电子元器件静电放电损伤技术（上）

　　第一章 电子元器件抗ESD损伤的基础知识随着电子元器件技术的发展，静电对元器件应用造成的危害越来越明显。


　　一方面，电子元器件不断向轻、薄、短、小、高密度、多功能等方向发展，因而元器件的尺寸越来越小，尤其是微电子器件，CMOS IC中亚微米珊已经进入实用化，栅条宽度达到0.18um，栅氧厚度为几个nm，栅氧的击穿电压小于20V。尺寸的减小，就使电子器件对静电变得更加敏感。另一方面，在电子元器件制造和应用环境中，作为静电主要来源的各种高分子材料被广泛的采用，使得静电的产生更加容易和广泛。因此，必须应用各种抗经典放电损伤的技术，使静电对电子元器件的危害减小到最低的程度。


　　静电和静电放电的定义和特点通俗的来说，静电就是静止不动的电荷。他一般存在与物体的表面，是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果。静电是通过电子或或离子转移而形成的。静电可由物质的接触和分离、静电感应、介质极化和带电微粒的附着等物理过程而产生。


　　静电放电（Electrostatic Discharge, ESD）,处于不同经典电位的两个物体间的静电电荷的转移就是静电放电。这种转移的方式有多种，如接触放电、空气放电。


　　对静电认识的发展历史人类对静电放电危害的认识经历了一段漫长的历史，电子行业认识到ESD的危害只是最近几十年的事情。


　　千百年前，静电对人类来说曾经是非常神秘的。


　　中国发明了火药之后，静电对火药制造行业不再神秘了美国独立战争期间，火药是在有潮湿的泥墙和泥地顶房子中制造的现在，在静电火花可能引起爆炸的行业如面粉厂和医院的手术室都采取了特殊的防静电措施。


　　在其它行业，静电仍然是神秘的在40和50年代，在塑料和胶片制造行业，发现了静电问题在50和60年代，在电子行业，出现静电问题。常常发生奇怪的失效，在光学显微镜下看不到失效原因。失效分析的结论是原因不明。


　　晶体管的普及和IC的发展使静电问题加剧年代后，IC的几何尺寸缩小使问题变得更加糟糕真正的突破是半导体领域扫描电镜的应用，第一次即使最小的ESD损伤也能看到年，EOS/ESD研讨会成立，主要研究ESD问题，寻求解决方法年代除，多数主要的电子制造商建立了他们的ESD组织，负责ESD问题也许是当今电子制造行业最主要的失效机理静电的产生通常物体保持电中性状态，这是由于它它所具有的正负电荷量相等的缘故。如果两种不同材料的物体因直接接触或静电感应而导致相互之间电荷的转移，使之存在过剩电荷，这样就产生了静电。带有静电电荷的物体之间或者它们之间有一点的电势差，称之为静电势。


　　经典产生的方式有很多种，如接触、摩擦、冲流、冷冻、电解、压电、温差等，但主要是两种形式，即摩擦产生静电和感应产生静电。图1.是两种物体直接接触后形成的，通常发生于绝缘体与绝缘体之间或者绝缘体与导体之间；图2.是带电物体与导体之间，两种物体不需要直接接触。


　　图图摩擦产生静电实际上，只要两种不同的物体接触再分离就会有静电产生。但由于摩擦产生的热能为电子转移提供了足够的能量，因此静电产生作用大大增强。


　　表1 常见物体带电顺序表序号 材料 序号 材料 序号 材料正电荷方向↑ 8 羊毛 16 硬橡皮空气 9 丝绸 17 镊、铜人的手 10 铝 18 黄铜、银兔毛 11 纸 19 聚酯人造纤维玻璃 12 棉布 20 聚乙烯云母 13 钢 21 聚丙烯头发 14 木材 22 聚氯乙烯（PVC）尼龙 15 琥珀 负电荷方向↓表中任何两种物体摩擦时，可以接此来判断它们带电的极性，还可以大致估计所带电荷的多寡程度。排在前面的材料与排在后面的材料相互摩擦时，前者带正电，后者带负电。同种材料与不同材料相互摩擦时所点电荷的极性可能不同，如棉布与玻璃棒摩擦带负电，但与硅片摩擦带负电。棉布与玻璃棒摩擦后所带的电量大于它与尼龙摩擦所带电量。


　　感应产生静电静电产生的另一个重要来源是感应生电。当一个导体靠近带电体时，会受到该带电体形成的静电场的作用，在靠近带电体的导体表面感应出异种电荷。尽管这时导体所带静电荷量仍为零，但出现了局部带电区域。显然，非导体不能通过感应产生静电。


　　影响静电产生和大小的因素静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓度有密切的关系，在高湿度环境中由于物体表面吸附有一定数量杂质离子的水分子，形成弱导电的湿气薄层，提高了绝缘体的表面电导率，可将静电荷散逸到整个材料的表面，从而是静电电势降低。所以在相对湿度高的场合，如海洋性气候地区或潮湿的梅雨季节，静电势低。在相对湿度低的场合，如大陆性气候地区或干燥的冬季，静点势就高。与普通场合相比，在空气纯净的场所（如无尘车间）内，因空气中的离子浓度低，所以静电更加容易产生。


　　表2是电子生产中产生的静电势的典型值。从中可以看到，同样的动作在不同的湿度下，产生的静电电压可以相差一个数量级以上。


　　表2 电子生产中产生的静电势的典型值（单位：V）事件 相对湿度走过乙烯地毯在工作椅子上操作人员的移动将DIP封装的器件从塑料管中取出将印刷电路板装进泡沫包装盒中静电的来源在电子制造业中，静电的来源是多方面的，如人体、塑料制品、有关的一起设备以及电子元器件本身。


　　人体静电人体是最重要的静电源，这主要有三个方面的原因。其一，人体接触面广，活动范围大，很容易与带有静电荷的物体接触或摩擦而带电，同时也有许多机会将人体自身所带的电荷转移到期间上或者通过器件放电。其二，人体与大地之间的电容低，约为50~250pf，典型值为150pf，所以少量的人体静电荷即可导致很高的静点势。其三，人体的电阻比较低，相当于人体处于静电场中也容易感应起电，而且人体某一部分带电即可造成全身带电。


　　人体静电与人体所接触的环境及活动方式有关：如走路、抬脚、坐下等动作在手上产生的静电分别可以达到800V、3200V、3800V。


　　人体静电与环境湿度有关，湿度越低则静电势越高，从表2中可以清楚的看到这一点人体静电与所穿衣服和鞋帽的材料有关，化纤和塑料制品较之棉制品更容易产生静电。工作服和内衣摩擦时产生的静电是人体静电的主要原因之一，表3中列出了质地不同的工作服和内衣摩擦时人体所带的静电势。


　　表3 质地不同的工作服和内衣摩擦时人体的静电势（KV）内衣/工作服 棉纱 毛 丙烯 聚酯 尼龙 维尼棉纯棉（100%）维尼龙/棉（55%/45%）聚酯/人造纤维（65%/35%）聚酯/棉（65%/35%）人体静电与个人体质有关，主要表现在人体等效电容与等效电阻上，人体电容越小，则因摩擦越容易带电，带电电压越高，人体电阻越小，则因感应带电越容易。由于人体电容的60%是脚底对地电容，而电容量正比于人体与地之间的接触面积，所以单脚站立的人体静电势远大于双脚站立的人体静电势。（c=q/u,q为人体所带的电荷数量，电容越小，电压u越高）人体静电与人的操作速度有关，操作速度越快，人体静电势越高。


　　人体各部位所带的静电电荷是不均匀的，一般认为手腕侧的静电势最高。


　　仪器和设备的静电仪器和设备也会由于摩擦或静电感应而带上静电，如传输带在传动过程中由于与转轴的接触和分离产生静电，或是接地不良的仪器金属外壳在电场中感应产生静电，仪器设备带电后，与元器件接触也会产生静电放电，并造成静电损伤。


　　器件本身的静电电子元器件的外壳（主要指陶瓷、玻璃和塑料封装管）与绝缘材料互相摩擦，也会产生静电，器件外壳带电后，会通过某一接地的管脚或外接引线释放静电，也会对器件造成静电损伤。


　　其它静电来源除上述三种静电来源外，在电子器件的制造、安装、传递、运输、试验、存储、测量和调试等过程中，会遇到各种各样的由绝缘材料制成的物品，如表4所列，这些物品相互摩擦或与人体摩擦都会产生很高的静电势。


　　表4 电子元器件操作环境的其它静电源物体 材料工作桌、椅 油漆或打腊的表面、有机玻璃纤维材料地板 水泥地板、油漆或打腊的木地板、熟料地砖或地板革工作服 化纤工作服、非导电工作鞋、清洁棉质工作服包装容器 熟料包装袋、盒、箱、瓶、盘、泡沫塑料衬垫器皿、工具 喷雾清洗器、热吹风、熟料或橡胶传导轨、熟料吸锡器、毛刷、未接地烙铁静电放电失效元器件由静电放电引发的失效可以分为突发性失效和潜在性失效两种模式。突发性失效指元器件受到静电放电损伤后，突然完全丧失其规定的功能，主要表现为开路、短路或参数严重漂移；潜在性失效是指静电放电能量比较低，仅在元器件内部造成轻微损伤，放电后器件电参数仍然合格或略有变化，但器件的抗过电能力已经明显削弱，或者使用寿命已明显缩短，再受到工作应力或经过一段时间工作后将进一步退化，直至造成彻底失效。


　　在使用环境中出现的静电失效大多数是潜在性失效，椐统计，在由静电放电造成的使用失效中，潜在性失效约占90%，而突发性失效只占10%。潜在性失效比突发性失效具有更大的危险性，一方面是由于潜在失效难以检测、器件在制造和装配过程中受到潜在性静电损伤后会影响整机的使用寿命；另一方面，静电损伤具有积累性，即使一次静电放电未能使器件失效，多次静电损伤累积起来最终必然使之完全失效。


　　静电放电的失效模式可分为过电压失效和过电流失效，过电压失效多发生于MOS器件，包括MOS电容或钽电容的双极型电路和混合电路，过电流热失效则多发生与双极器件，包括输入用pn结二极管保护的MOS电路、肖特基二极管以及含有双极器件的混合电路。实际元器件发生哪种失效，取决于经典放电回路的绝缘程度，如果放电回路阻抗低，绝缘性差，元器件往往会因放电产生强电流脉冲导致高温损伤，这属于过电流损伤；如果放电回路阻抗较高，绝缘性好，则元器件会因接受了高电荷而产生高电压，导致强电场损伤，这属于过电压损伤。


　　第二章 制造过程的防静电损伤技术静电现象是客观存在的，防止静电对元器件损伤的途径只有两种：一方面，从元器件的设计和制造上进行抗静电设计和工艺优化；另一方面，就是采取经典防护措施，使器件在制造、运输和使用过程中尽量避免静电带来的损伤。我们作为元件的使用方，只能采取后一种办法来防止或减少静电对元器件的损害。


　　护的作用和意义为什么要在制造过程中采取防静电措施？


　　多数的电子元器件是静电敏感器件多数未采取保护措施的元器件静电放电敏感度都很低，很多在几百伏以内，而且大部分单管不能增加保护电路，如二极管。一些电路采取了保护电路，但也只能达到2000~4000伏，而在实际使用环境中产生的静电电压可能达到上万伏。所以我们说，绝大多数元器件是静电敏感器件，需要在制造、运输和使用过程中采取防静电保护措施。


　　静电对电子行业造成的损失很大电子行业如微电子、光电子的制造和使用厂商因为静电造成的损失和危害是相当严重的。根据美国的报道，他们的电子行业中，由于ES的影响，每年的损失达50亿美元；据日本统计，他们不合格的电子器件中有45%是由于静电而引起的；我国每年因静电危害造成的损失至少也有几千万。美国半导体可靠性新闻对1993年从制造商、测试方和使用现场得到的3400例失效案例进行的统计，从中可以看出，EOS/ESD造成的失效达到20%。


　　静电会对电子元器件造成潜在损伤潜在的损伤严重威胁器件的寿命和可靠性，并且不能通过检验等手段挑选出来，危害巨大。


　　静电对电子产品的损害静电对电子产品的损害有多种形式，并具有自身的特点。