1、 . . 35/35電子元器件抗ESD技術 日期：電子元器件抗ESD技術講義引 言隨著電子元器件技術的發展，靜電對元器件應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、多功能等方向發展，因而元器件的尺寸越來越小，尤其是微電子器件，COMS IC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）、新型的納米器件以與高頻聲表面波器件（SAW）等多數也都是靜電敏感元器件；另一方面，在電子元器件制造和應用環境中，作為

2、靜電主要來源的各種高分子材料被廣泛采用，使得靜電的產生更加容易和廣泛。因此，必須應用各種抗靜電放電損傷的技術，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用行業的有關技術和管理人員進行“電子元器件抗靜電放電損傷技術”的基礎培訓。本講義主要分為4個章節的容。第1 章“電子元器件抗ESD損傷的基礎知識”，介紹有關靜電和靜電放電的基本原理，以與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”，重點介紹在電子元器件制造和裝配過程中，對環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“抗靜電檢測與分析技術”，主要介紹對

3、電子元器件的抗ESD水平進行檢測的技術。包括國外抗ESD檢測的主要標準，檢測的模型和方法以與實際的一些檢測結果和遇到的問題；并介紹了對ESD損傷的元器件進行失效分析的技術，包括一些常用和有效的分析技術與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。第4章“電子元器件抗ESD設計技術”，介紹電子元器件抗ESD損傷的設計技術，主要包括抗ESD設計的主要原則、基本保護電路和最先進的大規模CMOS電路中保護電路的設計技術。 本講義的容既有通用的基本理論和知識，也收集了國外的相關資料和數據，還有我們自己在工作中遇到和解決的實際案例、數據和圖片等。講義的容既有理論性，更注

4、重實用性，希望能為從事電子元器件制造和應用行業的有關技術和管理人員提供較為具體的技術指導和幫助。第1 章 電子元器件抗ESD損傷的基礎知識本章主要介紹有關靜電和靜電放電的基本原理，產生的危害以與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，static electricity)？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。是正負電荷在局部圍失去平衡的結果。靜電是通過電子或離子轉移而形成的。靜電可由物質的接觸和分離、靜電感應、介質極化和帶電微粒的附著等物理過程而產生。那什么是靜電放電（Electrostatic Disch

5、arge，ESD）呢？處于不同靜電電位的兩個物體間的靜電電荷的轉移就是靜電放電。這種轉移的方式有多種，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）是廣義的過電應力的一種。那么什么是過電應力呢？其中的ESD又有什么特點？廣義的過電應力（Electrical Over Stress，EOS）是指元器件承受的電流或電壓應力超過其允許的最大圍。表1.1是三種過電應力現象的特點比較。表1.1 三種過電應力現象的特點比較閃電（Lightning）過電（EOS）靜電放電

6、（ESD）極端的高壓極大的能量低電壓（16V）持續時間較長較低的能量高電壓（4kV）持續時間短（幾百納秒）很低的能量快速的上升時間從表中可以看到，靜電放電現象是過電應力一種，但與通常所說的過電應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，持續時間短，多數只有幾百納秒；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 對靜電認識的發展歷史人類對靜電放電危害的認識也是經歷了一段漫長的歷史，電子行業認識到ESD的危害只是最近幾十年。表1.2

7、列出了人類尤其是電子行業對ESD認識的發展過程，。表1.2 對ESD認識的發展1千百年前，靜電對人類來說曾經是非常神秘的2中國發明了火藥后，靜電對火藥制造行業不再神秘了3美國獨立戰爭期間，火藥是在有潮濕的泥墻和泥地的房子里制造的4現在，在靜電火花可能引起爆炸的行業如面粉廠、醫院的手術室都采取了特殊的防靜電措施。5在其它行業，靜電仍然是神秘6在40和50年代，在塑料和膠片制造行業，發現靜電問題7在50和60年代，在電子行業，出現靜電問題。常常發生奇怪的失效，在光學顯微鏡下看不到失效原因。失效分析的結論是原因不明8MOS晶體管的普與和IC的發展使靜電問題加劇970年代，IC的幾何尺寸縮小使問題更糟

8、10真正的突破是半導體領域掃描電子顯微鏡的應用（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，多數主要的電子制造商建立了他們的ESD組織，負責ESD問題13EOS/ESD也許是當今電子制造行業最主要的失效機理1.3 靜電的產生通常物體保持電中性狀態，這是由于它所具有的正負電荷量相等的緣故。如果兩種不同材料的物件因直接接觸或靜電感應而導致相互間電荷的轉移，使之存在過剩電荷，這樣就產生了靜電。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。 靜電產生的方式有很多，如接觸、摩擦、沖流、

9、冷凍、電解、壓電、溫差等，但主要是兩種形式，即摩擦產生靜電和感應產生靜電，如圖1.1所示。前者是兩種物體直接接觸后形成的，通常發生于絕緣體與絕緣體之間或者絕緣體與導體之間；后者則發生于帶電物體與導體之間，兩種物體無需直接接觸。1.3.1 摩擦產生靜電當兩種具有不同的電子化學勢或費米能級的材料相互接觸時，電子將從化學勢高的材料向化學勢低的材料轉移。當接觸后又快速分離時，總有一部分轉移出來的電子來不與返回到它們原來所在的材料，從而使化學勢低的材料因電子過剩而帶負電，化學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，這種方式產生的靜電荷與相互接觸的

10、兩個物體分離的速度有關。實際上，只要兩種不同的物體接觸再分離就會有靜電產生。但由于摩擦產生的熱能為電子轉移提供了足夠的能量，因此使靜電產生作用大大增強。當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，使得摩擦所產生的靜電荷比固定接觸后再分離所產生的靜電荷的數量要大得多。摩擦生電主要發生在絕緣體之間，因為絕緣體不能把所產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,所以能產生相當高的靜電勢。表1.3是常見物體帶電順序表，從帶正電依次排列到帶負電，其中任何兩種物體摩擦時，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

11、寡程度。排在前面的材料與排在后面的材料相互摩擦時，前者帶正電，后者帶負電。同種材料與不同材料相互摩擦時所帶電荷的極性可能不同，如棉布與玻璃棍摩擦帶負電，但與硅片摩擦時帶正電。棉布與玻璃摩擦后所帶電量大于它與尼龍摩擦所帶電量。摩擦產生靜電的大小除了與摩擦物體本身的材料性質有關之外，還要受到許多因素的影響，如環境的濕度、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14木材22聚氯乙烯(PVC)

12、7尼龍15琥珀負電荷方向(a) 摩擦生電 (b) 感應生電圖1.1靜電產生的兩種形式1.3.2 感應產生靜電 靜電產生的另一個重要來源是感應生電。當一個導體靠近帶電體時，會受到該帶電體形成的靜電場的作用，在靠近帶電體的導體表面感應出異種電荷遠離帶電體的表面出現同種電荷。盡管這時導體所帶凈電荷量仍為零，但出現了局部帶電區域。顯然，非導體不能通過感應產生靜電。1.3.3 靜電荷靜電的實質是存在剩余電荷。電荷是所有的有關靜電現象本質方面的物理量。電位、電場、電流等有關的量都是由于電荷的存在或電荷的移動而產生的物理量。在科研院所、高等院校、檢測站和工礦企業等部門經常需要測量物體的電荷量或電荷密度。表示

13、靜電電荷量的多少用電量表示，其單位是庫侖，由于庫侖的單位太大通常用微庫或納庫1庫侖（C）16微庫（C）1微庫(C) 13納庫 (C)1.3.4 靜電勢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？下面討論這個問題。前面已經提到，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。實際環境中產生的靜電電壓通常是指帶電體與之間的電位差。如果將作為零電位，靜電帶電體的靜電電壓顯然有正負之別，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之間的電位差與哪些因素有關呢？通常把靜電帶電體與另一

14、個物體或看成一個電容器。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之間有如下關系：V=（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。靜電荷一樣，靜電勢可能有數量級的差別。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= （1.2）A為電容器面積、為兩板之間物質的介電常數、d為兩板之間的距離。將（1.2）帶入（1.1）得：V= （1.3）從（1.3）式也可以了解與靜電電壓有關的各因素。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

15、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的介電常數成反比。又例： 在桌面的聚乙烯袋的靜電勢為幾百伏，當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。1.3.5 影響靜電產生和大小的因素靜電的產生與其大小與環境濕度和空氣中的離子濃度有密切的關系。在高濕度環境中由于物體表面吸附有一定數量雜質離子的水分子，形成弱導電的濕氣薄層，提高了絕緣體的表面電導率，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(如我國的東南沿海地區)或潮濕的梅雨季節，靜電勢較低。在相對濕度低的場合，如大陸性氣候地區(如我國的北

16、方地區)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)，因空氣中的離子濃度低，所以靜電更加容易產生。表1.4是電子生產中產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，產生的靜電電壓可以相差一個量級以上。表1.4 電子生產中產生的靜電勢的典型值（單位：V）事件相對濕度104050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中，靜電的來源是多方面的，如人體、塑料制品、有關的儀器設備以

17、與電子元器件本身。1.4.1 人體靜電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移到器件上或者通過器件放電。其二，人體與之間的電容低，約為50一250pF，典型值為150PF，故少量的人體靜電荷即可導致很高的靜電勢。其三，人體的電阻較低，相當于良導體，如手到腳之間的電阻只有幾百歐姆，手指產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雜，主要體現在以下幾個方面：(1) 人體靜電與人體所接觸的環境以與活

18、動方式有關表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) 人體靜電與環境濕度有關，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，化纖和塑料制品較之棉制品更容易產生靜電。工作服和衣摩擦時產生的靜電是人體靜電的主要起因之一，表1.5列出了質地不同的工作服和衣摩擦時人體所帶的靜電勢。表1.5 質地不同的工作服和衣摩擦時人體的靜電勢（kV）(4) 人體靜電與個體人的體質有關，主要表現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

19、阻越小，則因感應帶電越容易。人體電容與所穿戴的衣服和鞋的材料以與周圍所接觸的環境(特別是地板)有關，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。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，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，一般認為手腕側的靜電勢最高。1.4.2 儀器和設備的靜電儀器和設備也會由于摩擦或靜電感應而帶上靜電。如傳輸帶在傳動過程中由于與轉軸的接觸和分離產生的靜電，或是接地不良的

20、儀器金屬外殼在電場中感應產生靜電等。儀器設備帶電后，與元器件接觸也會產生靜電放電，并造成靜電損傷。1.4.3 器件本身的靜電電子元器件的外殼(主要指瓷、玻璃和塑料封裝管殼)與絕緣材料相互摩擦，也會產生靜電。器件外殼產生靜電后，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。1.4.4 其它靜電來源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生很高的靜電勢。表1.6 電子元器件操作環境的其它靜電源1.5 靜電放電的三種模式靜電對電子產品的損害有多

21、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，靜電會轉移到元器件上或通過元器件放電；或者元器件本身帶電，通過其它物體放電。這兩種過程都可能損傷元器件，損傷的程度與靜電放電的模式有關。實際過程中靜電的來源有很多，放電的形式也有多種。但通過對靜電的主要來源以與實際發生的靜電放電過程的研究認為，對元器件造成損傷的主要是三種模式，即帶電人體的靜電放電模式、帶電機器的放電模式和充電器件的放電模式。圖1.3和1.4分別是人體放電和充電器件放電的實例圖。1.5.1 帶電人體的放電模式(HBM)由于人體會與各種物體間發生接觸和磨擦，又與元器件接觸，所以人體易帶靜電，也容易

22、對元器件造成靜電損傷。普遍認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（Human Body Model）。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102-105。圖1.3 人體放電實例 圖1.4 充電器件放電實例CMVMRPCPVP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

23、時，它們之間空間的電場強度大于其介質（如空氣）的介電強度，介質電離產生電弧放電，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，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。 1.5.2 帶電機器的放電模式（MM）機器因為摩擦或感應也會帶電。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（Machine Model）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。1.5.3 充電器件的放電模型在元器件裝配、傳遞、試驗

24、、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-Device Model，CDM)來描述。下面以雙極型和MOS型半導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)所示，Cd為器件與周圍物體與地之間的電容，Ld為器件導電網絡的等效電感，Rd為芯片上放電電流通路的等效電阻。串聯著的Rd、Cd和Ld等效于帶電器件。開關S合上表示器件與地的放電接觸，接觸電阻為Rc。(b)圖1.7 帶電器件的靜電放電模型（a）雙極型器件 （b）MOS器件 MOS器件的

25、CDM等效電路如圖1.7(b)所示。由于MOS器件各個管腿的放電時間長短相差很大，所以要用不同的放電通路來模擬，每條放電通路都用其等效電容、電阻和電感來表示。當開關S閉合而且有任一個管腿接地時，各通路存儲的電荷將要放電。若在放電過程中，各個通路的放電特性不同，就會引起相互間的電勢差。這一電勢差也會造成器件的損壞，如柵介質擊穿等。器件放電等效電容Cd的大小和器件與周圍物體之間的位置與取向有關，表1.7給出了雙列直插封裝器件在不同取向時的等效電容值，可見管殼的取向不同，電容可相差十幾倍，因而其靜電放電閾值可以有顯著差別。表1.7雙列直插封裝器件在不同取向時的電容值(pF)1.6 靜電放電失效1.6

26、.1 失效模式電子元器件由靜電放電引發的失效可分為突發性失效和潛在性失效兩種模式。突發性失效是指元器件受到靜電放電損傷后，突然完全喪失其規定的功能，主要表現為開路、短路或參數嚴重漂移，具體模式如：雙極型器件的射一基間短路，場效應器件的柵一源間或柵一漏間短路或開路，集成電路的金屬化互連或鍵合引線的熔斷，多晶硅電阻開路， MOS電容介質擊穿短路等。潛在性失效是指靜電放電能量較低，僅在元器件部造成輕微損傷，放電后器件電參數仍然合格或略有變化，但器件的抗過電應力能力已經明顯削弱，或者使用壽命已明顯縮短，再受到工作應力或經過一段時間工作后將進一步退化，直至造成徹底失效。 在使用環境中出現的靜電放電失效大

27、多數為潛在失效。據統計，在由靜電放電造成的使用失效中，潛在性失效約占90，而突發性失效僅占10。而且，潛在性失效比突發性失效具有更大的危險性，這一方面是因為潛在失效難以檢測、而器件在制造和裝配過程中受到的潛在靜電損傷會影響它裝入整機后的使用壽命；另一方面，靜電損傷具有積累性，即使一次靜電放電未能使器件失效，多次靜電損傷累積起來最終必然使之完全失效。1.6.2 失效機理 靜電放電失效機理可分為過電壓場致失效和過電流熱致失效。過電壓場致失效多發生于MOS器件，包括含有MOS電容或鉭電容的雙極型電路和混合電路；過電流熱致失效則多發生于雙極器件，包括輸入用pn結二極管保護的MOS電路、肖持基二極管以與

28、含有雙極器件的混合電路。實際元器件發生哪種失效，取決于靜電放電回路的絕緣程度。如果放電回路阻抗較低，絕緣性差，元器件往往會因放電期間產生強電流脈沖導致高溫損傷，這屬于過電流損傷。如果放電回路阻抗較高，絕緣性好，則元器件會因接受了高電荷而產生高電壓，導致強電場損傷，這屬于過電壓損傷。(1) 過電壓場致失效過電壓場致失效是指高阻抗的靜電放電回路中，絕緣介質兩端的電極因接受了高靜電放電電荷而呈現高電壓，有可能使電極之間的電場超過其介質臨界擊穿電場，使電極之間的介質發生擊穿失效。高靜電電荷和高電壓的來源既可以是靜電源直接接觸放電、也可以是由于場感應而產生的。影響過壓失效的主要因素是累積的靜電電荷量和高

29、電壓。 對于MOS器件(包括MOS電容)和固體鉭電容，電極間介質的電場超過其擊穿臨界電場(對于SiO2，臨界場強為(7-10)106Vcm)時，介質層就會發生擊穿而使MOS器件的柵一源或柵一漏之間或電容的電極之間短路。計算表明，當人體電容為100pF、放電電阻為200時，作為靜電放電源的人體的靜電勢，只要有1100V就可使62.5nm厚度的氧化層被破壞。氧化層越薄或者氧化層電場越強，則越容易出現這種失效，所以具有強氧化層電場的VMOS功率器件以與具有更薄的柵氧化層的VLSlMOS電路（柵氧厚度已達幾個nm），比常規M0S器件更容易受到過電壓損傷。無論是MOS器件或電容，當介質層有針孔或缺陷時，

30、擊穿將首先在針孔或缺陷處發生。而對MOS器件來說，柵介質擊穿常常發生在柵一漏或柵一漏交接處，因該處不僅電場集中，而且作為薄厚氧化層交接的臺階所在，應力也集中，故介質擊穿強度較低。如果靜電放電能量不足以造成器件的永久性損壞，即擊穿后器件性能有可能恢復，但已引入潛在缺陷，繼續使用會經常出現低電壓擊穿和漏電增加，不久即會出現致命失效。對于CMOS硅柵器件，靜電放電造成的潛在損傷會使n溝道器件出現柵一源管道漏電，使p溝道器件柵一源間呈現二極管特性，對電路的正常工作造成不良影響，如圖1.8所示。圖1.8 CMOS硅柵器件的柵一源管道漏電 對于雙極型器件，過電壓場致損傷沒有MOS器件那樣顯著，靜電放電常常

31、在pn結擴散窗口邊緣處的表面附近形成電場，形成局部損傷使pn結反向電流增大。在集成電路中，如果鍵合引線與芯片的電源線之間距離太近，或者相鄰鋁條之間的距離很近，則當靜電導致它們之間的電壓超過空氣擊穿電壓時，就有可能發生氣體電弧放電，形成電火花，導致鋁條或金屬引線的熔化、結球或流動。在具有高密度和細間距金屬化互連的超大規模集成電路、具有梳狀電極的超高頻晶體管以與具有小間距薄層電極的聲表面波器件中，容易發生這種失效。 （2）過電流熱致失效過電流熱致失效是由于較低阻抗的放電回路中，由于靜電放電電流過大使局部區域溫升超過材料的熔點，導致材料發生局部熔融使元器件失效。影響過流失效的主要因素是功率密度。 靜

32、電放電形成的是短時大電流，放電脈沖的時間常數遠小于器件散熱的時間常數。因此，當靜電放電電流通過面積很小的pn結或肖特基結時，將產生很大的瞬間功率密度，形成局部過熱，有可能使局部結溫達到甚至超過材料的本征溫度(如硅的熔點1415)，使結區局部或多處熔化導致pn結短路，器件徹底失效。這種失效的發生與否，主要取決于器件部區域的功率密度，功率密度越小，說明器件越不易受到損傷。而器件部的功率密度大小除與器件自身的材料有關外，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。在總能量（總靜電電荷）不變的情況下，使pn結熔化所需的功率密度可由下式表示: (1.4)式中，P為功率，A為結面積，、和Cp分別

33、為半導體的熱導率、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為施加功率的持續時間即放電脈沖的寬度。對于硅而言，2.33gcmJ，Cp0.755J8K，0306Wcm：K，Tm1688K。由實際測量得到的和由式(1.4)畫出的硅器件功率密度與脈沖寬度的曲線如圖1.9所示。 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=RC。因此，增加放電回路的串聯電阻和電容是減小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絡，其抗ESD水平就比較強。放電回路高阻區（如pn結）的橫截面積為A，增加放電回路高阻區的橫截面積也是減小ESD損傷的重要途徑。圖1.9

34、 導致硅器件靜電放電熱破壞的功率密度與脈沖寬度關系曲線與均為理論擬合曲線，后者的結面積是前者的十分之一反偏pn結比正偏pn結更容易發生熱致失效，在反偏條件下使結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區中心，而正偏時，則多消耗在結區外的體電阻上。對于雙極器件，通常發射結的面積比其它結的面積都小，而且結面也比其它結更靠近表面，所以常常觀察到的是發射結的退化。此外，擊穿電壓高于100V或漏電流小于1nA的pn結(如JFET的柵結)，比類似尺寸的常規pn結對靜電放電更加敏感。 對于靜電放電熱致失效，環境溫度越高，發生失效所需的靜電能量越低，越容易發生此類失效。

35、表1.8給出了不同工藝制造的MOS電路在25和l25下的靜電放電失效電壓值。表1.8 不同溫度下M0S器件靜電放電失效電壓值除了對pn結造成熱破壞之外，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構薄弱，容易形成過熱點。對于淺pn結和肖特基結，靜電放電形成的焦耳熱可導致區域溫度超過鋁一硅共熔點溫度，使金屬化滲入硅部，穿透pn結使器件失效。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通，產生各種不希望的效應，如CMOS電路的閂鎖效應和功率晶體管的二次擊穿效應等。需

36、要強調的是，無論是過壓失效還是過流失效，都必須考慮時間效應。靜電脈沖雖然電壓很高，但相對其它EOS應力而言其能量較低，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靜電現象是客觀存在的，防止靜電對元器件損傷的途徑只有兩條：一是從元器件的設計和制造上進行抗靜電設計和工藝優化，提高元器件在的抗靜電能力；另一方面，就是采取靜電防護措施，使器件在制造、運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、組件制造商以與整機廠商來說，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。2.1 靜電防護的作用和

37、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。2.1.1 多數電子元器件是靜電敏感器件多數未采取保護措施的元器件靜電放電敏感度都是很低，很多在幾百伏的圍，如MOS單管在100-200V之間，GaAs FET在100300V之間，而且這些單管是不能增加保護電路的；一些電路尤其是CMOS IC采取了靜電保護設計，可雖然以明顯的提高抗ESD水平，但大多數也只能達到20004000V，而在實際環境中產生的靜電電壓則可能達到上萬伏（如第1章的表1.4和表1.6。因此，沒有防護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，絕大多數元器件

38、是靜電敏感器件，需要在制造、運輸和使用過程中采取防靜電保護措施。表2.1列出了一些沒有靜電保護設計器件的靜電放電敏感度。表2.1 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電路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石英與

39、壓電晶體1.010-7A/cm）； 單位長度的消電桿在單位時間所產生的能進行中和作用的電荷量； 離子流引出效率h（離子風）；單位時間離子引出總數與單位時間放電針產生離子總數之比； 靜電中和能力N（離子風）；（250V/s）單位時間能消除靜電的電壓值 。 靜電消電器的主要類型有： 感應式消電器：構成：接地針電極；原理：局部高壓；形式：單針、多針、電刷、電線；材料：導電纖維布、鋸齒狀導電薄膜或橡膠、刷狀炭纖維或金屬纖維；特點：簡單、無源、消電能力小，適用電荷密度大的物體，作用距離短，1020mm。高壓消電器： 構成：高壓源放電針（多根）或放電桿；分類：直流和工頻； 直流消電器的特點：消電力強、作用

40、圍大（150mm600mm）；但短路電流大，易發生火花放電。 工頻消電器的特點：市電驅動、方便、耗電低，作用距離25mm35mm，應用圍最廣;但需經常維護如清積灰、更換鈍化的針。 放射性同位素消電器：構成：同位素放射源屏蔽框保護網；特點：不需電源、結構安裝簡單、易維護、不發熱和打火，但消電力差，作用距離2030mm.離子風消電器： 構成：直流高壓電源（或放射源）電暈放電器送風系統；特點：應用最多，工作距離長作用圍廣（可達1m），電器的耗電小；但結構復雜，需配氣系統；環境（潔凈、干燥70、）和維護（日常、定期和臨時）要求高。如圖2.9是一些離子消電氣。圖2.9一些離子消電器2.6靜電防護的具體措

41、施2.6.1 建立靜電安全工作區在具體的制造過程中，建立靜電安全工作區，采用各種控制方法，將區域可能產生的靜電電壓保持在對最敏感的元器件都是安全的閾值下。 一般來說，構成一個完整的靜電安全工作區，至少應包括有效的導電桌墊、專用接地線、防靜電腕帶、地墊以對導體（如金屬件、導電的帶子、導電容器和人體等）上的靜電進行泄放。同上，配以靜電消除器，用于中和無法絕緣體上積累的電荷，這些電荷在絕緣體上不能流動，無法用泄漏接地的方法釋放掉。圖2.10是一典型的安全工作區示意圖。圖2.10 典型的安全工作區示意圖在靜電安全工作區中有一個十分重要的參數是靜電安全瀉放電阻。雖然單從區域靜電瀉放的速度方面考慮，瀉放電

42、阻越小越好，但受到兩個方面的限制。最主要的是要給工作去的操作人員提供防電擊條件，根據人體電擊時有能力脫離險境的極限電流（10-16mA）的要求，取安全電壓為5mA進行計算，由 R=U/A設U=220-380V，得R=4.4104-7.6104。則R值應取大于1.0105。而另一方面的限制是如果電阻很小，瀉放速度很快，對已帶有靜電的器件來說，則會發生瀉放電流過大導致器件損傷，反而不安全。那么安全電阻的上限是怎么確定的呢？是由一秒鐘將5000V靜電電壓衰減到100V安全電壓的最大容許接地電阻值決定的。根據式：U=U0e-t/RC,取U0=5000V, U=100V,t=1S,C=200pf,可得R

43、=1.28109。因此，安全區的安全瀉放電阻一般要保證小于109，即無論是桌墊、地墊還是接地腕帶，只要其系統電阻值小于109，即可保證在1S放電至安全電壓值，這就大大減少了敏感器件在靜電作用下損壞的機會。根據實際情況的不同，可建立表2.2所列的不同等級的靜電安全區。表2.3是靜電安全區的典型數據。表2.2 靜電安全區等級等級防護區的靜電電位最高限值1100V2500V31000V表2.3 靜電安全區的典型數據項目理論值工程值靜電安全系統回路電阻值105109105107靜電安全系統支路電阻值105108106接地母線電阻值4100=20%4070靜電泄漏時間1s0.1s臭氧含量50ppb250

44、V/s250V/s防靜電箱（盒、車）類容器的體電阻率v108cmv104cm防靜電管類容器的表面電阻Rs108Rs103靜電保護帶接地電阻1.01081.0106靜電保護帶長度任意2.2M腕帶接地電阻1.01081.0106腕帶長度任意1.6M接地帶（線）電阻值1.01081.0106接地帶（線）長度任意3M維修包鋪開尺寸任意550600（mm2）防靜電服裝類的帶電量帶電量Q=0.6C/件Q=0.1C/件防靜電鞋類的鞋底泄漏電阻0.51051.01081.5105防靜電皮帶、輪子的表面電阻/106運輸帶的表面電阻/105防靜電海綿的體電阻率104107cm104cm金屬箔電阻值/100m靜電安工作區的建立主要包括：（1）設置防靜電接地系統； 接地電阻10（G1205890：=250k to=500k to=250k to=500k to=1