ESD故障模式分析

1、 靜電如何形成 靜電是史載最早發(fā)現(xiàn)的一種電 靜電其實是自從有人類以來，就影響著人類的生活 西元前 640年， 希臘哲學家 THACES 把琥珀(Amber)摩擦後發(fā)現(xiàn)可以吸附毛髮，而開始知道靜電的存在 靜電的形成 導 體 具有可移動的電子或價電子 (Valence Electrons) 在原子結(jié)構(gòu)的最外層，亦即受原子核 (Nuclei) 的束縛最小，當受到外來電場的吸引而移動 (產(chǎn)生電流) ，此類物質(zhì)稱為導體 絕緣體 缺乏上述可移動的電子或價電子的物質(zhì)，稱為絕緣體2 IPQC ESD 訓練教材(二)1 以物體抗靜導電性來區(qū)分材質(zhì) 導電性 (Conductive)材質(zhì): 表面店電阻係數(shù)在 105

2、/square 以下 靜電衰減性(Static Dissipative)材質(zhì):表面電阻係數(shù)介於105 1012 /square 抗靜電性(Anti-Static)材質(zhì):表面電阻係數(shù)介於109 1012 /square 絕緣體(Insulator)材質(zhì):表面電阻係數(shù)介於 1012 /square以上 摩擦生電3 7P+ 7P+ 7P+ 7P+e -e -e -e -e -e -e -平衡原子 1e -平衡原子 2帶負電原子 帶正電原子e -e -e -e -e -e -e -摩擦e -e -e -e -e -e -e -e -e -e -e -e -e -IPQC ESD 訓練教材(二)2 半導

3、體產(chǎn)品抗靜電能力 抗靜電能力之量測(Human Body Model) 依 MIL-STD-883，Method 3015， 測試線路圖 ： 1. Input (A) , Common (B) 2. Output (B) , Common (A)3. Input (A) , Output (B) 4. V+ (A) , Common (B)5. V+ (B) , Common (A)8IPQC ESD 訓練教材(二)3各類半導體材料抗靜電能力之比較(NEPCON/ WEST Report)晶片種類 靜電破壞電壓(Volts)MOSFET 100200EPROM 100JFET 1407,000

4、Op-Amp 1902,500CMOS 2503,000SCHOTTKY DIODE 3002,500 TTL 3002,500Bipolar Transistor 3807,000ECL 500SCR 68010,000 9IPQC ESD 訓練教材(二)411 ESD 對人體會造成傷害嗎？ 家中的110V、240V常常因為使用不慎造成傷亡，那動輒幾之ESD呢？是否會對人體造成傷害呢？ 造成肌肉或心臟麻痺主要的是電流，尤其是交流電流。 電流對人體傷害分析表 (MIL-STD-454) 。 電 流 大 (毫安培 、mA) AC (60Hz) DC 結(jié) 果 0-1 0-1 有知覺 1-4 4-1

5、5 感到驚訝 4-21 15-80 有反射動作 21-40 80-160 肌肉麻痺 40-100 160-300 休克 100 以上 300 以上 立即死亡IPQC ESD 訓練教材(二)512 ESD 的影響品質(zhì)方式 1. 人體放電模式(Human Body Model , HBM) 顧名思義知道此為借由人體於走動摩擦產(chǎn)生靜電，而影響 到元件的模式人 體元 件( HBM )-IPQC ESD 訓練教材(二)6C.N. Tsai, 99/01/1113 2. 電場感應模式(Field Induced Model , FIM) 指由於外來電場感應產(chǎn)生電荷，巧遇機緣而將電荷引導接 地引起的模式 3

6、. 充電元件模式(Charged Device Mode,CDM) 上述FIM模式中當元件被移離開電場或接地時，就變成 CDM模式 元 件外在電場感應電荷接地造成ESD放電 (FIM)(Field)E(Grounded)元 件接地消失移離電場(CDM)(Field)IPQC ESD 訓練教材(二)714 元件被ESD 破壞之原因及型態(tài) ESD破壞之原因：1. 功率產(chǎn)生：如熱崩潰、 金屬被熔融2. 電壓產(chǎn)生：如介電質(zhì)崩潰、表面崩潰3. 潛在性故障：如功能劣化、降級IPQC ESD 訓練教材(二)815 ESD破壞之型態(tài)1. 接面崩熔（Junction Burnout） 過大的電流通過接面時，產(chǎn)生

7、極大的熱量，使得接面崩熔。此種破壞是屬於接面短路，並有二個特性A.即使ESD的能量未能打穿接面（Junction Burnout），也能造成元件的失效B. 正向偏壓的ESD破壞能量是負向偏壓的515倍2. 氧化層貫穿針引線（Oxide Punch Through）通常在金屬氧化層半導體（MOS）上可以發(fā)現(xiàn)此類型之破壞，這是由於外加的靜電壓超過了氧化層的崩潰電壓所致。其現(xiàn)象亦是短路。EBCEBCIPQC ESD 訓練教材(二)916 3. 金屬層崩熔（Metalization Burnout） 由於過大的電流流經(jīng)金屬層，並在較脆弱的地方產(chǎn)生，由於此種破經(jīng)常是伴隨著接面短路或是氧化層短路之後發(fā)生故

8、屬於所謂的二次崩潰（Secondary Breakdown）。而其現(xiàn)象為斷路。IPQC ESD 訓練教材(二)1017 靜電的累積破壞 負傷而行 接面崩熔（Walking Wounded） 許多實驗證實靜電能使半導體負傷，但不玫立即完全破壞其功能，而且有多數(shù)這些負傷而行的元件都能通過測試直到這些元件送到客戶之後，隨時會從負傷而行變成完全失效。下面是一ESD累積破壞的試驗：應用前述HBM接線方式（僅略去人體的電阻R2=1.5K）來量測54S163IC試驗條件：試驗結(jié)果：材料：54s163測試前I=2.883APASS人體電容：100pf第一次I=2.883A PASS每次放電：50V第二次I=2

9、.890A PASS 放電次數(shù)：5次第三次I=2.890A PASS 測試點：Vin=Pin2 (A)第四次I=1.872mA FAIL GND=Pin8 (B)第五次I=2.147mA FAILIPQC ESD 訓練教材(二)1118 ESD破壞分析 找出PCB上之故障元件 對故障元件進行基本電性量測 功能測試 參數(shù)測試 X-ray做表層分析 去封膠（Decapsulate）檢視內(nèi)部 去除各層（玻璃層、鋁層）層層檢視幾種遭ESD破壞案例參考IPQC ESD 訓練教材(二)1219去 鋁 層 之 後 的 接 合 窗接合窗放大10,000之後可見貫穿現(xiàn)象A金屬接合窗橫 切 面 放 大 (2,00

10、0)橫 切 面 放 大 (10,000)IPQC ESD 訓練教材(二)1320 靜電防護 晶片設(shè)計的靜電防護(治本方法)本方法乃是靜電防護最好的辦法，但在設(shè)計半導體的抗靜電電路時，必須考慮到電路產(chǎn)生熱的影響、反應時間、 最大電壓、 能量傳導、 寄生電容等等因子，故並非隨心所欲可以辦到。因此靜電防護仍必須靠一些治標的方法。 靜電防護的基本原則 1. 避免靜電產(chǎn)生 2. 疏導或中和所產(chǎn)生之靜電 3. 摒蔽靜電場逐一介紹說明如下：IPQC ESD 訓練教材(二)1421 1. 避免靜電產(chǎn)生 (A) 潮溼法(Moisturing)水氣本身會有導電現(xiàn)象，故可降低絕綠體表面電阻，達到靜電防護目的 (B)

11、 抗靜電塗佈法(Anti-Static Coating) 有部份溶液可噴灑於綠體青面降低物體表面電阻，達到靜電防護的目的。但此種塗層，日久會脫落而漸漸失去其效果，故必須考慮其有效期。 (C) 內(nèi)部靜電劑法(Imbeded Anfi-Static Agent) 這是在材料中加入具有導電性或吸溼性的物質(zhì)，使其外層具有輕微導電性。此方法可以不必考慮有效期，但成本較高。 2. 疏導或中和靜電法 (A) 疏導法(Bleed-Off) 典型的疏導法就是配帶靜電環(huán)(Wrist Strap)，是將人體產(chǎn)生之靜電電荷，藉由導線將所產(chǎn)生之電荷傳導出去。通常靜電環(huán)中會接一1M之接地電阻，以保護人員工作之安全。IPQ

12、C ESD 訓練教材(二)1522 (B) 中和法(Neutralization)利用靜電消除器(Ionizer)來釋出正、負離子以中和消除靜電效應。目前常用的靜電消除器有下列幾種：a. 放射性靜電消除器 使用放射性物質(zhì)釙或元素之輻射能來撞擊空氣使之分裂成等量的正、負離子。使用此Ionizer必須加防護結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是不需電源容易裝置，具有防炸功能；缺點是使用壽命短(每年更換)，必須離使用遇火警時極危險。 b. 高壓靜電效應消除器 利用針點高壓(5KV左右)尖端放電來電離空氣分子。此種裝置具有高效率及高安全性之特點，所產(chǎn)生之電流僅幾微安培(A)，不會產(chǎn)生電擊。 c. 感應靜電效應消除器 這是利用

13、帶電物質(zhì)之高電壓(對接地點)來電離空氣離子 IPQC ESD 訓練教材(二)1623 3. 摒蔽靜電場（Field Shielding） 此種方法乃利用Farady Cage 之原理使靜電場被摒蔽在容器之外圍。左圖是5KV電場下各種容器內(nèi)測得的靜電場，右圖是一摒蔽電場之模型電場無法貫穿僅分佈表面電 壓 (kv)時間 (秒)01.02.03.01.02.03.0導電袋防靜電袋一般PE袋金 屬 容 器IPQC ESD 訓練教材(二)1724 各類常用靜電防護材料 1. 靜電環(huán) 由伸縮拉環(huán)，內(nèi)含1Mega 10%電阻之導線及接頭所構(gòu)成。 配帶靜電環(huán)時必須注意到：(a)靜電環(huán)必須與手緊密接觸， 不可鬆

14、脫或套於衣袖上(b)與接地之間必須保持1M 10%之電阻(c)接頭必須固定妥當， 當接頭未接地妥當時，不得碰觸材料2.抗靜電材料(袋、管、管塞、盒等) 在材料上塗佈抗靜電液，使材料不會產(chǎn)生靜電荷，或僅產(chǎn)生微量的靜電荷(通常在100V以下)。此類材料表面電阻要求在1012/square以下，靜電消散時間2sec。使用此材料應：(a)此材料僅能防止本身產(chǎn)生靜電，而卻無法防止靜電場破壞(b)表面塗層必須考慮其有效期(c)一般工業(yè)界會將此類產(chǎn)品製成粉紅色IPQC ESD 訓練教材(二)1825 3. 靜電遮蔽材料(袋、管、管塞、盒等) 此種材料一般含有二或三層，上下(或外)層是抗張力強的抗靜電化學合成物質(zhì)(R1012/square，靜電消散時間2sec) ，中間(或內(nèi))層是一層薄薄的金屬箔(105 R 109 /square)。使用時需注意：(a) 避免使用尖銳物品刮壞金屬層(b)封閉的導電袋或容器才有完全之保護4.靜電消除器 利用儀器所產(chǎn)生的大量離子，將絕緣體表面的靜電予以中和。使用靜電消除器必須注意：(a)靜電消除器必須在工作範圍45呎內(nèi)方為有效區(qū)域(b)靜電消除器必須定期清理所積聚之灰塵，至少3個月內(nèi)清理一次(c)靜電消除器必須定期檢查