【文章內(nèi)容簡介】 底失效。這種失效的發(fā)生與否，主要取決于器件內(nèi)部區(qū)域的功率密度，功率密度越小，說明器件越不易受到損傷。而器件內(nèi)部的功率密度大小除與器件自身的材料有關(guān)外，還與靜電放電的電流幅度、脈沖寬度和作用的面積密切相關(guān)。在總能量（總靜電電荷）不變的情況下，使pn結(jié)熔化所需的功率密度可由下式表示: ()式中，P為功率，A為結(jié)面積，κ、ρ和Cp分別為半導(dǎo)體的熱導(dǎo)率、密度和比熱，Tm和Ti分別為破壞溫度和初始溫度(一般為室溫)，t為施加功率的持續(xù)時間即放電脈沖的寬度。對于硅而言，ρ＝／cmJ，Cp＝／8K，κ＝0．306W／cm：．K，Tm＝1688K。由實際測量得到的和由式()。 回路中靜電放電的時間是由回路中的電阻和電容決定的,有τ=RC。因此，增加放電回路的串聯(lián)電阻和電容是減小ESD損傷的有效途徑。如硅功率器件，由于輸入端有大電容組成的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，其抗ESD水平就比較強(qiáng)。放電回路高阻區(qū)（如pn結(jié)）的橫截面積為A，增加放電回路高阻區(qū)的橫截面積也是減小ESD損傷的重要途徑。 導(dǎo)致硅器件靜電放電熱破壞的功率密度與脈沖寬度關(guān)系曲線―――與－．－均為理論擬合曲線，后者的結(jié)面積是前者的十分之一反偏pn結(jié)比正偏pn結(jié)更容易發(fā)生熱致失效，在反偏條件下使結(jié)損壞所需要的能量只有正偏條件下的十分之一左右。這是因為反偏時，大部分功率消耗在結(jié)區(qū)中心，而正偏時，則多消耗在結(jié)區(qū)外的體電阻上。對于雙極器件，通常發(fā)射結(jié)的面積比其它結(jié)的面積都小，而且結(jié)面也比其它結(jié)更靠近表面，所以常常觀察到的是發(fā)射結(jié)的退化。此外，擊穿電壓高于100V或漏電流小于1nA的pn結(jié)(如JFET的柵結(jié))，比類似尺寸的常規(guī)pn結(jié)對靜電放電更加敏感。 對于靜電放電熱致失效，環(huán)境溫度越高，發(fā)生失效所需的靜電能量越低，越容易發(fā)生此類失效?！婧蚻25℃下的靜電放電失效電壓值。 不同溫度下M0S器件靜電放電失效電壓值除了對pn結(jié)造成熱破壞之外，靜電放電的大電流脈沖功率還可能造成其它破壞。它有可能使金屬互連線或鍵合線熔化而開路，這常常出現(xiàn)在金屬條截面積小的地方，如鋁條橫跨氧化層臺階處，因這種地方電流密度大而且結(jié)構(gòu)薄弱，容易形成過熱點。對于淺pn結(jié)和肖特基結(jié)，靜電放電形成的焦耳熱可導(dǎo)致區(qū)域溫度超過鋁一硅共熔點溫度，使金屬化滲入硅內(nèi)部，穿透pn結(jié)使器件失效。在集成電路中，靜電形成的脈沖電流還有可能使寄生的器件導(dǎo)通，產(chǎn)生各種不希望的效應(yīng)，如CMOS電路的閂鎖效應(yīng)和功率晶體管的二次擊穿效應(yīng)等。 需要強(qiáng)調(diào)的是，無論是過壓失效還是過流失效，都必須考慮時間效應(yīng)。靜電脈沖雖然電壓很高，但相對其它EOS應(yīng)力而言其能量較低，放電脈沖時間很短。這也是器件的ESD失效閾值電壓遠(yuǎn)高于其額定工作電壓的原因。第2章 制造過程的防靜電損傷技術(shù)靜電現(xiàn)象是客觀存在的，防止靜電對元器件損傷的途徑只有兩條：一是從元器件的設(shè)計和制造上進(jìn)行抗靜電設(shè)計和工藝優(yōu)化，提高元器件內(nèi)在的抗靜電能力；另一方面，就是采取靜電防護(hù)措施，使器件在制造、運(yùn)輸和使用過程中盡量避免靜電帶來的損傷。對元器件的使用方，包括后工序廠家、電路板、組件制造商以及整機(jī)廠商來說，主要甚至只能采取后一種方法來防止或減少靜電對元器件的損害。 靜電防護(hù)的作用和意義 為什么要在制造過程中采取防靜電控制措施？我們從以下三個方面來說明。 多數(shù)電子元器件是靜電敏感器件多數(shù)未采取保護(hù)措施的元器件靜電放電敏感度都是很低，很多在幾百伏的范圍，如MOS單管在100200V之間，GaAs FET在100－300V之間，而且這些單管是不能增加保護(hù)電路的；一些電路尤其是CMOS IC采取了靜電保護(hù)設(shè)計，可雖然以明顯的提高抗ESD水平，但大多數(shù)也只能達(dá)到2000－4000V，而在實際環(huán)境中產(chǎn)生的靜電電壓則可能達(dá)到上萬伏（。因此，沒有防護(hù)的元器件很容易受到靜電損傷。而且隨著元器件尺寸的越來減小，這種損傷就會越來越多。所以我們說，絕大多數(shù)元器件是靜電敏感器件，需要在制造、運(yùn)輸和使用過程中采取防靜電保護(hù)措施。 一些器件的靜電敏感度 器件類型實例靜電敏感度(單位kV)MOSFET3CO、3DO系列JFET3CT系列GaAs FETCMOSCO00、CD400系列HMOS6800系列E/D MOS Z80系列VMOSECL電路EOOO系列SCL(可控硅)STTL54S、74S系列DTL7400、5400系列石英及壓電晶體 靜電對電子行業(yè)造成的損失很大 電子行業(yè)如微電子、光電子的制造和使用廠商因為靜電造成的損失和危害是相當(dāng)嚴(yán)重的。據(jù)美國1988年的報道，它們的電子行業(yè)中，由于ESD的影響，每年的損失達(dá)50億美元之多；據(jù)日本統(tǒng)計，它們不合格的電子器件中有45％是由于靜電而引起的；我國每年因靜電危害造成的損失也至少有幾千萬。，從中可以看到由EOS/ESD引起的失效占總數(shù)的47%；、測試方和使用現(xiàn)場得到的3400例失效案例進(jìn)行的統(tǒng)計，從中可以看到,EOS/ESD造成的失效也達(dá)到20%。 。 Ti公司某一年客戶失效器件原因的分析統(tǒng)計 1993年從制造商、測試方和使用現(xiàn)場得到的3400例失效案例統(tǒng)計 (a) CC4069 (b) JF709 電路受ESD損傷后的形貌像ESD對電子元器件的危害還表現(xiàn)在它的潛在性。 即器件在受到ESD應(yīng)力后并不馬上失效，而會在使用過程中逐漸退化或突然失效。這時的器件是“帶傷工作”。這是人們對靜電危害認(rèn)識不夠的一個主要原因。實際上，靜電放電對元器件損傷的潛在性和累積效應(yīng)會嚴(yán)重地影響元器件的使用可靠性。由于潛在損傷的器件無法鑒別和剔除，一旦在上機(jī)應(yīng)用時失效，造成的損失就更大。而避免或減少這種損失的最好辦法就是采取靜電防護(hù)措施，使元器件避免靜電放電的危害。，器件的功能沒有失效，只是某個管腳的IV特性發(fā)生了一些變化。 IC進(jìn)行過可靠性對比試驗。一組是經(jīng)歷過低于其失效閾值較多電壓的ESD試驗而功能完全正常的樣品，另一組是未經(jīng)過任何試驗的良品。壽命試驗的結(jié)果是前者的中位壽命（累積失效率為50％的壽命）低于后者2個量級以上。這充分說明了ESD潛在損傷對器件可靠性的影響。 ESD潛在損傷引起的IV特性變化 對比試驗的壽命分布曲線 國內(nèi)外企業(yè)的狀況 國際上在1979年成立了EOS/ESD研究協(xié)會，主要研究電子行業(yè)的EOS和ESD問題，尋求解決方法。美軍標(biāo)883E“微電路試驗方法”中關(guān)于ESD等級評價的標(biāo)準(zhǔn)已先后7次修訂，而且很多標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定軍用微電路必須達(dá)到2kV的ESD等級。美國多數(shù)主要的電子制造商在八十年代初已經(jīng)建立了他們的ESD組織機(jī)構(gòu)，專門負(fù)責(zé)ESD方面的工作，主要有防靜電設(shè)計、靜電檢測、靜電防護(hù)以及管理、培訓(xùn)等。 與國際上發(fā)達(dá)國家相比，我國在這方面的工作起步要晚很多，差距也較大。直到最近幾年才真正重視和發(fā)展起來。在軍品方面，如修改版的國軍標(biāo)GJB548A96和國軍標(biāo)128A－97 分別增加了對微電路和分立器件的靜電放電敏感度分類要求；并要求貫徹國標(biāo)的產(chǎn)品必須給出ESDS的值；在民品方面，合資和獨資企業(yè)的狀況較好，起步較早，大多參照國外企業(yè)的做法，在抗ESD設(shè)計和靜電防護(hù)方面都達(dá)到了較高的水平，如上海的貝嶺、南京的富士通、廣東北電等；而其它民品企業(yè)也已經(jīng)意識到靜電問題重要性，并在產(chǎn)品的抗靜電設(shè)計和生產(chǎn)線的靜電防護(hù)方面投入人員和資金，取得了很好的效果。 雖然國內(nèi)企業(yè)正在逐步改進(jìn)，但仍然存在不小的差距。舉例來說，如軍品CMOS電路還未提出2kV的要求；有些生產(chǎn)線豪華裝修，但無防靜電措施；從業(yè)人員缺乏關(guān)于ESD的上崗培訓(xùn)等。 靜電對電子產(chǎn)品的損害 靜電對電子產(chǎn)品的損害有多種形式，并具有自身的特點。 靜電損害的形式靜電的基本物理特性為：吸引或排斥，與大地有電位差，會產(chǎn)生放電電流。這三種特性能對電子元器件的三種影響：(a) 靜電吸附灰塵，降低元器件絕緣電阻（縮短壽命）。(b) 靜電放電（ESD）破壞，造成電子。(c) 靜電放電產(chǎn)生的電磁場幅度很大（達(dá)幾百伏/米）頻譜極寬（從幾十兆到幾千兆），對電子產(chǎn)器造成干擾甚至損壞（電磁干擾） 這三種形式對元器件造成的損傷，既可能是永久性的（如功能喪失，不能恢復(fù)），也可能是暫時性的（如靜電放電產(chǎn)生的干擾使功能暫時喪失）；既可能是突發(fā)失效，也可能是潛在失效。其中靜電放電(ESD)事件是造成元器件損傷最常見和最主要的原因。 靜電損害的特點相對與其它應(yīng)力，靜電對電子產(chǎn)品損害存在以下一些特點：(1) 隱蔽性人體不能直接感知靜電除非發(fā)生靜電放電,但是發(fā)生靜電放電人體也不一定能有電擊的感覺,這是因為人體感知的靜電放電電壓為2－3 KV,所以靜電具有隱蔽性。(2) 潛在性和累積性有些電子元器件受到靜電損傷后的性能沒有明顯的下降，但多次累加放電會給器件造成內(nèi)傷而形成隱患。因此靜電對器件的損傷具有潛在性。(3) 隨機(jī)性電子元件甚么情況下會遭受靜電破壞呢?可以這么說，從一個元件產(chǎn)生以后，一直到它損壞以前，所有的過程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機(jī)動性性。其損壞也具有隨機(jī)動性性。(4) 復(fù)雜性 靜電放電損傷的失效分析工作，因電子產(chǎn)品的精、細(xì)、微小的結(jié)構(gòu)特點而費時、費事、費錢，要求較高的技術(shù)并往往需要使用掃描電鏡等高精密儀器。即使如此，有些靜電損傷現(xiàn)象也難以與其他原因造成的損傷加以區(qū)別，使人誤把靜電損傷失效當(dāng)作其他失效。這在對靜電放電損害未充分認(rèn)識之前，常常歸因于早期失效或情況不明的失效，從而不自覺地掩蓋了失效的真正原因。所以靜電對電子器件損傷的分析具有復(fù)雜性。 可能產(chǎn)生靜電損害的制造過程元器件從生產(chǎn)到使用的整體過程中都可能遭受靜電損傷，依各階段的可分為：(1) 元器件制造過程 在這個過程，包含制造，切割、接線、檢驗到交貨。(2) 印刷電路版生產(chǎn)過程 收貨、驗收、儲存、插入、焊接、品管、包裝到出貨。(3) 設(shè)備制造過程 電路板驗收、儲存、裝配、品管、出貨。(4) 設(shè)備使用過程 收貨、安裝、試驗、使用及保養(yǎng)。(5) 設(shè)備維修過程在這整個過程中，每一個階段中的每一個小步驟，元件都可能遭受靜電的影響，而實際上，最主要而又容易疏忽的一點卻是在元器件的傳送與運(yùn)輸?shù)倪^程。在這整個過程中，不但包裝因移動容易產(chǎn)生靜電外，而且整個包裝容易暴露在外界電場(如經(jīng)過高壓設(shè)備附近，工人移動頻繁、車輛迅速移動等)而受到破壞，所以傳送與運(yùn)輸過程需要特別注意以減少損失，避免無謂之糾紛。所以，從元器件的制造，使用到維修的任一環(huán)節(jié)都有可能發(fā)生靜電損害。 靜電防護(hù)的目的和總的原則 目的和原則 靜電防護(hù)的根本目的是在電子元器件、組件、設(shè)備的制造和使用過程中，通過各種防護(hù)手段，防止因靜電的力學(xué)和放電效應(yīng)而產(chǎn)生或可能產(chǎn)生的危害，或?qū)⑦@些危害限制在最小程度，以確保元器件、組件和設(shè)備的設(shè)計性能及使用性能不致因靜電作用受到損害。前面我們已經(jīng)提到，電子工業(yè)中靜電危害的主要形式是靜電放電引起的元器件的突變失效和潛在失效，并進(jìn)而造成整機(jī)性能的下降或失效。所以，靜電防護(hù)和控制的主要目的應(yīng)是控制靜電放電，亦即防止靜電放電的發(fā)生或?qū)㈧o電放電的能量降至所有敏感器件的損傷閾值之下。從原則上說靜電防護(hù)應(yīng)從控制靜電的產(chǎn)生和控制靜電的消散兩方面進(jìn)行，控制靜