电子元器件抗ESD技术讲义二

由天下分享时间：2025/1/19 8:33:21 加入收藏我要投稿点赞

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100－300V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2000－4000V，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 MOSFET JFET GaAs FET CMOS HMOS E/D MOS VMOS ECL电路 SCL(可控硅) S-TTL DTL 石英及压电晶体实例 3CO、3DO系列 3CT系列 CO00、CD400系列 6800系列 Z80系列 EOOO系列 54S、74S系列 7400、5400系列静电敏感度(单位kV) 0.1-0.2 0.14-1.0 0.1-0.3 0.25-2.0 0.05-0.5 0.2-1.0 0.03-1.8 0.3-2.5 0.68-1.0 0.3-2.5 0.38-7.0 <10.0 2.1.2 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。

EOS/ESD装联设计未解决的未证实的晶片制造

图2.1 Ti公司某一年客户失效器件原因的分析统计

ESD/EOS未知原因金丝球焊未证实的见切力其他14种其他原因，每种小于4%

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128A－97 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。

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2－3 KV,所以静电具有隐蔽性。