電損傷。1.4.4 其它靜電來源除上述三種靜電來源外，在電子元器件的制造、安裝、傳遞、運(yùn)輸、試驗(yàn)、儲存、測量和調(diào)試等過程中，會(huì)遇到各種各樣的由絕緣材料制成的物品，如表1.6所列。這些物品相互摩擦或

26、與人體摩擦都會(huì)產(chǎn)生很高的靜電勢。表1.6 電子元器件操作環(huán)境的其它靜電源1.5 靜電放電的三種模式靜電對電子產(chǎn)品的損害有多種形式，其中最常見、危害最大的是靜電放電（ESD）。帶靜電的物體與元器件有電接觸時(shí)，靜電會(huì)轉(zhuǎn)移到元器件上或通過元器件放電；或者元器件本身帶電，通過其它物體放電。這兩種過程都可能損傷元器件，損傷的程度與靜電放電的模式有關(guān)。實(shí)際過程中靜電的來源有很多，放電的形式也有多種。但通過對靜電的主要來源以及實(shí)際發(fā)生的靜電放電過程的研究認(rèn)為，對元器件造成損傷的主要是三種模式，即帶電人體的靜電放電模式、帶電機(jī)器的放電模式和充電器件的放電模式。圖1.3和1.4分別是人體放電和充電器件放電的實(shí)例

27、圖。1.5.1 帶電人體的放電模式(HBM)由于人體會(huì)與各種物體間發(fā)生接觸和磨擦，又與元器件接觸，所以人體易帶靜電，也容易對元器件造成靜電損傷。普遍認(rèn)為大部分元器件靜電損傷是由人體靜電造成的。帶靜電的人體可以等效為圖1.5的等效電路，這個(gè)等效電路又稱人體靜電放電模型（Human Body Model）。其中，Vp帶靜電的人體與地的電位差，Cp帶靜電的人體與地之間的電容量，一般為50-250pF；Rp人體與被放電體之間的電阻值，一般為102-105。 圖1.3 人體放電實(shí)例 圖1.4 充電器件放電實(shí)例CMVMRPCPVP圖1.5 帶電人體的靜電放電模型 圖1.6帶電機(jī)器的放電模型人體與被放電體之

28、間的放電有兩種。即接觸放電和電弧放電。接觸放電時(shí)人體與被放電之間的電阻值是個(gè)恒定值。電弧放電是在人體與被放電體之間有一定距離時(shí)，它們之間空間的電場強(qiáng)度大于其介質(zhì)（如空氣）的介電強(qiáng)度，介質(zhì)電離產(chǎn)生電弧放電，暗場中可見弧光。電弧放電的特點(diǎn)是在放電的初始階段，因?yàn)榭諝馐遣涣紝?dǎo)體，放電通道的阻抗較高，放電電流較?。浑S著放電的進(jìn)行，通道溫度升高，引起局部電離，通道阻抗逐漸降低，電流增大，直至達(dá)到一個(gè)峰值；然后，隨著人體靜電能量的釋放，電流逐漸減少，直至電弧消失。 1.5.2 帶電機(jī)器的放電模式（MM）機(jī)器因?yàn)槟Σ粱蚋袘?yīng)也會(huì)帶電。帶電機(jī)器通過電子元器件放電也會(huì)造成損傷。機(jī)器放電的模型（Machine Mo

29、del）如圖1.6所示。與人體模式相比，機(jī)器沒有電阻，電容則相對要大。1.5.3 充電器件的放電模型在元器件裝配、傳遞、試驗(yàn)、測試、運(yùn)輸和儲存的過程中由于殼體與其它材料磨擦，殼體會(huì)帶靜電。一旦元器件引出腿接地時(shí)，殼體將通過芯體和引出腿對地放電。這種形式的放電可用所謂帶電器件模型(Charged-Device Model，CDM)來描述。下面以雙極型和MOS型半導(dǎo)體器件為例給出靜電放電的等效電路。雙極型器件的CDM等效電路如圖1.7(a)所示，Cd為器件與周圍物體及地之間的電容，Ld為器件導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的等效電感，Rd為芯片上放電電流通路的等效電阻。串聯(lián)著的Rd、Cd和Ld等效于帶電器件。開關(guān)S合上表

30、示器件與地的放電接觸，接觸電阻為Rc。 (a) (b)圖1.7 帶電器件的靜電放電模型（a） 雙極型器件 （b）MOS器件 MOS器件的CDM等效電路如圖1.7(b)所示。由于MOS器件各個(gè)管腿的放電時(shí)間長短相差很大，所以要用不同的放電通路來模擬，每條放電通路都用其等效電容、電阻和電感來表示。當(dāng)開關(guān)S閉合而且有任一個(gè)管腿接地時(shí)，各通路存儲的電荷將要放電。若在放電過程中，各個(gè)通路的放電特性不同，就會(huì)引起相互間的電勢差。這一電勢差也會(huì)造成器件的損壞，如柵介質(zhì)擊穿等。器件放電等效電容Cd的大小和器件與周圍物體之間的位置及取向有關(guān)，表1.7給出了雙列直插封裝器件在不同取向時(shí)的等效電容值，可見管殼的取向

31、不同，電容可相差十幾倍，因而其靜電放電閾值可以有顯著差別。表1.7 雙列直插封裝器件在不同取向時(shí)的電容值(pF)1.6 靜電放電失效1.6.1 失效模式電子元器件由靜電放電引發(fā)的失效可分為突發(fā)性失效和潛在性失效兩種模式。突發(fā)性失效是指元器件受到靜電放電損傷后，突然完全喪失其規(guī)定的功能，主要表現(xiàn)為開路、短路或參數(shù)嚴(yán)重漂移，具體模式如：雙極型器件的射一基間短路，場效應(yīng)器件的柵一源間或柵一漏間短路或開路，集成電路的金屬化互連或鍵合引線的熔斷，多晶硅電阻開路， MOS電容介質(zhì)擊穿短路等。潛在性失效是指靜電放電能量較低，僅在元器件內(nèi)部造成輕微損傷，放電后器件電參數(shù)仍然合格或略有變化，但器件的抗過電應(yīng)力能

32、力已經(jīng)明顯削弱，或者使用壽命已明顯縮短，再受到工作應(yīng)力或經(jīng)過一段時(shí)間工作后將進(jìn)一步退化，直至造成徹底失效。 在使用環(huán)境中出現(xiàn)的靜電放電失效大多數(shù)為潛在失效。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在由靜電放電造成的使用失效中，潛在性失效約占90，而突發(fā)性失效僅占10。而且，潛在性失效比突發(fā)性失效具有更大的危險(xiǎn)性，這一方面是因?yàn)闈撛谑щy以檢測、而器件在制造和裝配過程中受到的潛在靜電損傷會(huì)影響它裝入整機(jī)后的使用壽命；另一方面，靜電損傷具有積累性，即使一次靜電放電未能使器件失效，多次靜電損傷累積起來最終必然使之完全失效。1.6.2 失效機(jī)理 靜電放電失效機(jī)理可分為過電壓場致失效和過電流熱致失效。過電壓場致失效多發(fā)生于MOS器件，

33、包括含有MOS電容或鉭電容的雙極型電路和混合電路；過電流熱致失效則多發(fā)生于雙極器件，包括輸入用pn結(jié)二極管保護(hù)的MOS電路、肖持基二極管以及含有雙極器件的混合電路。實(shí)際元器件發(fā)生哪種失效，取決于靜電放電回路的絕緣程度。如果放電回路阻抗較低，絕緣性差，元器件往往會(huì)因放電期間產(chǎn)生強(qiáng)電流脈沖導(dǎo)致高溫?fù)p傷，這屬于過電流損傷。如果放電回路阻抗較高，絕緣性好，則元器件會(huì)因接受了高電荷而產(chǎn)生高電壓，導(dǎo)致強(qiáng)電場損傷，這屬于過電壓損傷。(1) 過電壓場致失效過電壓場致失效是指高阻抗的靜電放電回路中，絕緣介質(zhì)兩端的電極因接受了高靜電放電電荷而呈現(xiàn)高電壓，有可能使電極之間的電場超過其介質(zhì)臨界擊穿電場，使電極之間的介

34、質(zhì)發(fā)生擊穿失效。高靜電電荷和高電壓的來源既可以是靜電源直接接觸放電、也可以是由于場感應(yīng)而產(chǎn)生的。影響過壓失效的主要因素是累積的靜電電荷量和高電壓。 對于MOS器件(包括MOS電容)和固體鉭電容，電極間介質(zhì)的電場超過其擊穿臨界電場(對于SiO2，臨界場強(qiáng)為(7-10)×106Vcm)時(shí)，介質(zhì)層就會(huì)發(fā)生擊穿而使MOS器件的柵一源或柵一漏之間或電容的電極之間短路。計(jì)算表明，當(dāng)人體電容為100pF、放電電阻為200時(shí)，作為靜電放電源的人體的靜電勢，只要有1100V就可使62.5nm厚度的氧化層被破壞。氧化層越薄或者氧化層電場越強(qiáng)，則越容易出現(xiàn)這種失效，所以具有強(qiáng)氧化層電場的VMOS功率器件以

35、及具有更薄的柵氧化層的VLSl MOS電路（柵氧厚度已達(dá)幾個(gè)nm），比常規(guī)M0S器件更容易受到過電壓損傷。無論是MOS器件或電容，當(dāng)介質(zhì)層有針孔或缺陷時(shí)，擊穿將首先在針孔或缺陷處發(fā)生。而對MOS器件來說，柵介質(zhì)擊穿常常發(fā)生在柵一漏或柵一漏交接處，因該處不僅電場集中，而且作為薄厚氧化層交接的臺階所在，應(yīng)力也集中，故介質(zhì)擊穿強(qiáng)度較低。如果靜電放電能量不足以造成器件的永久性損壞，即擊穿后器件性能有可能恢復(fù)，但已引入潛在缺陷，繼續(xù)使用會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)低電壓擊穿和漏電增加，不久即會(huì)出現(xiàn)致命失效。對于CMOS硅柵器件，靜電放電造成的潛在損傷會(huì)使n溝道器件出現(xiàn)柵一源管道漏電，使p溝道器件柵一源間呈現(xiàn)二極管特性，對

36、電路的正常工作造成不良影響，如圖1.8所示。圖1.8 CMOS硅柵器件的柵一源管道漏電 對于雙極型器件，過電壓場致?lián)p傷沒有MOS器件那樣顯著，靜電放電常常在pn結(jié)擴(kuò)散窗口邊緣處的表面附近形成電場，形成局部損傷使pn結(jié)反向電流增大。在集成電路中，如果鍵合引線與芯片的電源線之間距離太近，或者相鄰鋁條之間的距離很近，則當(dāng)靜電導(dǎo)致它們之間的電壓超過空氣擊穿電壓時(shí)，就有可能發(fā)生氣體電弧放電，形成電火花，導(dǎo)致鋁條或金屬引線的熔化、結(jié)球或流動(dòng)。在具有高密度和細(xì)間距金屬化互連的超大規(guī)模集成電路、具有梳狀電極的超高頻晶體管以及具有小間距薄層電極的聲表面波器件中，容易發(fā)生這種失效。 （2）過電流熱致失效過電流熱致失效是由于較低阻抗的放電回路中，由于靜電放電電流過大使局部區(qū)域溫升超過材料的熔點(diǎn)，導(dǎo)致材料發(fā)生局部熔融使元器件失效。影響過流失效的主要因素是功率密度。 靜電放電形成的是短時(shí)大電流，放電脈沖的時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)小于器件散熱的時(shí)間常數(shù)。因此，當(dāng)靜電放電電流通過面積很小的pn結(jié)或肖特基結(jié)時(shí)，將產(chǎn)生很大的瞬間功率密度，形成局部過熱，有可能使局部