1、第8章靜電放電損傷及防護(hù)主講：張素娟 電話：823164468.1靜電的產(chǎn)生工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所靜電放電損傷及防護(hù)第8章8.2 靜電源8.3 靜電放電(ESD)的放電模型8.4 半導(dǎo)體器件對(duì)靜電放電的敏感度8.5 靜電放電損傷的特點(diǎn)、失效模式和失效機(jī)理8.6 靜電防護(hù)工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.1靜電的產(chǎn)生v 靜電是指物體所帶電荷處于靜止或緩慢變化的相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。特點(diǎn)是高電位小電量。v 物體摩擦帶電絕緣體之間v 固體感應(yīng)帶電導(dǎo)體之間摩擦帶電出現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移，v 與材料、摩擦、分離的速度、接觸面積、接觸壓力、環(huán)境條件等有關(guān)v 電荷產(chǎn)生的速度；摩擦起電的相對(duì)位置；接觸緊密程度；摩擦系數(shù)

2、；分離速度；v 放電速度：材料的電導(dǎo)率；相對(duì)濕度；表面水汽分布；再接觸的速度感應(yīng)帶靜電v 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(chǎng)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。工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.1靜電的產(chǎn)生一些ESD實(shí)例：閃電在干燥天氣時(shí)，你觸摸另一個(gè)人產(chǎn)生的電擊感覺在鋪有地毯的地板上行走后，手接觸金屬門把手產(chǎn)生的電擊。v 人體靜電表1活動(dòng)人體身上的典型靜電電壓工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.2 、靜電源人體活動(dòng)靜電電壓(V)相對(duì)濕度1020%相對(duì)濕度6590%在合成纖維地毯上走動(dòng)35,0001,500在聚乙烯地板上走動(dòng)12,00025

3、0在工作臺(tái)上操作6,000100翻動(dòng)說明書的乙烯樹脂封面7,000600從工作臺(tái)拾起普通聚乙烯袋20,0001,200坐在聚氨酯泡沫材料的工作椅上18,0001,500在塑料工作臺(tái)上滑動(dòng)塑料盒18,0001,500從印制電路板上拉下膠帶12,0001,500用氟里昂噴灑清洗電路或電路板15,0005,000工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.2 靜電源塵埃是懸浮在空氣中的、并且是移動(dòng)的多電荷粒子，對(duì)任何靜電場(chǎng)都會(huì)起反應(yīng)。在芯片的制造工序中，因塵埃靜電受到影響的工序主要集中在：光刻（刻蝕）、外延和氧化工序等幾個(gè)工序中。儀器和設(shè)備的靜電，如摩擦或靜電感應(yīng)而帶上靜電，而儀器接地不良器件本身的靜電，如外

4、殼與絕緣材料相互摩擦，產(chǎn)生靜電 元器件受到而ESD造成的失效是一種常見的失效模式 工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.3 靜電放電(ESD)的損傷模型 隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，集成度和工作頻率迅速提高，芯片幾何尺寸和線寬越來越小，而管腳位卻越來越多, 這使得IC更加容易受ESD問題的影響. 新特種器件多屬于靜電敏感器件(功率MOS、微波場(chǎng)效應(yīng)) 在其壽命周期內(nèi)，遭受ESD的機(jī)會(huì)很多，損傷往往是潛在的 工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所 8.3 靜電放電(ESD)的損傷模型 人體靜電放電模型(HBM)(human body model)帶電器件模型(CDM) (charge devicemodel)

5、機(jī)器放電模型MM (Machine Model)電場(chǎng)感應(yīng)模型(FIM) (fieldinduced model)帶電芯片模型(CCM) (charged chipmodel)工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.3 靜電放電(ESD)的損傷模型帶電人體放電模型(HBM)：MIL-STD-883方法3015、MIL-STD-750方法3015、GJB548方法3015、GJB128方法3015、JESD22-A114F等；帶電機(jī)器放電模型（MM）：JESD22-A115-A、EIAJ-IC-121方法20；帶電器件放電模型（CDM）：JESD22-C101D；電場(chǎng)感應(yīng)放電模型(FIM)：JESD22

6、-C101。工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所人體放電模式（HBM）v 人體放電模式(HBM)的ESD是指因人體在地上走動(dòng)磨擦或其它因素在人體上已累積了靜電，當(dāng)此人去碰觸到IC 時(shí)，人體上的靜電便會(huì)經(jīng)由IC的腳(pin)而進(jìn)入IC內(nèi)，再經(jīng)由IC放電到地去，v 此放電的過程會(huì)在短到幾百毫微秒(ns)的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生數(shù)安培的瞬間放電電流，此電流會(huì)把IC內(nèi)的組件給燒毀。v 不同HBM 靜電電壓相對(duì)產(chǎn)生的瞬間放電電流與時(shí)間的關(guān)系如圖。v 對(duì)一般商用IC 的2-KV ESD 放電電壓而言，其瞬間放電電流的尖峰值大約是1.33 安培。工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所HBM模型的等效電路當(dāng)開關(guān)S接至A時(shí)，相當(dāng)于人體因

7、某種原因而帶靜電，當(dāng)S接至B時(shí)，模擬人體向被試器件放電工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所機(jī)器放電模式 （MM） 機(jī)器放電模式的ESD 是指機(jī)器(例如機(jī)械手臂)本身累積了靜電，當(dāng)此機(jī)器去碰觸到IC 時(shí)，該靜電便經(jīng)由IC 的pin 放電。測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)JESD22-A115-AEIAJ-IC-121方法20工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所機(jī)器放電模式 （MM） 因?yàn)榇蠖鄶?shù)機(jī)器都是用金屬制造的，其機(jī)器放電模式的等效電阻為0，但其等效電容定為200pF。由于機(jī)器放電模式的等效電阻為0，故其放電的過程更短，在幾毫微秒到幾十毫微秒之內(nèi)會(huì)有數(shù)安培的瞬間放電電流產(chǎn)生。有關(guān)2KV HBM 與200V MM 的放電電流比較，

8、如圖。雖然HBM 的電壓2KV 比MM 的電壓200V 來得大，但是200VMM 的放電電流卻比2KV HBM 的放電電流來得大很多，因此機(jī)器放電模式對(duì)IC的破壞力更大。在圖中，該200V MM 的放電電流波形有上下振動(dòng)(Ring)的情形，是因?yàn)闇y(cè)試機(jī)臺(tái)導(dǎo)線的雜散等效電感與電容互相耦合而引起的。帶電器件 模型(CDM)工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所v 此放電模式是指IC先因磨擦或其它因素而在IC內(nèi)部累積了靜電，但在靜電累積的過程中IC并未被損傷。此帶有靜電的IC在處理過程中，當(dāng)其pin去碰觸到接地面時(shí)，IC內(nèi)部的靜電便會(huì)經(jīng)由pin自IC內(nèi)部流出來，而造成了放電的現(xiàn)象。v 此種模式的放電時(shí)間更短

9、，僅約幾毫微秒之內(nèi)，而且放電現(xiàn)象更難以真實(shí)的被模擬。因?yàn)镮C內(nèi)部累積的靜電會(huì)因IC組件本身對(duì)地的等效電容而變，IC擺放的角度與位置以及IC 所用的包裝型式都會(huì)造成不同的等效電容。管腳與地接觸，形成放電通路 帶電器件模型 (CDM) 工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所IC 自IC 管中滑出后，IC 腳朝上，但經(jīng)由接地的金屬工具 而放電。 IC 自IC 管中滑出后，帶電的IC 腳接觸接到地面而形成放電現(xiàn)象。 帶電器件模型 (CDM) 工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所IC 在名種角度擺放下的等效電容值顯示于圖中，此電容值會(huì)導(dǎo)致不同的靜電電量累積于IC 內(nèi)部。 IC 在各種角度下的等效雜散電容值 CDM模型

10、的等效電路 工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所管腳與地接觸，形成放電通路帶電器件模型(CDM)工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所有關(guān)2KVHBM, 200V MM, 與1KV CDM 的放電電流比較.其中，該1KVCDM 的放電電流在不到1ns的時(shí)間內(nèi)， 便已沖到約15 安 培 的 尖 峰值，但其放電的總時(shí)段約在10ns 的時(shí)間內(nèi)便結(jié)束。此種放電現(xiàn)象更易造成集成電路的損傷。工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所電場(chǎng)感應(yīng)模式(Field-Induced Model, FIM)當(dāng)器件處于靜電場(chǎng)環(huán)境中時(shí)，在器件內(nèi)部將感應(yīng)出電位差，從而引起器件ESD失效，這就是電場(chǎng)感應(yīng)模型(FIM)。一般情況，靜電場(chǎng)感應(yīng)出來的電位差

11、不致使器件失效，但由于器件管腳相當(dāng)于接收天線，它引起與管腳相連導(dǎo)電部分的電場(chǎng)發(fā)生畸變，導(dǎo)致SiO2內(nèi)場(chǎng)增加，有可能引起MOS器件的柵氧化物被擊穿。例如， 一個(gè)MOS器件放入6000V/cm的靜電場(chǎng)中，就可能引起柵擊穿失效。工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.4 靜電敏感度半導(dǎo)體器件對(duì)ESD的敏感度，實(shí)質(zhì)上就是器件抗靜電應(yīng)力的度量，以失效閾值電壓來標(biāo)定。失效閾值電壓：器件所能抗受的最大靜電電壓。器件的抗靜電應(yīng)力的能力，是由器件的種類、輸入端靜電保護(hù)的形式、版圖設(shè)計(jì)、制造工藝等決定的。工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所HBM模型v MIL-STD-883 JESD22-A114F級(jí)別 靜電敏感電壓范圍

12、0級(jí) 250V1A級(jí) 250V499V1B級(jí) 500V999V1C級(jí) 1000V1999V2級(jí) 2000V3999V3A級(jí) 4000V7999V3B級(jí) 8000V機(jī)器放電模式(MM)的耐壓能力等級(jí)分類 EIAJ-IC-121 方法 20工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所機(jī)器放電模式 （MM） 等級(jí)電壓值M00to50VM150 to100VM2100 to200VM3200 to400VM4400 to800V工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所靜電敏感元器件標(biāo)志 工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.5靜電放電損傷的特點(diǎn)、失效模式和失效機(jī)理8.5.1靜電放電損傷的特點(diǎn)v 隱蔽性v 失效分析的復(fù)雜性v 損傷

13、具有潛在性v 損傷的隨機(jī)性工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.5.1 ESD的損傷特點(diǎn)v 器件在200V的低電壓下也能受到損壞v 我們能感覺到的ESD電壓3000V，v 我們能聽到的ESD電壓6000V，v 我們能看到的ESD電壓8000V.v 雖然我們不能覺察,但是器件能已經(jīng)受損ESD會(huì)導(dǎo)致突發(fā)性失效和潛在性失效工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.5.1 ESD的的損傷特點(diǎn) 器件損壞或擊穿內(nèi)部電路立即并且永久性損壞 性能或潛在性失效元件內(nèi)部電路輕微損壞，電參數(shù)合格或略有變化， 但抗ESD能力明顯消弱，在隨后的應(yīng)用中可能失效.兩類失效模式：突發(fā)性完全失效和潛在性緩慢失效。失效機(jī)理：電壓型、電流型（

14、功率型）兩種。工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.5.2 靜電放電對(duì)元器件損傷的失效模式和失效機(jī)理(1) 電壓型損傷a.柵氧化層擊穿(MOS電路輸入端、MOS電容)b.氣體電弧放電引起的損壞(芯片上鍵合根部、金屬化條的最窄間距處、聲表面波器件的梳狀電極條間)c.輸入端多晶硅電阻與鋁金屬化條間的介質(zhì)擊穿d.輸入/輸出端n+擴(kuò)區(qū)與鋁金屬化條間的介質(zhì)擊穿。(2) 電 流 型 損 傷a. PN結(jié)短路(MOS電路輸入端保護(hù)二極管、線性電路輸入端 保護(hù)網(wǎng)絡(luò))b. 鋁條和多晶硅條在大電流作用下的損傷(主要在多晶硅條拐彎處和多晶硅條與鋁的接觸孔)c. 多晶硅電阻和硅上薄膜電阻的阻值漂移(主要是高精度運(yùn)放和A/D

15、、D/A電路靜電放電對(duì)元器件的損傷 工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所元器件類型 被損傷的結(jié)構(gòu) 失效機(jī)理 失效模式 MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管 數(shù)字集成電路(雙極型和MOS) 線性集成電路(雙極型和MOS) 混合電路 MOS電容器 MOS結(jié)構(gòu) 由于過電壓和隨之而來的大電流造成的介 質(zhì)擊穿 短路 (漏電流增大)二極管(PN、PIN、肖特基) 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管 閘流晶體管 雙極型集成電路(數(shù)字和線性) MOS集成電路的輸入保護(hù)電路 半導(dǎo)體結(jié) 由于能量過大或過熱引起微等離子區(qū)二次擊穿造成的微擴(kuò)散 ； 硅和鋁擴(kuò)散(電遷移)使 電流增大 參數(shù)漂移或失去二極管或晶體管的功能 靜電放電對(duì)元器件的損傷

16、工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所混合電路中的厚、薄膜電阻器 單片集成電路中的薄膜電阻器 薄膜電阻器 介質(zhì)擊穿、隨電壓增 加產(chǎn)生新的電流通路 ；與焦?fàn)枱崮苡嘘P(guān)的 破壞性的微小電流通 路 電阻漂移 混合電路 單片集成電路 金屬化條 與焦?fàn)枱崮苡嘘P(guān)的金屬化條燒毀 開路 用非石英或陶瓷外殼封裝的大規(guī)模集成電路和存儲(chǔ)器尤其是對(duì)紫外線敏感的EPROM場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)和非導(dǎo)電外殼 由于ESD在表面上積存的離子引起表面轉(zhuǎn)化或柵極閾值電壓漂 移 工作性能降低 靜電放電對(duì)元器件的損傷 工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所晶體振蕩器 聲表面波器件 壓電晶體 當(dāng)靜電電壓過大時(shí)由于機(jī)械力使晶體碎裂 工作性能降低 聲表面波器件 非金屬

17、外殼、芯片表面未鈍化的半導(dǎo)體器件 間距很近的電極 電弧放電軟化和熔化電極金屬 工作性能降低 工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所1) 國(guó)外實(shí)例v 某一批“64位隨機(jī)存貯器”，從封裝到成品測(cè)試，其成 品損失率為2，該存貯器為肖特基-雙極型大規(guī)模電路， 經(jīng)調(diào)查，操作過程中曾使用過塑料盒傳遞器件，由于靜電放電損傷了輸入端的肖特基二極管，使二極管反向特性變軟或短路。2) 國(guó)內(nèi)實(shí)例v 某廠生產(chǎn)的CMOS電路經(jīng)篩選入庫后，在抽查中每次都發(fā)現(xiàn) 有較大數(shù)量失效(約占5)，失效模式為輸入漏電增大， 經(jīng)調(diào)查與分析，發(fā)現(xiàn)失效是由ESD損傷引起的。因?yàn)樵搹S 生產(chǎn)的CMOS電路在測(cè)試前后都放置于

18、普通塑料盆內(nèi)，塑料 上的靜電荷傳遞給CMOS電路，在測(cè)試過程中，當(dāng)器件接觸 人體或桌面上的接地金屬時(shí)就會(huì)立即引起放電，導(dǎo)致ESD 損傷而失效。后來采取了一系列防ESD措施，并將普通塑 料盒改用導(dǎo)電塑料盒，這一失效現(xiàn)象就立即消失了。工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.6 靜電防護(hù) 靜電防護(hù)應(yīng)貫徹于電子產(chǎn)品的全過程，即在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、使用的各環(huán)境都要采取相應(yīng)措施。 在器件的設(shè)計(jì)和制造階段，通過在芯片上設(shè)計(jì)制作各種靜電保護(hù)電路或保護(hù)結(jié)構(gòu)，來提高器件的抗靜電能力； 在器件的裝機(jī)使用階段，制訂并執(zhí)行各種防靜電的措施，以避免或減少器件可能受到的靜電的影響。 必須在器件設(shè)計(jì)、制造、測(cè)試、試驗(yàn)、傳遞、包裝、運(yùn)輸和

19、使用等各個(gè)環(huán)節(jié)中都采取措施，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)的疏忽，都可能造成靜電對(duì)器件的損傷。 8.6.1 器件生產(chǎn)設(shè)計(jì)中的防靜電措施工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所生產(chǎn)方采取的ESD防護(hù)措施，是在器件的版圖設(shè)計(jì)中，在適當(dāng)部位(如電路的輸入端、輸出端、MOSFET的柵源間)加保護(hù)網(wǎng)絡(luò)或保護(hù)器件。當(dāng)有ESD脈沖出現(xiàn)時(shí)，柵極電壓便被保護(hù)網(wǎng)絡(luò)箝位在預(yù)置的低于柵氧擊穿的電平下，靜電源存儲(chǔ)的能量則通過保護(hù)網(wǎng)絡(luò)泄放掉。在CMOS電路在輸入端增加了簡(jiǎn)單的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，可使電路的抗靜電能力達(dá)10002000V；采用改進(jìn)型 保護(hù)網(wǎng)絡(luò)可使電路的抗靜電能力達(dá)4000V。重視對(duì)ESD元器件的包裝，應(yīng)采用防靜電的包裝容器。GJB1649-

20、93電子產(chǎn)品防靜電控制大綱 工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.6.2 使用中的防靜電措施v 規(guī)定了ESD控制大綱要求要素，并要求承制方應(yīng)按本標(biāo)準(zhǔn)的要求制訂、執(zhí)行和提供ESD控制大綱，并指明適用的控制大綱功能和要素也應(yīng)用在轉(zhuǎn)承制方和其他有關(guān)機(jī)構(gòu)，以便為ESD元器件、組件和設(shè)備提供連續(xù)的保護(hù)。GJB1649-93 ESD控制大綱要求要素工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.6.2 使用中的防靜電措施要求 ESD控制大計(jì)劃 綱 分 級(jí) 設(shè)計(jì)保護(hù)(不包 零件設(shè)計(jì)) 保護(hù) 操作 程序 保護(hù) 罩 訓(xùn)練 硬件 標(biāo)記 文件 包裝 失效分析 設(shè)計(jì) 生產(chǎn) 檢查和試驗(yàn) 存儲(chǔ)和運(yùn)輸 安裝 維護(hù)和修理 “”表示考慮；“”表

21、示不考慮。 SJ/T10633-94電子設(shè)備制造防靜電技術(shù)要求 工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.6.2 使用中的防靜電措施標(biāo)準(zhǔn)中列出了防靜電器材的基本配置要求。配置項(xiàng)目 元元 器元 器件 檢器 元設(shè) 器計(jì) 裝調(diào) 配試 機(jī)維外運(yùn)房修場(chǎng)輸工程系統(tǒng)工程系可靠性件待 工程老驗(yàn)研 煉及究 所庫件 件工 修維 防靜電元器件存放架靜電識(shí)別標(biāo)簽 防靜電元器件盒(袋) 防靜電桌墊 防靜電地墊防靜電周轉(zhuǎn)箱防靜電運(yùn)輸車防靜電工作服防靜電腕帶腕帶監(jiān)視器導(dǎo)電鞋束 防靜電工作鞋防靜電工作手套防靜電烙鐵 防靜電吸錫器防靜電印刷板架靜電電壓表 離子風(fēng)靜電消除器防靜電維修箱(包) 防靜電海綿 防靜電接大地線(帶) 防靜電工作

22、標(biāo)志牌防靜電文件袋 抗靜電劑(溶液)靜電監(jiān)測(cè)設(shè)備 驗(yàn)篩選 房 理 驗(yàn)室 工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.6.2 使用中的防靜電措施盡量減少靜電荷的產(chǎn)生，消除靜電源。 對(duì)已產(chǎn)生的靜電荷盡快予以消除，包括加速其泄放、中和及降低它的強(qiáng)度。 嚴(yán)格靜電防護(hù)管理，以保證各項(xiàng)措施的有效執(zhí)行。 8.6.2 使用中的防靜電措施工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所 （1） 避免使用產(chǎn)生靜電的材料。采用專門的防靜電的塑料及橡膠(在塑料或橡膠中添加碳黑或碳等導(dǎo)電劑)制作各種容器、包裝材料、工作臺(tái)墊、設(shè)備墊和地板等。（2） 靜電放電敏感器件必須采用防靜電材料包裝。如：靜電導(dǎo)電泡沫塑料、防靜電袋、防靜電包裝盒等。在器件驗(yàn)收和入庫檢查時(shí)應(yīng)檢查其是否采取防靜電材料包裝、包裝是否完整等。裝上器件的印制電路板應(yīng)放入防靜電袋中。（3） 操作者應(yīng)穿防靜電工作服和鞋子，不能穿化纖(尼龍、滌綸等)工作服和絕緣的鞋子，避免摩擦起電。（4） 靜電防護(hù)區(qū)內(nèi)的相對(duì)濕度應(yīng)控制在40以上，增加環(huán)境的濕度。工程系統(tǒng)工程系可靠性工程研究所8.6.2 使用中的防靜電措施v （5）對(duì)各種可能產(chǎn)生靜電的物體和人提供放電通路。