第八章静电放电损伤及防护_W

1、第8章静电放电损伤及防护主讲：张素娟 电话：823164468.1静电的产生工程系统工程系可靠性工程研究所静电放电损伤及防护第8章8.2 静电源8.3 静电放电(ESD)的放电模型8.4 半导体器件对静电放电的敏感度8.5 静电放电损伤的特点、失效模式和失效机理8.6 静电防护工程系统工程系可靠性工程研究所8.1静电的产生v 静电是指物体所带电荷处于静止或缓慢变化的相对稳定状态。特点是高电位小电量。v 物体摩擦带电绝缘体之间v 固体感应带电导体之间摩擦带电出现电子转移，v 与材料、摩擦、分离的速度、接触面积、接触压力、环境条件等有关v 电荷产生的速度；摩擦起电的相对位置；接触紧密程度；摩擦系数

2、；分离速度；v 放电速度：材料的电导率；相对湿度；表面水汽分布；再接触的速度感应带静电v 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，远离带电体的表面出现同种电荷。工程系统工程系可靠性工程研究所8.1静电的产生一些ESD实例：闪电在干燥天气时，你触摸另一个人产生的电击感觉在铺有地毯的地板上行走后，手接触金属门把手产生的电击。v 人体静电表1活动人体身上的典型静电电压工程系统工程系可靠性工程研究所8.2 、静电源人体活动静电电压(V)相对湿度1020%相对湿度6590%在合成纤维地毯上走动35,0001,500在聚乙烯地板上走动12,00025

3、0在工作台上操作6,000100翻动说明书的乙烯树脂封面7,000600从工作台拾起普通聚乙烯袋20,0001,200坐在聚氨酯泡沫材料的工作椅上18,0001,500在塑料工作台上滑动塑料盒18,0001,500从印制电路板上拉下胶带12,0001,500用氟里昂喷洒清洗电路或电路板15,0005,000工程系统工程系可靠性工程研究所8.2 静电源尘埃是悬浮在空气中的、并且是移动的多电荷粒子，对任何静电场都会起反应。在芯片的制造工序中，因尘埃静电受到影响的工序主要集中在：光刻（刻蚀）、外延和氧化工序等几个工序中。仪器和设备的静电，如摩擦或静电感应而带上静电，而仪器接地不良器件本身的静电，如外

4、壳与绝缘材料相互摩擦，产生静电 元器件受到而ESD造成的失效是一种常见的失效模式 工程系统工程系可靠性工程研究所8.3 静电放电(ESD)的损伤模型 随着半导体工艺技术的进步，集成度和工作频率迅速提高，芯片几何尺寸和线宽越来越小，而管脚位却越来越多, 这使得IC更加容易受ESD问题的影响. 新特种器件多属于静电敏感器件(功率MOS、微波场效应) 在其寿命周期内，遭受ESD的机会很多，损伤往往是潜在的 工程系统工程系可靠性工程研究所 8.3 静电放电(ESD)的损伤模型 人体静电放电模型(HBM)(human body model)带电器件模型(CDM) (charge devicemodel)

5、机器放电模型MM (Machine Model)电场感应模型(FIM) (fieldinduced model)带电芯片模型(CCM) (charged chipmodel)工程系统工程系可靠性工程研究所8.3 静电放电(ESD)的损伤模型带电人体放电模型(HBM)：MIL-STD-883方法3015、MIL-STD-750方法3015、GJB548方法3015、GJB128方法3015、JESD22-A114F等；带电机器放电模型（MM）：JESD22-A115-A、EIAJ-IC-121方法20；带电器件放电模型（CDM）：JESD22-C101D；电场感应放电模型(FIM)：JESD22

6、-C101。工程系统工程系可靠性工程研究所人体放电模式（HBM）v 人体放电模式(HBM)的ESD是指因人体在地上走动磨擦或其它因素在人体上已累积了静电，当此人去碰触到IC 时，人体上的静电便会经由IC的脚(pin)而进入IC内，再经由IC放电到地去，v 此放电的过程会在短到几百毫微秒(ns)的时间内产生数安培的瞬间放电电流，此电流会把IC内的组件给烧毁。v 不同HBM 静电电压相对产生的瞬间放电电流与时间的关系如图。v 对一般商用IC 的2-KV ESD 放电电压而言，其瞬间放电电流的尖峰值大约是1.33 安培。工程系统工程系可靠性工程研究所HBM模型的等效电路当开关S接至A时，相当于人体因

7、某种原因而带静电，当S接至B时，模拟人体向被试器件放电工程系统工程系可靠性工程研究所机器放电模式 （MM） 机器放电模式的ESD 是指机器(例如机械手臂)本身累积了静电，当此机器去碰触到IC 时，该静电便经由IC 的pin 放电。测试标准JESD22-A115-AEIAJ-IC-121方法20工程系统工程系可靠性工程研究所机器放电模式 （MM） 因为大多数机器都是用金属制造的，其机器放电模式的等效电阻为0，但其等效电容定为200pF。由于机器放电模式的等效电阻为0，故其放电的过程更短，在几毫微秒到几十毫微秒之内会有数安培的瞬间放电电流产生。有关2KV HBM 与200V MM 的放电电流比较，

8、如图。虽然HBM 的电压2KV 比MM 的电压200V 来得大，但是200VMM 的放电电流却比2KV HBM 的放电电流来得大很多，因此机器放电模式对IC的破坏力更大。在图中，该200V MM 的放电电流波形有上下振动(Ring)的情形，是因为测试机台导线的杂散等效电感与电容互相耦合而引起的。带电器件 模型(CDM)工程系统工程系可靠性工程研究所v 此放电模式是指IC先因磨擦或其它因素而在IC内部累积了静电，但在静电累积的过程中IC并未被损伤。此带有静电的IC在处理过程中，当其pin去碰触到接地面时，IC内部的静电便会经由pin自IC内部流出来，而造成了放电的现象。v 此种模式的放电时间更短

9、，仅约几毫微秒之内，而且放电现象更难以真实的被模拟。因为IC内部累积的静电会因IC组件本身对地的等效电容而变，IC摆放的角度与位置以及IC 所用的包装型式都会造成不同的等效电容。管脚与地接触，形成放电通路 带电器件模型 (CDM) 工程系统工程系可靠性工程研究所IC 自IC 管中滑出后，IC 脚朝上，但经由接地的金属工具 而放电。 IC 自IC 管中滑出后，带电的IC 脚接触接到地面而形成放电现象。 带电器件模型 (CDM) 工程系统工程系可靠性工程研究所IC 在名种角度摆放下的等效电容值显示于图中，此电容值会导致不同的静电电量累积于IC 内部。 IC 在各种角度下的等效杂散电容值 CDM模型

10、的等效电路 工程系统工程系可靠性工程研究所管脚与地接触，形成放电通路带电器件模型(CDM)工程系统工程系可靠性工程研究所有关2KVHBM, 200V MM, 与1KV CDM 的放电电流比较.其中，该1KVCDM 的放电电流在不到1ns的时间内， 便已冲到约15 安 培 的 尖 峰值，但其放电的总时段约在10ns 的时间内便结束。此种放电现象更易造成集成电路的损伤。工程系统工程系可靠性工程研究所电场感应模式(Field-Induced Model, FIM)当器件处于静电场环境中时，在器件内部将感应出电位差，从而引起器件ESD失效，这就是电场感应模型(FIM)。一般情况，静电场感应出来的电位差

11、不致使器件失效，但由于器件管脚相当于接收天线，它引起与管脚相连导电部分的电场发生畸变，导致SiO2内场增加，有可能引起MOS器件的栅氧化物被击穿。例如， 一个MOS器件放入6000V/cm的静电场中，就可能引起栅击穿失效。工程系统工程系可靠性工程研究所8.4 静电敏感度半导体器件对ESD的敏感度，实质上就是器件抗静电应力的度量，以失效阈值电压来标定。失效阈值电压：器件所能抗受的最大静电电压。器件的抗静电应力的能力，是由器件的种类、输入端静电保护的形式、版图设计、制造工艺等决定的。工程系统工程系可靠性工程研究所HBM模型v MIL-STD-883 JESD22-A114F级别 静电敏感电压范围

12、0级 250V1A级 250V499V1B级 500V999V1C级 1000V1999V2级 2000V3999V3A级 4000V7999V3B级 8000V机器放电模式(MM)的耐压能力等级分类 EIAJ-IC-121 方法 20工程系统工程系可靠性工程研究所机器放电模式 （MM） 等级电压值M00to50VM150 to100VM2100 to200VM3200 to400VM4400 to800V工程系统工程系可靠性工程研究所静电敏感元器件标志 工程系统工程系可靠性工程研究所8.5静电放电损伤的特点、失效模式和失效机理8.5.1静电放电损伤的特点v 隐蔽性v 失效分析的复杂性v 损伤

13、具有潜在性v 损伤的随机性工程系统工程系可靠性工程研究所8.5.1 ESD的损伤特点v 器件在200V的低电压下也能受到损坏v 我们能感觉到的ESD电压3000V，v 我们能听到的ESD电压6000V，v 我们能看到的ESD电压8000V.v 虽然我们不能觉察,但是器件能已经受损ESD会导致突发性失效和潜在性失效工程系统工程系可靠性工程研究所8.5.1 ESD的的损伤特点 器件损坏或击穿内部电路立即并且永久性损坏 性能或潜在性失效元件内部电路轻微损坏，电参数合格或略有变化， 但抗ESD能力明显消弱，在随后的应用中可能失效.两类失效模式：突发性完全失效和潜在性缓慢失效。失效机理：电压型、电流型（

14、功率型）两种。工程系统工程系可靠性工程研究所8.5.2 静电放电对元器件损伤的失效模式和失效机理(1) 电压型损伤a.栅氧化层击穿(MOS电路输入端、MOS电容)b.气体电弧放电引起的损坏(芯片上键合根部、金属化条的最窄间距处、声表面波器件的梳状电极条间)c.输入端多晶硅电阻与铝金属化条间的介质击穿d.输入/输出端n+扩区与铝金属化条间的介质击穿。(2) 电 流 型 损 伤a. PN结短路(MOS电路输入端保护二极管、线性电路输入端 保护网络)b. 铝条和多晶硅条在大电流作用下的损伤(主要在多晶硅条拐弯处和多晶硅条与铝的接触孔)c. 多晶硅电阻和硅上薄膜电阻的阻值漂移(主要是高精度运放和A/D

15、、D/A电路静电放电对元器件的损伤 工程系统工程系可靠性工程研究所元器件类型 被损伤的结构 失效机理 失效模式 MOS场效应晶体管 数字集成电路(双极型和MOS) 线性集成电路(双极型和MOS) 混合电路 MOS电容器 MOS结构 由于过电压和随之而来的大电流造成的介 质击穿 短路 (漏电流增大)二极管(PN、PIN、肖特基) 结型场效应晶体管MOS场效应晶体管 闸流晶体管 双极型集成电路(数字和线性) MOS集成电路的输入保护电路 半导体结 由于能量过大或过热引起微等离子区二次击穿造成的微扩散 ； 硅和铝扩散(电迁移)使 电流增大 参数漂移或失去二极管或晶体管的功能 静电放电对元器件的损伤

16、工程系统工程系可靠性工程研究所混合电路中的厚、薄膜电阻器 单片集成电路中的薄膜电阻器 薄膜电阻器 介质击穿、随电压增 加产生新的电流通路 ；与焦尔热能有关的 破坏性的微小电流通 路 电阻漂移 混合电路 单片集成电路 金属化条 与焦尔热能有关的金属化条烧毁 开路 用非石英或陶瓷外壳封装的大规模集成电路和存储器尤其是对紫外线敏感的EPROM场效应结构和非导电外壳 由于ESD在表面上积存的离子引起表面转化或栅极阈值电压漂 移 工作性能降低 静电放电对元器件的损伤 工程系统工程系可靠性工程研究所晶体振荡器 声表面波器件 压电晶体 当静电电压过大时由于机械力使晶体碎裂 工作性能降低 声表面波器件 非金属

17、外壳、芯片表面未钝化的半导体器件 间距很近的电极 电弧放电软化和熔化电极金属 工作性能降低 工程系统工程系可靠性工程研究所工程系统工程系可靠性工程研究所1) 国外实例v 某一批“64位随机存贮器”，从封装到成品测试，其成 品损失率为2，该存贮器为肖特基-双极型大规模电路， 经调查，操作过程中曾使用过塑料盒传递器件，由于静电放电损伤了输入端的肖特基二极管，使二极管反向特性变软或短路。2) 国内实例v 某厂生产的CMOS电路经筛选入库后，在抽查中每次都发现 有较大数量失效(约占5)，失效模式为输入漏电增大， 经调查与分析，发现失效是由ESD损伤引起的。因为该厂 生产的CMOS电路在测试前后都放置于

18、普通塑料盆内，塑料 上的静电荷传递给CMOS电路，在测试过程中，当器件接触 人体或桌面上的接地金属时就会立即引起放电，导致ESD 损伤而失效。后来采取了一系列防ESD措施，并将普通塑 料盒改用导电塑料盒，这一失效现象就立即消失了。工程系统工程系可靠性工程研究所8.6 静电防护 静电防护应贯彻于电子产品的全过程，即在设计、生产、使用的各环境都要采取相应措施。 在器件的设计和制造阶段，通过在芯片上设计制作各种静电保护电路或保护结构，来提高器件的抗静电能力； 在器件的装机使用阶段，制订并执行各种防静电的措施，以避免或减少器件可能受到的静电的影响。 必须在器件设计、制造、测试、试验、传递、包装、运输和

19、使用等各个环节中都采取措施，其中任何一个环节的疏忽，都可能造成静电对器件的损伤。 8.6.1 器件生产设计中的防静电措施工程系统工程系可靠性工程研究所生产方采取的ESD防护措施，是在器件的版图设计中，在适当部位(如电路的输入端、输出端、MOSFET的栅源间)加保护网络或保护器件。当有ESD脉冲出现时，栅极电压便被保护网络箝位在预置的低于栅氧击穿的电平下，静电源存储的能量则通过保护网络泄放掉。在CMOS电路在输入端增加了简单的保护网络，可使电路的抗静电能力达10002000V；采用改进型 保护网络可使电路的抗静电能力达4000V。重视对ESD元器件的包装，应采用防静电的包装容器。GJB1649-

20、93电子产品防静电控制大纲 工程系统工程系可靠性工程研究所8.6.2 使用中的防静电措施v 规定了ESD控制大纲要求要素，并要求承制方应按本标准的要求制订、执行和提供ESD控制大纲，并指明适用的控制大纲功能和要素也应用在转承制方和其他有关机构，以便为ESD元器件、组件和设备提供连续的保护。GJB1649-93 ESD控制大纲要求要素工程系统工程系可靠性工程研究所8.6.2 使用中的防静电措施要求 ESD控制大计划 纲 分 级 设计保护(不包 零件设计) 保护 操作 程序 保护 罩 训练 硬件 标记 文件 包装 失效分析 设计 生产 检查和试验 存储和运输 安装 维护和修理 “”表示考虑；“”表

21、示不考虑。 SJ/T10633-94电子设备制造防静电技术要求 工程系统工程系可靠性工程研究所8.6.2 使用中的防静电措施标准中列出了防静电器材的基本配置要求。配置项目 元元 器元 器件 检器 元设 器计 装调 配试 机维外运房修场输工程系统工程系可靠性件待 工程老验研 炼及究 所库件 件工 修维 防静电元器件存放架静电识别标签 防静电元器件盒(袋) 防静电桌垫 防静电地垫防静电周转箱防静电运输车防静电工作服防静电腕带腕带监视器导电鞋束 防静电工作鞋防静电工作手套防静电烙铁 防静电吸锡器防静电印刷板架静电电压表 离子风静电消除器防静电维修箱(包) 防静电海绵 防静电接大地线(带) 防静电工作

22、标志牌防静电文件袋 抗静电剂(溶液)静电监测设备 验筛选 房 理 验室 工程系统工程系可靠性工程研究所8.6.2 使用中的防静电措施尽量减少静电荷的产生，消除静电源。 对已产生的静电荷尽快予以消除，包括加速其泄放、中和及降低它的强度。 严格静电防护管理，以保证各项措施的有效执行。 8.6.2 使用中的防静电措施工程系统工程系可靠性工程研究所 （1） 避免使用产生静电的材料。采用专门的防静电的塑料及橡胶(在塑料或橡胶中添加碳黑或碳等导电剂)制作各种容器、包装材料、工作台垫、设备垫和地板等。（2） 静电放电敏感器件必须采用防静电材料包装。如：静电导电泡沫塑料、防静电袋、防静电包装盒等。在器件验收和入库检查时应检查其是否采取防静电材料包装、包装是否完整等。装上器件的印制电路板应放入防静电袋中。（3） 操作者应穿防静电工作服和鞋子，不能穿化纤(尼龙、涤纶等)工作服和绝缘的鞋子，避免摩擦起电。（4） 静电防护区内的相对湿度应控制在40以上，增加环境的湿度。工程系统工程系可靠性工程研究所8.6.2 使用中的防静电措施v （5）对各种可能产生静电的物体和人提供放电通路。