ESD培训系列之静电敏感等级介绍优秀课件

ESD基础培训 IPQC系列培训之 制作 杨永亮日期 2011 7 27 目录 前沿 ESD电子行业隐形杀手静电阐述静电定义静电放电人体能感知的静电静电产生模式分离带电摩擦带电感应带电接触带电静电放电模式人体放电模式机器放电模式充电器件模式静电来源于防护静电的来源静电敏感元器件静电防护措施及原则防静电基本要求设备的ESD实验SSD料件的静电敏感等级测试 ESD电子行业隐形杀手 在半导体 FPD PCB板等电子行业中 我们经常会提及 静电 因为它它会对我们的产品良率造成很大影响 并且是我们人体器官所感觉不到的 所以它常被我们称为隐形 杀手 我们必须设法认识它 发现它 并且减小它对我们产品的影响 静电阐述 静电定义物质内都是包含有正 负两种电荷的 当这两种电荷相互牵引 达到平衡时 则物质不带有静电 而当两种电荷由于某些原因不平衡了 这时 物质就带上了静电 如下图 正负电荷平衡带负静电的区域 静电阐述 当元器件本身带有大量静电时 与导电材料相接触 使电荷快速转移 这样就会形成很大的放电电流 最终导致我们元器件被打坏 静电阐述 如右图所示 此ICDevice表面带有2000V的静电 如果与导电材料相接触 由于接触面积很小 IC本身的电阻也很小 静电电荷会快速移动 形成很大的放电电流 最终导致ICDevice被打坏 我们称这种静电放电现象为ESD ElectrostaticDischarge 静电放电 静电阐述 二 人体能感知的静电以下几种由于静电所产生的情况能被人体所感知 超过2000V的对人体放电现象带静电物体对灰尘的吸附由于静电放电造成的闪光由于静电放电造成的声音放电时间超过一秒的情况 静电产生模式 分离带电不同物质对正 负电荷吸引能力各不相同 当两个不同材料的物体突然分离时 由于两者的这种吸引能力的差异 使吸引负电荷能力相对较强的物体吸引了对方物体上的负电荷 在分离面带上负的静电 同理 吸引正电荷能力较强的物体吸引对方物体上的正电荷 在分离表面带上正的静电 当吸嘴吸起IC时 由于IC与Wafer分离使IC表面带上了大量得静电电压 如果不及时解决 在后面的步骤中碰到导电体 产生很大的放电电流 就会将IC打坏 撕膜这一步骤不但在将IC插入PCB板的环节中存在 在做模组的环节中经常会遇到 如右图所示 这其实也是一个分离带电的过程 并且经常带有四 五千 甚至上万伏的静电电压 如果碰到导体放电 会严重损害我们的产品 同时还有静电吸附的危害 摩擦带电不同物质对正 负电荷吸引能力是各不相同的 当两个不同材料的物体相互摩擦时 正是由于这种吸引能力 使吸引正电荷能力相对较强的物体上的电子转移到了吸引负电荷能力较强的物体上 这样 就是前者带上了正的静电 后者带上了负的静电 感应带电当一个不带电的物体靠近带有静电的污染源时 表面会由于感应 带上相反极性的静电电压 如右图所示 由于装有Wafer的容器是由绝缘材料制成的 当其表面由于分离 摩擦等原因带上静电以后 会使其内的Wafer由于感应 带上与容器表面静电电压相反极性的静电 当我们将其放入DI水中时 因为水是导电体 由于Wafer带有正极的静电 电荷会通过DI水形移动 也会损害Wafer 带电体与绝缘体接触会物体进行静电充电 使物体带上静电 静电放电模型 一 人体放电模型 HBM HumanBodyModel 1 理论介绍 这个测试模型表示放电从人体的指尖传到器件上的导电管脚 该模型通过一个开关组件 将充了电的100pF电容器 在待测器件和与之相串联的一个1500 电阻上放电 放电本身是有2 10ns上升时间 和大约150ns脉冲宽度的双重指数信号波形 使用1500 串联电阻 意味着这个模型接近一个电流源 所有的器件都应该视为HBM敏感器件 2 电路图及示意图 静电放电模型 二 机器放电模型 MM MachineModel 1 理论介绍 机器模型的损害主要来源 是能量迅速地从一个带电的导体传输到器件的导电管脚 这个放电模型是200pF电容直接对500nH电感放电 没有串联电阻 由于缺乏限制电流的串联电阻器 这个模型接近一个电压源 在现实中这个模型代表了物体之间的迅速放电 譬如带电的电路板装置 带电的线缆或一个自动测试的传导手臂 放电本身是具有5 8ns上升时间和大约80ns周期的正弦衰减波形 2 电路图 静电放电模型 三 充电器件模型 CDM Charged DeviceModel 1 理论介绍 带电器件模型损害的主要来源是能量从一个带电器件迅速的释放 静电放电完全与器件相关 但器件零电位面的相对距离 却能影响实际的失效水平 该模型假定 当带电器件的导电管脚与具有较低电位的导体平面接触时 会发生迅速的放电 信号波形的上升时间经常小于200 s 整个放电过程可能发生在少于2 0ns的时间里 2 电路图 静电的来源 工作场所中常见的静电产生物质或活动 1 工作桌面 一般的塑料 上腊 上漆 2 地板 水泥地板 一般塑料地板 3 衣服 人造纤维衣服 一般非导电鞋 抹布 4 椅子 木材椅 塑料椅 玻璃纤维椅 包装及运送 塑料袋 泡棉 保丽龙 塑料盒 组装 加工 测试 修理 喷雾清洁剂 吸锡器 铬铁 刷子 塑料带 热气 烤箱 复写纸 容易被静电损坏的零件 半导体组件 二极管 三极管 芯薄膜电阻混合电路器件晶体 静电防护 设计的静电防护 治本方法 芯片设计 电路设计 元器件的选择本方法乃是静电防护最好的办法 但在设计半导体的抗静电电路时 必须考虑到电路产生热的影响 反应时间 最大电压 能量传导 寄生电容等等因子 故并非随心所欲可以办到 因此静电防护仍必须靠一些治标的方法 制程静电防护 静电防护的基本原则 1 避免静电产生 A 潮湿法 Moisturing 水气本身会有导电现象 故可降低绝绿体表面电阻 达到静电防护目的 B 抗静电涂布法 Anti StaticCoating 有部份溶液可喷洒于料件表面降低表面电阻 达到静电防护的目的 但此种涂层 日久会脱落而渐渐失去其效果 故必须考虑其有效期 C 内部静电剂法 ImbededAnti StaticAgent 这是在材料中加入具有导电性或吸湿性的物质 使其外层具有轻微导电性 此方法可以不必考虑 2 疏导或中和所产生之静电 A 疏导法 Bleed Off 典型的疏导法就是配带静电环 WristStrap 是将人体产生之静电电荷 藉由导线将所产生之电荷传导出去 通常静电环中会接一1M 之接地电阻 以保护人员工作之安全 B 中和法 Neutralization 利用静电消除器 Ionizer 来释出正 负离子以中和消除静电效应 3 摒蔽静电场此种方法乃利用FaradyCage之原理使静电场被摒蔽在容器之外围 左图是 5KV电场下各种容器内测得的静电场 防静电现场基本要求 物料存储防静电 原物料仓库存放 制程工序存放 产品维护工站存放制程防静电区域警示线提示 ESD工作区域 距离约1米处用绿色线标识 工作现场防静电 桌面有静电防护 人员防静电防护 防静电设备的定时检测 ANSI ESDSTM5 1 2007介绍 美国国家标准ANSI ESDSTM5 1是国际通用的组件HBM模型静电放电敏感度测试标准 一 HBM模型静电放电敏感度等级分类 二 必须的设备1 人体模型静电放电测试器ESD测试设备是一个符合标准要求的组合设备 2 波形验证设备设备能够验证本标准中脉冲波形 包括 一个示波器 二个评估负载 和一个电流传感器 ANSI ESDSTM5 1 2007介绍 三 设备和波形要求6 1设备校准按照国家标准对全部的测试设备作校准 包括示波器 电流传感器和高压电阻负载 最大的校准间隔时间为一年 6 2测试器审查和再审查HBMESD测试器的最初审查 应该按照交货或第一次使用时的标准进行审查 HBMESD测试器的再审查 应该按照制造者的建议执行 再审查测试的最大间隔时间是一年 PS 修理或者维护之后可能影响波形 此时需要对测试仪器作校正 6 3测试器波形记录新设备在最初审查时 需要对正 负极性的波形作记录 ANSI ESDSTM5 1 2007介绍 四 零件敏感等级测试要求和程序1 静电敏感等级测试要求A 测试之前 之中 之后始终对DUT采取完全的ESD防护措施B 使用短路线在1000V或测试电压下对波形的完整性进行验证C 测试DUT在运转和非运转状态下的电性能参数D 确定所有可能的管脚组合 随DUT不同而不同 取决于同样名称的电源管脚的组合 2 静电敏感等级测试程序A 最少抽取3个测试样品 测定它们在运转和非运转状态下的电性能参数 B 确定测试起始电压与初始的管脚组合C 对组件施加一个正的和负的电流脉冲 脉冲之间允许最小为0 3秒的间隔 然后对所有其它的管脚组合重复这一过程 D 在室温下测试组件在运转与非运转状态下的电性能参数 如果3个组件的电性能参数均符合规格 则使用静电敏感等级中更高一级的电压重复以上测试步骤 E 如果有组件失效 则使用3个新的组件 使用一个较低的电压重做敏感度测试 如果此组件仍然失效 再减小测试电压级别作测试 直到测试电压为250V ANSI ESDSTM5 1 2007介绍 五 失效判定标准被测试的组件不符合规定的电性能参数 典型的IC零件示意图 1 对任意一个I O管脚的可能的测试组合 ANSI ESDSTM5 1 2007介绍 a PS 模式 VSS脚接地 正的ESD电压出现在该I O脚对VSS脚放电 此时VDD与其它脚皆浮接 b NS 模式 VSS脚接地 负的ESD电压出现在该I O脚对VSS脚放电 此时VDD与其它脚皆浮接 c PD 模式 VDD脚接地 正的ESD电压出现在该I O脚对VDD脚放电 此时VSS与其它脚皆浮接 d ND 模式 VDD脚接地 负的ESD电压出现在该I O脚对VDD脚放电 此时VDD与其它脚浮接 2 pin to pin放电可能的测试组合a Positive 模式 正的ESD电压出现在某一I O脚 此时所有其它I O脚皆一起接地 但所有的VDD脚与VSS脚皆浮接 b Negative 模式 负的ESD电压出现在某一I O脚 此时所有其它I O脚皆一起接地 但所有的VDD脚与VSS脚皆浮接 ANSI ESDSTM5 1 2007介绍 3 VDD to VSS的可能放电模式a Positive 模式 正的ESD电压出现在VDD脚 此时VSS脚接地 但所有I O脚皆浮接 b Negative 模式 负的ESD电压出现在VDD脚 此时VSS脚接地 但所有I O脚皆浮接 静电放电故障判断常见的有下述三种方法 绝对漏电流 当IC被ESD测试后 其I O脚的漏电流超过1 A 或10 A 漏电流会随所施加的偏压大小增加而增加 相对I V漂移 当IC被ESD测试后 IC内部的I V特性曲线漂移量在30 功能观测法 先把功能正常且符合规格之IC的每一支管脚依测试组合打上ESD测试电压 再拿去测试其功能是否仍符合原来的规格 对同一IC而言 用不同的故障判定准则 可能会有不同的静电敏感等级 因此ESD敏感等级要在有注明其故障判定准则条件之下 才显得有意义 ANSI ESDSTM5 1 2007介绍 测试次数计算 假设一颗40pin的IC 38支I O 1支VDD 1支VSS 其人体放电模式 HBM 自1400V测到2000V 每次ESD电压增加量为100V的情形下 所要测试的次数 每一测试脚在变化ESD电压之下的Zap次数 2000 1400 100 1 7次 每一支I O管脚的测试组合 4种 38支I O管脚的总测试次数 38支 4种 7次 1064次 Pin to Pin静电放电测试之次数 38支 2种 7次 532次 VDD to VSS静电放电测试之次数 1支 2种 7 14次 故该40脚位IC的ESD 1400 2000V 总测试次数 1610次 由上述的简单估算可知 一具有40脚位的IC 只从1400V测到2000V 每一次电压调升100V 则要1610次的ESD放电测试 以上所谈的ESD测试次数是指HBM测试 若该IC也要做MM以及CDM的ESD测试 则还要再加上MM及CDM的ESD测试次数 ANSI ESDSTM5 1 2007介绍 测试结果的判读 假设下表为某一个IC的静电敏感等级测试数据 ANSI ESDSTM5 1 2007介绍 测试脚4是VDD 测试脚17是VSS 其它为输入或输出脚 表中 OK 表示其ESD耐压超过8KV以上 对I O脚有四种测试模式 先看第7脚 其ESD耐压分别为4250V PD 模式 500V ND 模式 4000V PS 模式 以及 5750V NS 模式 此第7脚的静电放电故障临界电压 ESDfailurethreshold 定义为其四种测试模式下的最低值 即此第7脚的ESDfailurethreshold为500V 再看第11脚 其ESD耐压分别为7250 PD 模式 超过8000V ND 模式 7250 PS 模式 以及超过8000V NS 模式 此第11脚的ESDfailurethreshold为7250V 依此类推 每一脚都有其ESDfailurethreshold 而此颗IC的ESDfailurethreshold定义为所有I