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靜電放電(ESD)對半導(dǎo)體的危害與防護(hù)及其檢測標(biāo)準(zhǔn)

嘉峪檢測網(wǎng)        2017-11-08 17:03

一、什么是靜電?

 

靜電就是相對觀察者為靜止或者緩慢變化的電荷。靜電是一種電能,它存在于物體表面;靜電是正電荷和負(fù)電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果;靜電是通過電子或離子的轉(zhuǎn)移而形成的。當(dāng)天氣干燥時,用塑料梳子梳頭會產(chǎn)生放電聲;脫下合成纖維衣服時產(chǎn)生噼啪聲,夜間還可以看到火花,這都是我們?nèi)粘I钪薪?jīng)常體驗到的靜電放電現(xiàn)象。

 

二、 靜電對半導(dǎo)體器件的危害

 

      半導(dǎo)體器件在制造、測試、存儲、運輸及裝配過程中,儀器設(shè)備、材料及操作者都很容易因摩擦而產(chǎn)生幾千甚至上萬伏的靜電電壓。當(dāng)器件與這些帶電體接觸時,帶電體就會通過器件引腳進(jìn)行放電,從而可能導(dǎo)致器件的損傷。靜電放電(ESD) 對半導(dǎo)體器件尤其是CMOS集成電路、MOS管和微波器件等靜電敏感器件帶來了嚴(yán)重危害。半導(dǎo)體器件靜電損傷的失效模式主要有:

 

(1)突發(fā)性完全失效

 

      突發(fā)性完全失效是器件的一個或多個電參數(shù)突然劣化,完全失去規(guī)定功能的一種失效。通常表現(xiàn)為開路、短路以及電參數(shù)嚴(yán)重漂移。 半導(dǎo)體器件ESD損傷主要表現(xiàn)為:

 

a 介質(zhì)擊穿

 

b 金屬化鋁損傷與熔融

 

c 硅片局部區(qū)域熱熔

 

d PN結(jié)損傷與熱破壞短路

 

e 擴(kuò)散電阻與多晶電阻損傷(包括接觸孔損傷)

 

f ESD可觸發(fā)CMOS集成電路內(nèi)部寄生的可控硅 “閂鎖”效應(yīng),導(dǎo)致器件大電流燒毀。

 

 (2)潛在性失效

 

     如果帶電體的靜電勢或存儲的靜電能量較低,或ESD回路有限流電阻存在,一次ESD脈沖不足以引起器件發(fā)生突發(fā)性完全失效。但它會在器件內(nèi)部造成輕微損傷,這種損傷又是積累性的。隨著ESD脈沖次數(shù)增加,器件的損傷閾值電壓逐漸下降,器件的電參數(shù)逐漸劣化,這類失效稱為潛在性失效。它降低了器件抗靜電的能力,降低了器件的使用可靠性,此類失效的危害性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于突發(fā)性失效。

 

三、    典型的集成電路ESD失效形貌

 

一只八路總線收發(fā)器失效模式表現(xiàn)為無輸出,測試發(fā)現(xiàn)器件的Pin4與GND間為呈阻性,將芯片去層后發(fā)現(xiàn)在Pin4的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)中有明顯的局部熱熔。典型的失效形貌見圖1~圖4。

靜電放電(ESD)對半導(dǎo)體器件的危害及防護(hù)

一只鍵盤控制芯片失效模式表現(xiàn)為Shift按鍵響應(yīng)異常,測試發(fā)現(xiàn)器件的Pin26與VSS間呈漏電特性,同樣將芯片去層后發(fā)現(xiàn)在Pin25附近有明顯的擊穿形貌。典型的失效形貌見圖5~圖8。

靜電放電(ESD)對半導(dǎo)體器件的危害及防護(hù)

雖然ESD電壓非常高,放電瞬間能產(chǎn)生很大的電流,但是由于放電時間非常短,因此總的靜電能量很小,由以上兩個案例來看,芯片的損傷點均非常小,這也是芯片ESD失效形貌的一個重要特征。

 

四、ESD的防護(hù)措施

 

(1)   產(chǎn)品的設(shè)計階段必須考慮靜電的防護(hù),例如半導(dǎo)體器件選型時必須認(rèn)證ESD等級,IO接口線路添加ESD防護(hù)器件等。

 

(2)   對有靜電防護(hù)要求的器件進(jìn)行分類存放,而且存放和轉(zhuǎn)運必須使用防靜電的包裝材料和防靜電轉(zhuǎn)運箱。

 

(3)   生產(chǎn)區(qū)間地板、桌椅面料和工作臺墊應(yīng)由防靜電材料制成,并正確接地,環(huán)境濕度控制在50~60%左右,能大幅有效防止靜電的產(chǎn)生。

 

(4)   生產(chǎn)區(qū)間的所有設(shè)備、治具必須保證接地良好。

 

(5)   操作者應(yīng)該佩戴防靜電手環(huán),并穿著防靜電的服裝、鞋和帽子,必要時還需佩戴防靜電手套。

 

以上只是幾點常規(guī)的靜電防護(hù)方法,想要進(jìn)一步降低ESD危害,就必須建立一個完整ESD防護(hù)體系,它應(yīng)該貫穿產(chǎn)品設(shè)計到產(chǎn)品被客戶接收的整個過程,而且體系必須進(jìn)行很好地管理,并使之融入到制造過程的每一個環(huán)節(jié)。

 

五、ESD的相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)

 

1 GB/T 31841-2015 電工電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu) 電磁屏蔽和靜電放電防護(hù)設(shè)計指南
 
2 GB/T 14598.14-2010 采量度繼電器和保護(hù)裝置 第22-2部分:電氣騷擾試驗--靜電放電試驗
 
3 GB/T 24112-2009 工業(yè)機(jī)械電氣設(shè)備 靜電放電抗擾度試驗規(guī)范
 
4 GB/T 17626.2-2006 采電磁兼容 試驗和測量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗

 

靜電放電(ESD)對半導(dǎo)體器件的危害及防護(hù)
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來源:嘉峪檢測網(wǎng)

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