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電子元器件抗esd技術講義-文庫吧

2023-07-28 01:20 本頁面


【正文】 內,因空氣中的離子濃度低,所以靜電更加容易產生。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。 電子生產中產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21000110005500 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、有關的儀器設備以及電子元器件本身。 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及活動方式有關。 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。(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。工作服和內衣摩擦時產生的靜電是人體靜電的主要起因之一。 質地不同的工作服和內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及周圍所接觸的環境(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。(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。 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。 器件本身的靜電電子元器件的外殼(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。 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。這些物品相互摩擦或與人體摩擦都會產生很高的靜電勢。 電子元器件操作環境的其它靜電源 靜電放電的三種模式 靜電對電子產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及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。 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。,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50250pF;Rp人體與被放電體之間的電阻值,一般為102105Ω。 人體放電實例 充電器件放電實例CM+-VMRPCP+-VP 帶電人體的靜電放電模型 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(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??;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。 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)。與人體模式相比,機器沒有電阻,電容則相對要大。 充電器件的放電模型在元器件裝配、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(ChargedDevice 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。(a)所示,Cd為器件與周圍物體及地之間的電容,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。 (a) (b) 帶電器件的靜電放電模型(a) 雙極型器件 (b)MOS器件 (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及取向有關,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。 雙列直插封裝器件在不同取向時的電容值(pF) 靜電放電失效 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,僅在元器件內部造成輕微損傷,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。 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、肖持基二極管以及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(710)106V/cm)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200Ω時,作為靜電放電源的人體的靜電勢。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功率器件以及具有更薄的柵氧化層的VLSl MOS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,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。 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及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
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