电子元器件抗ESD技术.docx

电子元器件抗ESD技术讲义引 言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，COMS IC中亚微米栅已进入实用化，栅条宽度达到0.18um，栅氧厚度为几个nm或几十个Å，栅氧的击穿电压小于20V。尺寸的减小，就使电子元器件对静电变得更加敏感。而大量新发展起来的特种器件如GaAs 单片集成电路（MMIC）、新型的纳米器件以及高频声表面波器件（SAW）等多数也都是静电敏感元器件；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，必须应用各种抗静电放电损伤的技术，使静电对电子元器件的危害减小到最低的程度。编写本讲义的主要目的是对电子元器件制造和应用行业的有关技术和管理人员进行“电子元器件抗静电放电损伤技术”的基础培训。本讲义主要分为4个章节的内容。第1 章“电子元器件抗ESD损伤的基础知识”，介绍有关静电和静电放电的基本原理，以及对元器件损伤的主要机理和模式；第2章“制造过程的防静电损伤技术”，重点介绍在电子元器件制造和装配过程中，对环境和人员的静电防护要求，以保证电子元器件在制造和装配过程中的静电安全；第3章“抗静电检测及分析技术”，主要介绍对电子元器件的抗ESD水平进行检测的技术。包括国内外抗ESD检测的主要标准，检测的模型和方法以及实际的一些检测结果和遇到的问题；并介绍了对ESD损伤的元器件进行失效分析的技术，包括一些常用和有效的分析技术及其适用的条件和技巧。还讨论了ESD损伤和过电（EOS）损伤的几种判别方法和技术。第4章“电子元器件抗ESD设计技术”，介绍电子元器件抗ESD损伤的设计技术，主要包括抗ESD设计的主要原则、基本保护电路和最先进的大规模CMOS电路中保护电路的设计技术。 本讲义的内容既有通用的基本理论和知识，也收集了国内外的相关资料和数据，还有我们自己在工作中遇到和解决的实际案例、数据和图片等。讲义的内容既有理论性，更注重实用性，希望能为从事电子元器件制造和应用行业的有关技术和管理人员提供较为具体的技术指导和帮助。第1 章 电子元器件抗ESD损伤的基础知识本章主要介绍有关静电和静电放电的基本原理，产生的危害以及对元器件损伤的主要机理和模式。1.1 静电和静电放电的定义和特点什么是静电(Electrostatic，static electricity)？通俗地来说，静电就是静止不动的电荷。它一般存在于物体的表面。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。那什么是静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）呢？处于不同静电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。一般来说，静电只有在发生静电放电时，才会对元器件造成伤害和损伤。如人体带电时只有接触金属物体、或与他人握手时才会有电击的感觉。对电子元器件来说，静电放电（ESD）是广义的过电应力的一种。那么什么是过电应力呢？其中的ESD又有什么特点？广义的过电应力（Electrical Over Stress，EOS）是指元器件承受的电流或电压应力超过其允许的最大范围。表1.1是三种过电应力现象的特点比较。表1.1 三种过电应力现象的特点比较闪电（Lightning）过电（EOS）静电放电（ESD）极端的高压极大的能量低电压（16V）持续时间较长较低的能量高电压（4kV）持续时间短（几百纳秒）很低的能量快速的上升时间从表中可以看到，静电放电现象是过电应力一种，但与通常所说的过电应力相比有其自身的特点：首先其电压较高，至少都有几百伏，典型值在几千伏，最高可达上万伏；其次，持续时间短，多数只有几百纳秒；第三是相对于通常所说的EOS，其释放的能量较低，典型值在几十个到几百个微焦耳；另外，ESD电流的上升时间很短，如常见的人体放电，其电流上升时间短于10ns。1.2 对静电认识的发展历史人类对静电放电危害的认识也是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。表1.2列出了人类尤其是电子行业对ESD认识的发展过程，。表1.2 对ESD认识的发展1千百年前，静电对人类来说曾经是非常神秘的2中国发明了火药后，静电对火药制造行业不再神秘了3美国独立战争期间，火药是在有潮湿的泥墙和泥地的房子里制造的4现在，在静电火花可能引起爆炸的行业如面粉厂、医院的手术室都采取了特殊的防静电措施。5在其它行业，静电仍然是神秘6在40和50年代，在塑料和胶片制造行业，发现静电问题7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8MOS晶体管的普及和IC的发展使静电问题加剧970年代，IC的几何尺寸缩小使问题更糟10真正的突破是半导体领域扫描电子显微镜的应用（70年代后期），第一次即使最小的ESD损伤也能看到111979年，EOS/ESD研讨会成立，主要研究ESD问题，寻求解决方法1280年代初期，多数主要的电子制造商建立了他们的ESD组织，负责ESD问题13EOS/ESD也许是当今电子制造行业最主要的失效机理1.3 静电的产生通常物体保持电中性状态，这是由于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件因直接接触或静电感应而导致相互间电荷的转移，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与地之间有一定的电势差，称之为静电势。 静电产生的方式有很多，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，如图1.1所示。前者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；后者则发生于带电物体与导体之间，两种物体无需直接接触。1.3.1 摩擦产生静电当两种具有不同的电子化学势或费米能级的材料相互接触时，电子将从化学势高的材料向化学势低的材料转移。当接触后又快速分离时，总有一部分转移出来的电子来不及返回到它们原来所在的材料，从而使化学势低的材料因电子过剩而带负电，化学势高的材料因电子不足而带正电。对绝缘体而言，由于电子不易移动，过剩电荷将在接触表面附近累积。显然，这种方式产生的静电荷与相互接触的两个物体分离的速度有关。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，因此使静电产生作用大大增强。当两种物体相互摩擦的时候，接触和分离几乎同时进行，是一个不断接触又不断分离的过程。分离速度快、接触面积大，使得摩擦所产生的静电荷比固定接触后再分离所产生的静电荷的数量要大得多。摩擦生电主要发生在绝缘体之间，因为绝缘体不能把所产生的电荷迅速分布到物体整个表面，或迅速传给它所接触的物体,所以能产生相当高的静电势。表1.3是常见物体带电顺序表，从带正电依次排列到带负电，其中任何两种物体摩擦时，可以按此表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带电荷的极性可能不同，如棉布与玻璃棍摩擦带负电，但与硅片摩擦时带正电。棉布与玻璃摩擦后所带电量大于它与尼龙摩擦所带电量。摩擦产生静电的大小除了与摩擦物体本身的材料性质有关之外，还要受到许多因素的影响，如环境的湿度、摩擦的面积、分离速度、接触压力、表面洁净度等。表1.3是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1空气9丝绸17镊、铜2人的手10铝18黄铜、银3兔毛11纸19聚酯人造纤维4玻璃12棉布20聚乙烯5云母13钢21聚丙烯6头发14木材22聚氯乙烯(PVC)7尼龙15琥珀负电荷方向 ¯(a) 摩擦生电 (b) 感应生电图1.1 静电产生的两种形式1.3.2 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远离带电体的表面出现同种电荷。尽管这时导体所带净电荷量仍为零，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。1.3.3 静电荷静电的实质是存在剩余电荷。电荷是所有的有关静电现象本质方面的物理量。电位、电场、电流等有关的量都是由于电荷的存在或电荷的移动而产生的物理量。在科研院所、高等院校、检测站和工矿企业等部门经常需要测量物体的电荷量或电荷密度。表示静电电荷量的多少用电量表示，其单位是库仑，由于库仑的单位太大通常用微库或纳库1库仑（C）16微库（C）1微库(C) 13纳库 (C)1.3.4 静电势虽然静电电荷是表征静电的最直接的参量，但人们又常说静电电压几千伏或几万伏。其含义是什么呢？与那些因素有关？下面讨论这个问题。前面已经提到，带有静电电荷的物体之间或者它们与地之间有一定的电势差，这就称之为静电势，也叫静电电压。实际环境中产生的静电电压通常是指带电体与大地之间的电位差。如果将大地作为零电位，静电带电体的静电电压显然有正负之别，通常说静电电压几千伏或几万伏是指其绝对值。静电带电体与另一个物体或大地之间的电位差与哪些因素有关呢？通常把静电带电体与另一个物体或大地看成一个电容器。电容器的电容量C、电容器一个电极上的电荷量Q和电容器两个极间的电位差V之间有如下关系： V= （1.1）从式1.1可以知道，静电带电物体的电容对其静电势有显著影响。带电物体与另一个物体或地之间的静电电压与它们之间的电容量成反比，即电容量越小，静电电压越大。静电荷相同，静电势可能有数量级的差别。如将式1.1中的电容等效成平板电容器，其电容量C可表示为： C= （1.2）A为电容器面积、为两板之间物质的介电常数、d为两板之间的距离。将（1.2）带入（1.1）得： V= （1.3）从（1.3）式也可以了解与静电电压有关的各因素。例：人体带静电，其静电电压与所带的电荷量Q和人脚与地面的距离d成正比，与两脚的面积A（如果人是站立的）和脚底面与地间的物质的介电常数成反比。又例： 在桌面的聚乙烯袋的静电势为几百伏，当人将袋子提起离开桌面时，因它对地间距增大，电容减小，会使静电势增加到几千伏。1.3.5 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，从而使静电势降低。所以，在相对湿度高的场合，如海洋性气候地区(如我国的东南沿海地区)或潮湿的梅雨季节，静电势较低。在相对湿度低的场合，如大陆性气候地区(如我国的北方地区)或干燥的冬季，静电势就高。与普通场所相比，在空气纯净的场所(如超净车间)内，因空气中的离子浓度低，所以静电更加容易产生。表1.4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量级以上。表1.4 电子生产中产生的静电势的典型值（单位：V）事件相对湿度104050走过乙烯地毯1200050003000在工作椅上操作人员的移动6000800400将DIP封装的器件从塑料管中取出2000700400将印刷电路板装进泡沫包装盒中210001100055001.4 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、有关的仪器设备以及电子元器件本身。1.4.1 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器件上或者通过器件放电。其二，人体与大地之间的电容低，约为50一250pF，典型值为150PF，故少量的人体静电荷即可导致很高的静电势。其三，人体的电阻较低，相当于良导体，如手到脚之间的电阻只有几百欧姆，手指产生的接触电阻为几千至几十千欧姆，故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。影响人体静电的因素十分复杂，主要体现在以下几个方面：(1) 人体静电与人体所接触的环境以及活动方式有关表1.4列出了在几种活动中人体的静电势，图1.2则给出了操作人员在做不同的动作时手上静电势的变化曲线。图1.2 操作者手上的静电(2) 人体静电与环境湿度有关，湿度越低则静电势越高。从表1.4可以清楚地看到这一点。(3) 人体静电与所着衣物和鞋帽的材料有关，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起因之一，表1.5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1.5 质地不同的工作服和内衣摩擦时人体的静电势（kV）(4) 人体静电与个体人的体质有关，主要表现在人体等效电容与等效电阻上。人体电容越小，则因摩擦而带电越容易，带电电压越高，人体电阻越小，则因感应带电越容易。人体电容与所穿戴的衣服和鞋的材料以及周围所接触的环境(特别是地板)有关，人体电阻则与皮肤表面水分、盐和油脂的含量、皮肤接触面积和压力等因素有关。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。 (5)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。由图1.2可以看出这一点。(6) 人体各部位所带的静电电荷不是均等的，一般认为手腕侧的静电势最高。1.4.2 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的静电，或是接地不良的仪器金属外壳在电场中感应产生静电等。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。1.4.3 器件本身的静电电子元器件的外壳(主要指陶瓷、玻璃和塑料封装管壳)与绝缘材料相互摩擦，也会产生静电。器件外壳产生静电后，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。1.4.4 其它静电来源除上述三种静电来源外，在电子元器件的制造、安装、传递、运输、试验、储存、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1.6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1.6 电子元器件操作环境的其它静电源1.5 静电放电的三种模式静电对电子产品的损害有多种形式，其中最常见、危害最大的是静电放电（ESD）。带静电的物体与元器件有电接触时，静电会转移到元器件上或通过元器件放电；或者元器件本身带电，通过其它物体放电。这两种过程都可能损伤元器件，损伤的程度与静电放电的模式有关。实际过程中静电的来源有很多，放电的形式也有多种。但通过对静电的主要来源以及实际发生的静电放电过程的研究认为，对元器件造成损伤的主要是三种模式，即带电人体的静电放电模式、带电机器的放电模式和充电器件的放电模式。图1.3和1.4分别是人体放电和充电器件放电的实例图。1.5.1 带电人体的放电模式(HBM)由于人体会与各种物体间发生接触和磨擦，又与元器件接触，所以人体易带静电，也容易对元器件造成静电损伤。普遍认为大部分元器件静电损伤是由人体静电造成的。带静电的人体可以等效为图1.5的等效电路，这个等效电路又称人体静电放电模型（Human Body Model）。其中，Vp带静电的人体与地的电位差，Cp带静电的人体与地之间的电容量，一般为50-250pF；Rp人体与被放电体之间的电阻值，一般为102-105。 图1.3 人体放电实例 图1.4 充电器件放电实例CMVMRPCPVP图1.5 带电人体的静电放电模型 图1.6带电机器的放电模型人体与被放电体之间的放电有两种。即接触放电和电弧放电。接触放电时人体与被放电之间的电阻值是个恒定值。电弧放电是在人体与被放电体之间有一定距离时，它们之间空间的电场强度大于其介质（如空气）的介电强度，介质电离产生电弧放电，暗场中可见弧光。电弧放电的特点是在放电的初始阶段，因为空气是不良导体，放电通道的阻抗较高，放电电流较小；随着放电的进行，通道温度升高，引起局部电离，通道阻抗逐渐降低，电流增大，直至达到一个峰值；然后，随着人体静电能量的释放，电流逐渐减少，直至电弧消失。 1.5.2 带电机器的放电模式（MM）机器因为摩擦或感应也会带电。带电机器通过电子元器件放电也会造成损伤。机器放电的模型（Machine Model）如图1.6所示。与人体模式相比，机器没有电阻，电容则相对要大。1.5.3 充电器件的放电模型在元器件装配、传递、试验、测试、运输和储存的过程中由于壳体与其它材料磨擦，壳体会带静电。一旦元器件引出腿接地时，壳体将通过芯体和引出腿对地放电。这种形式的放电可用所谓带电器件模型(Charged-Device Model，CDM)来描述。下面以双极型和MOS型半导体器件为例给出静电放电的等效电路。双极型器件的CDM等效电路如图1.7(a)所示，Cd为器件与周围物体及地之间的电容，Ld为器件导电网络的等效电感，Rd为芯片上放电电流通路的等效电阻。串联着的Rd、Cd和Ld等效于带电器件。开关S合上表示器件与地的放电接触，接触电阻为Rc。 (a) (b)图1.7 带电器件的静电放电模型（a） 双极型器件 （b）MOS器件 MOS器件的CDM等效电路如图1.7(b)所示。由于MOS器件各个管腿的放电时间长短相差很大，所以要用不同的放电通路来模拟，每条放电通路都用其等效电容、电阻和电感来表示。当开关S闭合而且有任一个管腿接地时，各通路存储的电荷将要放电。若在放电过程中，各个通路的放电特性不同，就会引起相互间的电势差。这一电势差也会造成器件的损坏，如栅介质击穿等。器件放电等效电容Cd的大小和器件与周围物体之间的位置及取向有关，表1.7给出了双列直插封装器件在不同取向时的等效电容值，可见管壳的取向不同，电容可相差十几倍，因而其静电放电阈值可以有显著差别。表1.7 双列直插封装器件在不同取向时的电容值(pF)1.6 静电放电失效1.6.1 失效模式电子元器件由静电放电引发的失效可分为突发性失效和潜在性失效两种模式。突发性失效是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，具体模式如：双极型器件的射一基间短路，场效应器件的栅一源间或栅一漏间短路或开路，集成电路的金属化互连或键合引线的熔断，多晶硅电阻开路， MOS电容介质击穿短路等。潜在性失效是指静电放电能量较低，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，但器件的抗过电应力能力已经明显削弱，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放电失效大多数为潜在失效。据统计，在由静电放电造成的使用失效中，潜在性失效约占90，而突发性失效仅占10。而且，潜在性失效比突发性失效具有更大的危险性，这一方面是因为潜在失效难以检测、而器件在制造和装配过程中受到的潜在静电损伤会影响它装入整机后的使用寿命；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。1.6.2 失效机理 静电放电失效机理可分为过电压场致失效和过电流热致失效。过电压场致失效多发生于MOS器件，包括含有MOS电容或钽电容的双极型电路和混合电路；过电流热致失效则多发生于双极器件，包括输入用pn结二极管保护的MOS电路、肖持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，取决于静电放电回路的绝缘程度。如果放电回路阻抗较低，绝缘性差，元器件往往会因放电期间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。(1) 过电压场致失效过电压场致失效是指高阻抗的静电放电回路中，绝缘介质两端的电极因接受了高静电放电电荷而呈现高电压，有可能使电极之间的电场超过其介质临界击穿电场，使电极之间的介质发生击穿失效。高静电电荷和高电压的来源既可以是静电源直接接触放电、也可以是由于场感应而产生的。影响过压失效的主要因素是累积的静电电荷量和高电压。 对于MOS器件(包括MOS电容)和固体钽电容，电极间介质的电场超过其击穿临界电场(对于SiO2，临界场强为(7-10)×106Vcm)时，介质层就会发生击穿而使MOS器件的栅一源或栅一漏之间或电容的电极之间短路。计算表明，当人体电容为100pF、放电电阻为200时，作为静电放电源的人体的静电势，只要有1100V就可使62.5nm厚度的氧化层被破坏。氧化层越薄或者氧化层电场越强，则越容易出现这种失效，所以具有强氧化层电场的VMOS功率器件以及具有更薄的栅氧化层的VLSl MOS电路（栅氧厚度已达几个nm），比常规M0S器件更容易受到过电压损伤。无论是MOS器件或电容，当介质层有针孔或缺陷时，击穿将首先在针孔或缺陷处发生。而对MOS器件来说，栅介质击穿常常发生在栅一漏或栅一漏交接处，因该处不仅电场集中，而且作为薄厚氧化层交接的台阶所在，应力也集中，故介质击穿强度较低。如果静电放电能量不足以造成器件的永久性损坏，即击穿后器件性能有可能恢复，但已引入潜在缺陷，继续使用会经常出现低电压击穿和漏电增加，不久即会出现致命失效。对于CMOS硅栅器件，静电放电造成的潜在损伤会使n沟道器件出现栅一源管道漏电，使p沟道器件栅一源间呈现二极管特性，对电路的正常工作造成不良影响，如图1.8所示。图1.8 CMOS硅栅器件的栅一源管道漏电 对于双极型器件，过电压场致损伤没有MOS器件那样显著，静电放电常常在pn结扩散窗口边缘处的表面附近形成电场，形成局部损伤使pn结反向电流增大。在集成电路中，如果键合引线与芯片的电源线之间距离太近，或者相邻铝条之间的距离很近，则当静电导致它们之间的电压超过空气击穿电压时，就有可能发生气体电弧放电，形成电火花，导致铝条或金属引线的熔化、结球或流动。在具有高密度和细间距金属化互连的超大规模集成电路、具有梳状电极的超高频晶体管以及具有小间距薄层电极的声表面波器件中，容易发生这种失效。 （2）过电流热致失效过电流热致失效是由于较低阻抗的放电回路中，由于静电放电电流过大使局部区域温升超过材料的熔点，导致材料发生局部熔融使元器件失效。影响过流失效的主要因素是功率密度。 静电放电形成的是短时大电流，放电脉冲的时间常数远小于器件散热的时间常数。因此，当静电放电电流通过面积很小的pn结或肖特基结时，将产生很大的瞬间功率密度，形成局部过热，有可能使局部结温达到甚至超过材料的本征温度(如硅的熔点1415)，使结区局部或多处熔化导致pn结短路，器件彻底失效。这种失效的发生与否，主要取决于器件内部区域的功率密度，功率密度越小，说明器件越不易受到损伤。而器件内部的功率密度大小除与器件自身的材料有关外，还与静电放电的电流幅度、脉冲宽度和作用的面积密切相关。在总能量（总静电电荷）不变的情况下，使pn结熔化所需的功率密度可由下式表示: (1.4)式中，P为功率，A为结面积，、和Cp分别为半导体的热导率、密度和比热，Tm和Ti分别为破坏温度和初始温度(一般为室温)，t为施加功率的持续时间即放电脉冲的宽度。对于硅而言，2.33gcmJ，Cp0.755J8·K，0306Wcm：K，Tm1688K。由实际测量得到的和由式(1.4)画出的硅器件功率密度与脉冲宽度的曲线如图1.9所示。 回路中静电放电的时间是由回路中的电阻和电容决定的,有=RC。因此，增加放电回路的串联电阻和电容是减小ESD损伤的有效途径。如硅功率器件，由于输入端有大电容组成的阻抗匹配网络，其抗ESD水平就比较强。放电回路高阻区（如pn结）的横截面积为A，增加放电回路高阻区的横截面积也是减小ESD损伤的重要途径。图1.9 导致硅器件静电放电热破坏的功率密度与脉冲宽度关系曲线与均为理论拟合曲线，后者的结面积是前者的十分之一反偏pn结比正偏pn结更容易发生热致失效，在反偏条件下使结损坏所需要的能量只有正偏条件下的十分之一左右。这是因为反偏时，大部分功率消耗在结区中心，而正偏时，则多消耗在结区外的体电阻上。对于双极器件，通常发射结的面积比其它结的面积都小，而且结面也比其它结更靠近表面，所以常常观察到的是发射结的退化。此外，击穿电压高于100V或漏电流小于1nA的pn结(如JFET的栅结)，比类似尺寸的常规pn结对静电放电更加敏感。 对于静电放电热致失效，环境温度越高，发生失效所需的静电能量越低，越容易发生此类失效。表1.8给出了不同工艺制造的MOS电路在25和l25下的静电放电失效电压值。表1.8 不同温度下M0S器件静电放电失效电压值除了对pn结造成热破坏之外，静电放电的大电流脉冲功率还可能造成其它破坏。它有可能使金属互连线或键合线熔化而开路，这常常出现在金属条截面积小的地方，如铝条横跨氧化层台阶处，因这种地方电流密度大而且结构薄弱，容易形成过热点。对于浅pn结和肖特基结，静电放电形成的焦耳热可导致区域温度超过铝一硅共熔点温度，使金属化渗入硅内部，穿透pn结使器件失效。在集成电路中，静电形成的脉冲电流还有可能使寄生的器件导通，产生各种不希望的效应，如CMOS电路的闩锁效应和功率晶体管的二次击穿效应等。需要强调的是，无论是过压失效还是过流失效，都必须考虑时间效应。静电脉冲虽然电压很高，但相对其它EOS应力而言其能量较低，放电脉冲时间很短。这也是器件的ESD失效阈值电压远高于其额定工作电压的原因。第2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条：一是从元器件的设计和制造上进行抗静电设计和工艺优化，提高元器件内在的抗静电能力；另一方面，就是采取静电防护措施，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。对元器件的使用方，包括后工序厂家、电路板、组件制造商以及整机厂商来说，主要甚至只能采取后一种方法来防止或减少静电对元器件的损害。2.1 静电防护的作用和意义为什么要在制造过程中采取防静电控制措施？我们从以下三个方面来说明。2.1.1 多数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是很低，很多在几百伏的范围，如MOS单管在100-200V之间，GaAs FET在100300V之间，而且这些单管是不能增加保护电路的；一些电路尤其是CMOS IC采取了静电保护设计，可虽然以明显的提高抗ESD水平，但大多数也只能达到20004000V，而在实际环境中产生的静电电压则可能达到上万伏（如第1章的表1.4和表1.6。因此，没有防护的元器件很容易受到静电损伤。而且随着元器件尺寸的越来减小，这种损伤就会越来越多。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。表2.1列出了一些没有静电保护设计器件的静电放电敏感度。表2.1 一些器件的静电敏感度 器件类型实例静电敏感度(单位kV)MOSFET3CO、3DO系列0.1-0.2JFET3CT系列0.14-1.0GaAs FET0.1-0.3CMOSCO00、CD400系列0.25-2.0HMOS6800系列0.05-0.5E/D MOS Z80系列0.2-1.0VMOS0.03-1.8ECL电路EOOO系列0.3-2.5SCL(可控硅)0.68-1.0S-TTL54S、74S系列0.3-2.5DTL7400、5400系列0.38-7.0石英及压电晶体<10.02.1.2 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。据美国1988年的报道，它们的电子行业中，由于ESD的影响，每年的损失达50亿美元之多；据日本统计，它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也至少有几千万。图2.1是美国Ti公司对某一年对客户失效器件原因进行分析统计的结果，从中可以看到由EOS/ESD引起的失效占总数的47%；图1.2是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，从中可以看到,EOS/ESD造成的失效也达到20%。 而图2.3是一个CMOS器件和一个双极型器件在受到ESD损伤后芯片内部的相貌像。图2.1 Ti公司某一年客户失效器件原因的分析统计图2.2 1993年从制造商、测试方和使用现场得到的3400例失效案例统计 (a) CC4069 4.0kV (b) JF709 2.0kV 图2.3 电路受ESD损伤后的形貌像ESD对电子元器件的危害还表现在它的潜在性。 即器件在受到ESD应力后并不马上失效，而会在使用过程中逐渐退化或突然失效。这时的器件是“带伤工作”。这是人们对静电危害认识不够的一个主要原因。实际上，静电放电对元器件损伤的潜在性和累积效应会严重地影响元器件的使用可靠性。由于潜在损伤的器件无法鉴别和剔除，一旦在上机应用时失效，造成的损失就更大。而避免或减少这种损失的最好办法就是采取静电防护措施，使元器件避免静电放电的危害。图2.4是一个器件受到ESD潜在损伤的例子，器件的功能没有失效，只是某个管脚的I-V特性发生了一些变化。图2.5是对一种型号的两组CMOS IC进行过可靠性对比试验。一组是经历过低于其失效阈值较多电压的ESD试验而功能完全正常的样品，另一组是未经过任何试验的良品。寿命试验的结果是前者的中位寿命（累积失效率为50的寿命）低于后者2个量级以上。这充分说明了ESD潜在损伤对器件可靠性的影响。图2.4 ESD潜在损伤引起的I-V特性变化图2.5 对比试验的寿命分布曲线2.1.3 国内外企业的状况国际上在1979年成立了EOS/ESD研究协会，主要研究电子行业的EOS和ESD问题，寻求解决方法。美军标883E“微电路试验方法”中关于ESD等级评价的标准已先后7次修订，现在已是3015.7版，而且很多标准明确规定军用微电路必须达到2kV的ESD等级。美国多数主要的电子制造商在八十年代初已经建立了他们的ESD组织机构，专门负责ESD方面的工作，主要有防静电设计、静电检测、静电防护以及管理、培训等。 与国际上发达国家相比，我国在这方面的工作起步要晚很多，差距也较大。直到最近几年才真正重视和发展起来。在军品方面，如修改版的国军标GJB548A-96和国军标128A97 分别增加了对微电路和分立器件的静电放电敏感度分类要求；并要求贯彻国标的产品必须给出ESDS的值；在民品方面，合资和独资企业的状况较好，起步较早，大多参照国外企业的做法，在抗ESD设计和静电防护方面都达到了较高的水平，如上海的贝岭、南京的富士通、广东北电等；而其它民品企业也已经意识到静电问题重要性，并在产品的抗静电设计和生产线的静电防护方面投入人员和资金，取得了很好的效果。虽然国内企业正在逐步改进，但仍然存在不小的差距。举例来说，如军品CMOS电路还未提出2kV的要求；有些生产线豪华装修，但无防静电措施；从业人员缺乏关于ESD的上岗培训等。2.2 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。2.2.1 静电损害的形式静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电位差，会产生放电电流。这三种特性能对电子元器件的三种影响：(a) 静电吸附灰尘，降低元器件绝缘电阻（缩短寿命）。(b) 静电放电（ESD）破坏，造成电子。(c) 静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米）频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产器造成干扰甚至损坏（电磁干扰） 这三种形式对元器件造成的损伤，既可能是永久性的（如功能丧失，不能恢复），也可能是暂时性的（如静电放电产生的干扰使功能暂时丧失）；既可能是突发失效，也可能是潜在失效。其中静电放电(ESD)事件是造成元器件损伤最常见和最主要的原因。2.2.2 静电损害的特点相对与其它应力，静电对电子产品损害存在以下一些特点：(1) 隐蔽性人体不能直接感知静电除非发生静电放电,但是发生静电放电人体也不一定能有电击的感觉,这是因为人体感知的静电放电电压为23 KV,所以静电具有隐蔽性。(2) 潜在性和累积性有些电子元器件受到静电损伤后的性能没有明显的下降，但多次累加放电会给器件造成内伤而形成隐患。因此静电对器件的损伤具有潜在性。(3) 随机性电子元件甚么情况下会遭受静电破坏呢?可以这么说，从一个元件产生以后，一直到它损坏以前，所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机动性性。其损坏也具有随机动性性。(4) 复杂性 静电放电损伤的失效分析工作，因电子产品的精、细、微小的结构特点而费时、费事、费钱，要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器。即使如此，有些静电损伤现象也难以与其他原因造成的损伤加以区别，使人误把静电损伤失效当作其他失效。这在对静电放电损害未充分认识之前，常常归因于早期失效或情况不明的失效，从而不自觉地掩盖了失效的真正原因。所以静电对电子器件损伤的分析具有复杂性。2.2.3 可能产生静电损害的制造过程元器件从生产到使用的整体过程中都可能遭受静电损伤，依各阶段的可分为：(1) 元器件制造过程 在这个过程，包含制造，切割、接线、检验到交货。(2) 印刷电路版生产过程 收货、验收、储存、插入、焊接、品管、包装到出货。(3) 设备制造过程 电路板验收、储存、装配、品管、出货。