電子元器件抗ESD技術(shù)講義

引言(4第1章電子元器件抗ESD損傷的基礎(chǔ)知識(51.1靜電和靜電放電的定義和特點(51.2對靜電認(rèn)識的發(fā)展歷史(61.3靜電的產(chǎn)生(61.4靜電的來源(101.5靜電放電的三種模式(121.6靜電放電失效(15第2章制造過程的防靜電損傷技術(shù)...................錯誤!未定義書簽。2.1靜電防護的作用和意義................................................................錯誤!未定義書簽。2.2靜電對電子產(chǎn)品的損害................................................................錯誤!未定義書簽。2.3靜電防護的目的和總的原則..........................................................錯誤!未定義書簽。2.4靜電防護材料................................................................................錯誤!未定義書簽。2.5靜電防護器材................................................................................錯誤!未定義書簽。2.6靜電防護的具體措施....................................................................錯誤!未定義書簽。3.1抗靜電檢測的作用和意義............................................................錯誤!未定義書簽。3.2靜電放電的標(biāo)準(zhǔn)波形....................................................................錯誤!未定義書簽。3.3抗ESD檢測標(biāo)準(zhǔn)..........................................................................錯誤!未定義書簽。書簽。定義書簽。3.4實際ESD檢測的結(jié)果統(tǒng)計及分析..............................................錯誤!未定義書簽。3.5關(guān)于ESD檢測中經(jīng)常遇到的一些問題......................................錯誤!未定義書簽。3.6ESD損傷的失效定位分析技術(shù)...................................................錯誤!未定義書簽。3.7ESD和EOS的判別方法討論......................................................錯誤!未定義書簽。4.1元器件抗ESD設(shè)計基礎(chǔ)..............................................................錯誤!未定義書簽。4.2元器件基本抗ESD保護電路.........................................................錯誤!未定義書簽。4.3CMOS電路ESD失效模式和機理..............................................錯誤!未定義書簽。4.4CMOS電路ESD可靠性設(shè)計策略..............................................錯誤!未定義書簽。4.5CMOS電路基本ESD保護電路的設(shè)計......................................錯誤!未定義書簽。4.6工藝控制和管理............................................................................錯誤!未定義書簽。參考文獻:..............................................................錯誤!未定義書簽。引言隨著電子元器件技術(shù)的發(fā)展,靜電對元器件應(yīng)用造成的危害越來越明顯。一方面,電子元器件不斷向輕、薄、短、小、高密度、多功能等方向發(fā)展,因而元器件的尺寸越來越小,尤其是微電子器件,COMSIC中亞微米柵已進入實用化,柵條寬度達到0.18um,柵氧厚度為幾個nm或幾十個?,柵氧的擊穿電壓小于20V。尺寸的減小,就使電子元器件對靜電變得更加敏感。而大量新發(fā)展起來的特種器件如GaAs單片集成電路(MMIC、新型的納米器件以及高頻聲表面波器件(SAW等多數(shù)也都是靜電敏感元器件;另一方面,在電子元器件制造和應(yīng)用環(huán)境中,作為靜電主要來源的各種高分子材料被廣泛采用,使得靜電的產(chǎn)生更加容易和廣泛。因此,必須應(yīng)用各種抗靜電放電損傷的技術(shù),使靜電對電子元器件的危害減小到最低的程度。編寫本講義的主要目的是對電子元器件制造和應(yīng)用行業(yè)的有關(guān)技術(shù)和管理人員進行“電子元器件抗靜電放電損傷技術(shù)”的基礎(chǔ)培訓(xùn)。本講義主要分為4個章節(jié)的內(nèi)容。第1章“電子元器件抗ESD損傷的基礎(chǔ)知識”,介紹有關(guān)靜電和靜電放電的基本原理,以及對元器件損傷的主要機理和模式;第2章“制造過程的防靜電損傷技術(shù)”,重點介紹在電子元器件制造和裝配過程中,對環(huán)境和人員的靜電防護要求,以保證電子元器件在制造和裝配過程中的靜電安全;第3章“抗靜電檢測及分析技術(shù)”,主要介紹對電子元器件的抗ESD水平進行檢測的技術(shù)。包括國內(nèi)外抗ESD檢測的主要標(biāo)準(zhǔn),檢測的模型和方法以及實際的一些檢測結(jié)果和遇到的問題;并介紹了對ESD損傷的元器件進行失效分析的技術(shù),包括一些常用和有效的分析技術(shù)及其適用的條件和技巧。還討論了ESD損傷和過電(EOS損傷的幾種判別方法和技術(shù)。第4章“電子元器件抗ESD設(shè)計技術(shù)”,介紹電子元器件抗ESD損傷的設(shè)計技術(shù),主要包括抗ESD設(shè)計的主要原則、基本保護電路和最先進的大規(guī)模CMOS電路中保護電路的設(shè)計技術(shù)。本講義的內(nèi)容既有通用的基本理論和知識,也收集了國內(nèi)外的相關(guān)資料和數(shù)據(jù),還有我們自己在工作中遇到和解決的實際案例、數(shù)據(jù)和圖片等。講義的內(nèi)容既有理論性,更注重實用性,希望能為從事電子元器件制造和應(yīng)用行業(yè)的有關(guān)技術(shù)和管理人員提供較為具體的技術(shù)指導(dǎo)和幫助。第1章電子元器件抗ESD損傷的基礎(chǔ)知識本章主要介紹有關(guān)靜電和靜電放電的基本原理,產(chǎn)生的危害以及對元器件損傷的主要機理和模式。1.1靜電和靜電放電的定義和特點什么是靜電(Electrostatic,staticelectricity?通俗地來說,靜電就是靜止不動的電荷。它一般存在于物體的表面。是正負(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轉(zhuǎn)移而形成的。靜電可由物質(zhì)的接觸和分離、靜電感應(yīng)、介質(zhì)極化和帶電微粒的附著等物理過程而產(chǎn)生。那什么是靜電放電(ElectrostaticDischarge,ESD呢?處于不同靜電電位的兩個物體間的靜電電荷的轉(zhuǎn)移就是靜電放電。這種轉(zhuǎn)移的方式有多種,如接觸放電、空氣放電。一般來說,靜電只有在發(fā)生靜電放電時,才會對元器件造成傷害和損傷。如人體帶電時只有接觸金屬物體、或與他人握手時才會有電擊的感覺。對電子元器件來說,靜電放電(ESD是廣義的過電應(yīng)力的一種。那么什么是過電應(yīng)力呢?其中的ESD又有什么特點?廣義的過電應(yīng)力(ElectricalOverStress,EOS是指元器件承受的電流或電壓應(yīng)力超過其允許的最大范圍。表1.1是三種過電應(yīng)力現(xiàn)象的特點比較。表1.1三種過電應(yīng)力現(xiàn)象的特點比較閃電(Lightning過電(EOS靜電放電(ESD極端的高壓極大的能量低電壓(16V持續(xù)時間較長較低的能量高電壓(4kV持續(xù)時間短(幾百納秒很低的能量快速的上升時間從表中可以看到,靜電放電現(xiàn)象是過電應(yīng)力一種,但與通常所說的過電應(yīng)力相比有其自身的特點:首先其電壓較高,至少都有幾百伏,典型值在幾千伏,最高可達上萬伏;其次,持續(xù)時間短,多數(shù)只有幾百納秒;第三是相對于通常所說的EOS,其釋放的能量較低,典型值在幾十個到幾百個微焦耳;另外,ESD電流的上升時間很短,如常見的人體放電,其電流上升時間短于10ns。1.2對靜電認(rèn)識的發(fā)展歷史人類對靜電放電危害的認(rèn)識也是經(jīng)歷了一段漫長的歷史,電子行業(yè)認(rèn)識到ESD的危害只是最近幾十年。表1.2列出了人類尤其是電子行業(yè)對ESD認(rèn)識的發(fā)展過程,。表1.2對ESD認(rèn)識的發(fā)展1千百年前,靜電對人類來說曾經(jīng)是非常神秘的2中國發(fā)明了火藥后,靜電對火藥制造行業(yè)不再神秘了3美國獨立戰(zhàn)爭期間,火藥是在有潮濕的泥墻和泥地的房子里制造的4現(xiàn)在,在靜電火花可能引起爆炸的行業(yè)如面粉廠、醫(yī)院的手術(shù)室都采取了特殊的防靜電措施。5在其它行業(yè),靜電仍然是神秘6在40和50年代,在塑料和膠片制造行業(yè),發(fā)現(xiàn)靜電問題7在50和60年代,在電子行業(yè),出現(xiàn)靜電問題。常常發(fā)生奇怪的失效,在光學(xué)顯微鏡下看不到失效原因。失效分析的結(jié)論是原因不明8MOS晶體管的普及和IC的發(fā)展使靜電問題加劇970年代,IC的幾何尺寸縮小使問題更糟10真正的突破是半導(dǎo)體領(lǐng)域掃描電子顯微鏡的應(yīng)用(70年代后期,第一次即使最小的ESD損傷也能看到111979年,EOS/ESD研討會成立,主要研究ESD問題,尋求解決方法1280年代初期,多數(shù)主要的電子制造商建立了他們的ESD組織,負(fù)責(zé)ESD問題13EOS/ESD也許是當(dāng)今電子制造行業(yè)最主要的失效機理1.3靜電的產(chǎn)生通常物體保持電中性狀態(tài),這是由于它所具有的正負(fù)電荷量相等的緣故。如果兩種不同材料的物件因直接接觸或靜電感應(yīng)而導(dǎo)致相互間電荷的轉(zhuǎn)移,使之存在過剩電荷,這樣就產(chǎn)生了靜電。帶有靜電電荷的物體之間或者它們與地之間有一定的電勢差,稱之為靜電勢。靜電產(chǎn)生的方式有很多,如接觸、摩擦、沖流、冷凍、電解、壓電、溫差等,但主要是兩種形式,即摩擦產(chǎn)生靜電和感應(yīng)產(chǎn)生靜電,如圖1.1所示。前者是兩種物體直接接觸后形成的,通常發(fā)生于絕緣體與絕緣體之間或者絕緣體與導(dǎo)體之間;后者則發(fā)生于帶電物體與導(dǎo)體之間,兩種物體無需直接接觸。當(dāng)兩種具有不同的電子化學(xué)勢或費米能級的材料相互接觸時,電子將從化學(xué)勢高的材料向化學(xué)勢低的材料轉(zhuǎn)移。當(dāng)接觸后又快速分離時,總有一部分轉(zhuǎn)移出來的電子來不及返回到它們原來所在的材料,從而使化學(xué)勢低的材料因電子過剩而帶負(fù)電,化學(xué)勢高的材料因電子不足而帶正電。對絕緣體而言,由于電子不易移動,過剩電荷將在接觸表面附近累積。顯然,這種方式產(chǎn)生的靜電荷與相互接觸的兩個物體分離的速度有關(guān)。實際上,只要兩種不同的物體接觸再分離就會有靜電產(chǎn)生。但由于摩擦產(chǎn)生的熱能為電子轉(zhuǎn)移提供了足夠的能量,因此使靜電產(chǎn)生作用大大增強。當(dāng)兩種物體相互摩擦的時候,接觸和分離幾乎同時進行,是一個不斷接觸又不斷分離的過程。分離速度快、接觸面積大,使得摩擦所產(chǎn)生的靜電荷比固定接觸后再分離所產(chǎn)生的靜電荷的數(shù)量要大得多。摩擦生電主要發(fā)生在絕緣體之間,因為絕緣體不能把所產(chǎn)生的電荷迅速分布到物體整個表面,或迅速傳給它所接觸的物體,所以能產(chǎn)生相當(dāng)高的靜電勢。表1.3是常見物體帶電順序表,從帶正電依次排列到帶負(fù)電,其中任何兩種物體摩擦?xí)r,可以按此表來判斷它們帶電的極性,還可以大致估計所帶電荷的多寡程度。排在前面的材料與排在后面的材料相互摩擦?xí)r,前者帶正電,后者帶負(fù)電。同種材料與不同材料相互摩擦?xí)r所帶電荷的極性可能不同,如棉布與玻璃棍摩擦帶負(fù)電,但與硅片摩擦?xí)r帶正電。棉布與玻璃摩擦后所帶電量大于它與尼龍摩擦所帶電量。摩擦產(chǎn)生靜電的大小除了與摩擦物體本身的材料性質(zhì)有關(guān)之外,還要受到許多因素的影響,如環(huán)境的濕度、摩擦的面積、分離速度、接觸壓力、表面潔凈度等。表1.3是常見物體帶電順序表序號材料序號材料序號材料正電荷方向↑8羊毛16硬橡皮1空氣9絲綢17鑷、銅2人的手10鋁18黃銅、銀3兔毛11紙19聚酯人造纖維4玻璃12棉布20聚乙烯5云母13鋼21聚丙烯6頭發(fā)14木材22聚氯乙烯(PVC7尼龍15琥珀負(fù)電荷方向↓(a摩擦生電(b感應(yīng)生電圖1.1靜電產(chǎn)生的兩種形式靜電產(chǎn)生的另一個重要來源是感應(yīng)生電。當(dāng)一個導(dǎo)體靠近帶電體時,會受到該帶電體形成的靜電場的作用,在靠近帶電體的導(dǎo)體表面感應(yīng)出異種電荷.遠離帶電體的表面出現(xiàn)同種電荷。盡管這時導(dǎo)體所帶凈電荷量仍為零,但出現(xiàn)了局部帶電區(qū)域。顯然,非導(dǎo)體不能通過感應(yīng)產(chǎn)生靜電。靜電的實質(zhì)是存在剩余電荷。電荷是所有的有關(guān)靜電現(xiàn)象本質(zhì)方面的物理量。電位、電場、電流等有關(guān)的量都是由于電荷的存在或電荷的移動而產(chǎn)生的物理量。在科研院所、高等院校、檢測站和工礦企業(yè)等部門經(jīng)常需要測量物體的電荷量或電荷密度。表示靜電電荷量的多少用電量Q表示,其單位是庫侖C,由于庫侖的單位太大通常用微庫或納庫1庫侖(C=16微庫(μC1微庫(μC=13納庫(μC雖然靜電電荷是表征靜電的最直接的參量,但人們又常說靜電電壓幾千伏或幾萬伏。其含義是什么呢?與那些因素有關(guān)?下面討論這個問題。前面已經(jīng)提到,帶有靜電電荷的物體之間或者它們與地之間有一定的電勢差,這就稱之為靜電勢,也叫靜電電壓。實際環(huán)境中產(chǎn)生的靜電電壓通常是指帶電體與大地之間的電位差。如果將大地作為零電位,靜電帶電體的靜電電壓顯然有正負(fù)之別,通常說靜電電壓幾千伏或幾萬伏是指其絕對值。靜電帶電體與另一個物體或大地之間的電位差與哪些因素有關(guān)呢?通常把靜電帶電體與另一個物體或大地看成一個電容器。電容器的電容量C、電容器一個電極上的電荷量Q和電容器兩個極間的電位差V之間有如下關(guān)系:V=CQ(1.1從式1.1可以知道,靜電帶電物體的電容對其靜電勢有顯著影響。帶電物體與另一個物體或地之間的靜電電壓與它們之間的電容量成反比,即電容量越小,靜電電壓越大。靜電荷相同,靜電勢可能有數(shù)量級的差別。如將式1.1中的電容等效成平板電容器,其電容量C可表示為:C=dAε?(1.2A為電容器面積、ε為兩板之間物質(zhì)的介電常數(shù)、d為兩板之間的距離。將(1.2帶入(1.1得:V=ε??AdQ(1.3從(1.3式也可以了解與靜電電壓有關(guān)的各因素。例:人體帶靜電,其靜電電壓與所帶的電荷量Q和人腳與地面的距離d成正比,與兩腳的面積A(如果人是站立的和腳底面與地間的物質(zhì)的介電常數(shù)ε成反比。又例:在桌面的聚乙烯袋的靜電勢為幾百伏,當(dāng)人將袋子提起離開桌面時,因它對地間距增大,電容減小,會使靜電勢增加到幾千伏。靜電的產(chǎn)生及其大小與環(huán)境濕度和空氣中的離子濃度有密切的關(guān)系。在高濕度環(huán)境中由于物體表面吸附有一定數(shù)量雜質(zhì)離子的水分子,形成弱導(dǎo)電的濕氣薄層,提高了絕緣體的表面電導(dǎo)率,可將靜電荷散逸到整個材料的表面,從而使靜電勢降低。所以,在相對濕度高的場合,如海洋性氣候地區(qū)(如我國的東南沿海地區(qū)或潮濕的梅雨季節(jié),靜電勢較低。在相對濕度低的場合,如大陸性氣候地區(qū)(如我國的北方地區(qū)或干燥的冬季,靜電勢就高。與普通場所相比,在空氣純凈的場所(如超凈車間內(nèi),因空氣中的離子濃度低,所以靜電更加容易產(chǎn)生。表1.4是電子生產(chǎn)中產(chǎn)生的靜電勢的典型值。從中可以看到,同樣的動作在不同的濕度下,產(chǎn)生的靜電電壓可以相差一個量級以上。表1.4電子生產(chǎn)中產(chǎn)生的靜電勢的典型值(單位:V事件相對濕度10%40%50%走過乙烯地毯1200050003000在工作椅上操作人員的移動6000800400將DIP封裝的器件從塑料管中取出2000700400將印刷電路板裝進泡沫包裝盒中210001100055001.4靜電的來源在電子制造業(yè)中,靜電的來源是多方面的,如人體、塑料制品、有關(guān)的儀器設(shè)備以及電子元器件本身。人體是最重要的靜電源,這主要有三個方面的原因。其一,人體接觸面廣,活動范圍大,很容易與帶有靜電荷的物體接觸或摩擦而帶電,同時也有許多機會將人體自身所帶的電荷轉(zhuǎn)移到器件上或者通過器件放電。其二,人體與大地之間的電容低,約為50一250pF,典型值為150PF,故少量的人體靜電荷即可導(dǎo)致很高的靜電勢。其三,人體的電阻較低,相當(dāng)于良導(dǎo)體,如手到腳之間的電阻只有幾百歐姆,手指產(chǎn)生的接觸電阻為幾千至幾十千歐姆,故人體處于靜電場中也容易感應(yīng)起電,而且人體某一部分帶電即可造成全身帶電。影響人體靜電的因素十分復(fù)雜,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:(1人體靜電與人體所接觸的環(huán)境以及活動方式有關(guān)表1.4列出了在幾種活動中人體的靜電勢,圖1.2則給出了操作人員在做不同的動作時手上靜電勢的變化曲線。圖1.2操作者手上的靜電(2人體靜電與環(huán)境濕度有關(guān),濕度越低則靜電勢越高。從表1.4可以清楚地看到這一點。(3人體靜電與所著衣物和鞋帽的材料有關(guān),化纖和塑料制品較之棉制品更容易產(chǎn)生靜電。工作服和內(nèi)衣摩擦?xí)r產(chǎn)生的靜電是人體靜電的主要起因之一,表1.5列出了質(zhì)地不同的工作服和內(nèi)衣摩擦?xí)r人體所帶的靜電勢。表1.5質(zhì)地不同的工作服和內(nèi)衣摩擦?xí)r人體的靜電勢(kV(4人體靜電與個體人的體質(zhì)有關(guān),主要表現(xiàn)在人體等效電容與等效電阻上。人體電容越小,則因摩擦而帶電越容易,帶電電壓越高,人體電阻越小,則因感應(yīng)帶電越容易。人體電容與所穿戴的衣服和鞋的材料以及周圍所接觸的環(huán)境(特別是地板有關(guān),人體電阻則與皮膚表面水分、鹽和油脂的含量、皮膚接觸面積和壓力等因素有關(guān)。由于人體電容的60%是腳底對地電容,而電容量正比于人體與地之間的接觸面積,所以單腳站立的人體靜電勢遠大于雙腳站立的人體靜電勢。(5人體靜電與人的操作速度有關(guān),操作速度越快,人體靜電勢越高。由圖1.2可以看出這一點。(6人體各部位所帶的靜電電荷不是均等的,一般認(rèn)為手腕側(cè)的靜電勢最高。儀器和設(shè)備也會由于摩擦或靜電感應(yīng)而帶上靜電。如傳輸帶在傳動過程中由于與轉(zhuǎn)軸的接觸和分離產(chǎn)生的靜電,或是接地不良的儀器金屬外殼在電場中感應(yīng)產(chǎn)生靜電等。儀器設(shè)備帶電后,與元器件接觸也會產(chǎn)生靜電放電,并造成靜電損傷。電子元器件的外殼(主要指陶瓷、玻璃和塑料封裝管殼與絕緣材料相互摩擦,也會產(chǎn)生靜電。器件外殼產(chǎn)生靜電后,會通過某一接地的管腳或外接引線釋放靜電,也會對器件造成靜電損傷。除上述三種靜電來源外,在電子元器件的制造、安裝、傳遞、運輸、試驗、儲存、測量和調(diào)試等過程中,會遇到各種各樣的由絕緣材料制成的物品,如表1.6所列。這些物品相互摩擦或與人體摩擦都會產(chǎn)生很高的靜電勢。表1.6電子元器件操作環(huán)境的其它靜電源1.5靜電放電的三種模式靜電對電子產(chǎn)品的損害有多種形式,其中最常見、危害最大的是靜電放電(ESD。帶靜電的物體與元器件有電接觸時,靜電會轉(zhuǎn)移到元器件上或通過元器件放電;或者元器件本由于人體會與各種物體間發(fā)生接觸和磨擦,又與元器件接觸,所以人體易帶靜電,也容易對元器件造成靜電損傷。普遍認(rèn)為大部分元器件靜電損傷是由人體靜電造成的。帶靜電的人體可以等效為圖1.5的等效電路,這個等效電路又稱人體靜電放電模型(HumanBodyModel。其中,Vp帶靜電的人體與地的電位差,Cp帶靜電的人體與地之間的電容量,一般為50-250pF;Rp人體與被放電體之間的電阻值,一般為102-105Ω。圖1.3人體放電實例圖1.4充電器件放電實例圖1.5帶電人體的靜電放電模型圖1.6帶電機器的放電模型人體與被放電體之間的放電有兩種。即接觸放電和電弧放電。接觸放電時人體與被放電之間的電阻值是個恒定值。電弧放電是在人體與被放電體之間有一定距離時,它們之間空間的電場強度大于其介質(zhì)(如空氣的介電強度,介質(zhì)電離產(chǎn)生電弧放電,暗場中可見弧光。電弧放電的特點是在放電的初始階段,因為空氣是不良導(dǎo)體,放電通道的阻抗較高,放電電流較小;隨著放電的進行,通道溫度升高,引起局部電離,通道阻抗逐漸降低,電流增大,RPCP+-VPCM+-VM直至達到一個峰值;然后,隨著人體靜電能量的釋放,電流逐漸減少,直至電弧消失。機器因為摩擦或感應(yīng)也會帶電。帶電機器通過電子元器件放電也會造成損傷。機器放電的模型(MachineModel如圖1.6所示。與人體模式相比,機器沒有電阻,電容則相對要大。在元器件裝配、傳遞、試驗、測試、運輸和儲存的過程中由于殼體與其它材料磨擦,殼體會帶靜電。一旦元器件引出腿接地時,殼體將通過芯體和引出腿對地放電。這種形式的放電可用所謂帶電器件模型(Charged-DeviceModel,CDM來描述。下面以雙極型和MOS型半導(dǎo)體器件為例給出靜電放電的等效電路。雙極型器件的CDM等效電路如圖1.7(a所