ESD (靜電)對(duì)半導(dǎo)體器件的影響

1、ESD (靜電)對(duì)半導(dǎo)體器件的影響一        靜電的概念靜電（Electrostatic）就是相對(duì)觀(guān)察者為靜止或緩慢變化的電荷。靜電是一種電能，它留存于物體表面；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(guò)電子或離子的轉(zhuǎn)移而形成的。靜電放電現(xiàn)象是大家都熟悉的。當(dāng)天氣干燥時(shí)，用塑料梳子梳頭會(huì)產(chǎn)生放電聲；脫下合成纖維衣服時(shí)產(chǎn)生劈啪聲，夜間還可以看到火花（空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)為30KV/CM）；在日光燈、電視機(jī)屏幕、唱片、錄音機(jī)磁頭上易于附著灰塵等現(xiàn)象，這都是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常體驗(yàn)到的靜電現(xiàn)象。在一般工業(yè)生產(chǎn)中，靜電具有高電位

2、、低電量、小電流和作用時(shí)間短的特點(diǎn)，設(shè)備或人體上的靜電位最高可達(dá)數(shù)萬(wàn)伏以至數(shù)十萬(wàn)伏；在正常操作條件下也常達(dá)數(shù)百至數(shù)千伏。這要比市用低壓電220V、380V高得多。但所積累的靜電量卻很低，通常為毫微庫(kù)侖（nC 、10-9C）級(jí)；靜電電流多為微安（A、10-6A）級(jí)；作用時(shí)間多為微秒（S、10-6S）級(jí)，所以不會(huì)對(duì)人體造成傷害。靜電受環(huán)境條件，特別是濕度的影響比較大；靜電測(cè)量時(shí)復(fù)現(xiàn)性差、瞬態(tài)現(xiàn)象多。就電子元器件的生產(chǎn)及電子設(shè)備的裝聯(lián)、調(diào)試作業(yè)而言，因接觸磨擦起電、人體靜電與接地問(wèn)題能造成很大經(jīng)濟(jì)損失。初步研究發(fā)現(xiàn)，磨擦起電、人體靜電乃是電子、微電子工業(yè)中之兩大危害源。隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，靜電危

3、害正在日益表露出來(lái)并逐漸受到人們的重視。二 電子工業(yè)靜電的危害形式1 靜電吸附常常產(chǎn)生工作服吸塵埃污物，儀器儀表吸灰塵，PC機(jī)軟盤(pán)、軟驅(qū)吸塵損壞，DDC軟體、自調(diào)軟體數(shù)據(jù)丟失。2 靜電放電引起的器件擊穿由ESD（靜電放電）引起的元器件擊穿損壞是電子工業(yè)，特別是電子產(chǎn)品制造業(yè)中最普遍、最嚴(yán)重的靜電危害。在電子產(chǎn)品的生產(chǎn)中，從元器件的預(yù)處理、插裝、焊接、清洗、單板測(cè)試、調(diào)試、總裝等工序，由于接觸分離、摩擦、感應(yīng)等作用，都會(huì)使操作人員、工具、工作臺(tái)面、元器件、元器件包裝容器等產(chǎn)生靜電，同時(shí)可隨時(shí)對(duì)器件造成ESD損害。當(dāng)帶靜電的物體接觸SSD（靜電敏感元器件，如MOS管、IC等元件），就會(huì)發(fā)生靜電放電

4、。這種極短時(shí)間（S級(jí)）的突發(fā)脈沖，平均功率達(dá)幾瓦，足以熔化小體積的硅，并在管芯的表面留下熔坑；ESD電流還會(huì)引起局部過(guò)熱，造成PN結(jié)熔斷，使器件參數(shù)退化或失效，造成引線(xiàn)（鋁條）的熔化而開(kāi)路、造成半導(dǎo)體電路芯片的薄膜電阻熔斷或阻值變化。近年來(lái)，在電子器件中，CMOS集成電路，因其消耗功率小，抗干擾能力強(qiáng)及工作電壓范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用很廣泛。它是互補(bǔ)型的“金屬氧化物半導(dǎo)體”結(jié)構(gòu)，其柵極下氧化層的耐壓限值約為100500伏。而在一系列的生產(chǎn)流程中，操作人員可能帶上幾千伏甚至幾十千伏的靜電，當(dāng)他們一接觸到CMOS器件，就會(huì)擊穿氧化層，造成器件的永久性失效或留下隱患。幾種敏感元件的敏感電壓見(jiàn)下表：元件名稱(chēng)

5、        敏感電壓(V)MOS場(chǎng)效應(yīng)管        100200結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管        140700CMOS集成電路        2502000TTL集成電路        3002500ECL（邏輯線(xiàn)）        50015003 靜電感應(yīng)當(dāng)導(dǎo)體和電介質(zhì)置于靜電場(chǎng)中，在其上感應(yīng)出正或負(fù)的靜電荷，其靜電電壓的幅值取決于靜電場(chǎng)強(qiáng)度。所以靜電敏

6、感區(qū)內(nèi)不得放置產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)和強(qiáng)磁場(chǎng)的設(shè)備，如：大功率風(fēng)扇等。4靜電放電時(shí)產(chǎn)生的電磁脈沖靜電放電可產(chǎn)生頻帶幾百千赫茲幾十兆赫茲、電平高達(dá)幾十毫伏的電磁脈沖干擾，當(dāng)脈沖干擾耦合到計(jì)算機(jī)和低電平數(shù)字電路時(shí)，致使電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)效應(yīng)，出現(xiàn)誤動(dòng)作。強(qiáng)能量的脈沖干擾，可使靜電敏感器件破壞。像1971年11月15日西歐發(fā)射的“歐2火箭”，就是因靜電放電產(chǎn)生的電磁脈沖導(dǎo)致計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作，使此次發(fā)射失敗。三 電子生產(chǎn)環(huán)境中的典型靜電源（一） 人體靜電     人體靜電的產(chǎn)生方式，主要有接觸起電，感應(yīng)起電和遷移吸附起電。接觸起電是一種最普遍的起電形式。它的基本原理是物質(zhì)間的電子轉(zhuǎn)移

7、，當(dāng)兩種物質(zhì)相互接觸其間距小于25×10-8厘米時(shí)，就會(huì)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。其中逸出功較低的物質(zhì)失去電子而呈現(xiàn)正電位，逸出功較高的物質(zhì)得到電子而呈現(xiàn)負(fù)電位。即在兩種物質(zhì)的接觸面上形成“偶電層”并產(chǎn)生接觸電位差。當(dāng)該兩種物質(zhì)分離時(shí)，其上部分電荷回流，但仍然殘留有符號(hào)相反的電荷。即產(chǎn)生了靜電。人們?cè)谏a(chǎn)活動(dòng)中，人體與物體，皮膚與衣著，鞋底與地面之間不斷地產(chǎn)生接觸分離過(guò)程，就會(huì)產(chǎn)生靜電。比如，羊毛混紡衣服，并坐在人造革面椅子上的人突然起立時(shí)，人體可帶上近萬(wàn)伏的高壓靜電。人體感應(yīng)起電的基本原理是靜電感應(yīng)。由于人體是導(dǎo)體，所以當(dāng)人接近已帶電的物體（或人）時(shí)，人體兩側(cè)會(huì)感應(yīng)出正負(fù)兩種電荷。通過(guò)接觸接地

8、設(shè)備，可將其中與原帶電體同號(hào)的電荷移向大地，而人體便帶有另一種電荷。比如，當(dāng)已帶電的人在未帶電的人背后走過(guò)時(shí)，會(huì)使后者背上感應(yīng)出與前者異號(hào)的電荷，而手上感應(yīng)出同號(hào)的電荷。當(dāng)被感應(yīng)的人觸及接地導(dǎo)體而放掉其上一種電荷（該過(guò)程會(huì)產(chǎn)生火花或電擊，應(yīng)當(dāng)避免）后，人身體上便只帶有與原帶電者異號(hào)的電荷。遷移起電是人體與其它帶電體相接觸時(shí)，帶電體部分電荷移向人體使人體帶電，吸附起電即懸浮的帶電徽?；螂x子等附著于人體，使人體帶電，比如，在粉體粉碎車(chē)間，粉塵飛揚(yáng)，就會(huì)有很多帶電粉體顆粒附著在人體上，使人體帶電。人體帶電的規(guī)律：（1） 人活動(dòng)的速度越大，則起電速率越大，飽和帶電量越大，帶電電位越高。這是因?yàn)槿说幕顒?dòng)

9、速度越大，引起接觸分離的機(jī)會(huì)越多的緣故。比如，同是穿塑料底鞋的人在工業(yè)橡膠地面上行走，走的快時(shí)起電可達(dá)2500V，走的慢時(shí)只有800V。（2） 人體對(duì)地電阻越大，則人的飽和帶電量越大，帶電電位越高。這是因?yàn)槿梭w對(duì)地電阻越大，靜電越不容易向大地泄漏的緣故。人體對(duì)地電阻比潮濕時(shí)大，故而在干燥地面上活動(dòng)的人帶電，電位高于潮濕地面上活動(dòng)的人。（3） 人的服裝表面電阻率越大，人的飽和帶電量越大。這是由于隨著服裝表面電阻率增大，靜電不易泄漏的緣故。比如，在外界條件相同時(shí)，棉布的表面電阻率低于尼龍織物的表面電阻率，因此，尼龍織物的飽和帶電量和帶電電位比棉布的高。（4）    &

10、#160;環(huán)境（空氣）的相對(duì)濕度越大，人體的飽和帶電量越小。這是由于濕度增大時(shí)，在服裝纖維表面形成薄薄的一層水膜，而使其表面電阻率降低，從而增加靜電沿服裝向大地泄漏。比如，當(dāng)相對(duì)濕度低于30時(shí)，棉布工作服也可產(chǎn)生較高的靜電電位，而相對(duì)濕度高于70時(shí)，大多數(shù)衣料都不會(huì)積聚靜電。 （二）電子聯(lián)裝生產(chǎn)中的靜電源1       工作服作業(yè)人員穿用的普通工作服（化纖和純棉制）與工作臺(tái)面、工作椅摩擦?xí)r可產(chǎn)生0.210C的電荷量，在服裝表面能產(chǎn)生6000V以上的靜電電壓并使人體帶電。當(dāng)作業(yè)人員手持集成電路或工作與工作臺(tái)面放置的元器件接觸時(shí)，即可導(dǎo)致放電。因元器件各引出

11、線(xiàn)接觸電位不同和芯片電介質(zhì)極薄絕緣強(qiáng)度很低等原因，很容易造成器件電介質(zhì)的擊穿。2工作鞋一般工作鞋（橡膠或塑料鞋底）的絕緣電阻高達(dá)1013以上，當(dāng)與地面摩擦?xí)r產(chǎn)生靜電荷使人體和所穿服裝帶靜電。調(diào)查表明工作鞋與地面磨擦所產(chǎn)生靜電導(dǎo)致元器件失效的事例并不多。但因其較高的絕緣電阻，使人體所帶靜電不能很快泄漏從而對(duì)元器件的生產(chǎn)帶來(lái)不良影響。3各種包裝和容器用PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、PS（聚苯乙烯）、PUR（聚氨脂）、ABS、聚脂樹(shù)脂等高分子材料制備的包裝和元件盒（箱）都可因磨擦、沖擊產(chǎn)生靜電荷對(duì)所包裝器件產(chǎn)生不良影響。4工作臺(tái)工作臺(tái)表面受到磨擦產(chǎn)生靜電，可對(duì)放置其上的電子器件放電。5各種絕緣地面

12、混凝土、打臘拋光地板、橡膠板等都可因磨擦產(chǎn)生靜電。另外因其較高絕緣電阻，作業(yè)人員帶靜電在其上時(shí)，不會(huì)短時(shí)間將靜電荷泄漏。6 某些電子生產(chǎn)設(shè)備焊烙鐵、波峰焊機(jī)等某些元器件裝配設(shè)備內(nèi)設(shè)的高壓變壓器、交直流電路都可在設(shè)備上感應(yīng)出靜電電壓。如不采取靜電泄漏措施，可使元器件在裝配過(guò)程中失效。四靜電控制措施在現(xiàn)代電子工業(yè)生產(chǎn)中，在很多情況下，不產(chǎn)生靜電是不可能的。但產(chǎn)生靜電并非危害所在，危險(xiǎn)在于靜電積蓄以及由此產(chǎn)生靜電電荷放電。因此靜電積蓄的控制和靜電泄漏是尤為重要的。防靜電危害的一般原則：1  設(shè)法盡量防止和減少靜電產(chǎn)生2  在許多場(chǎng)合，采用加速靜電逸散泄漏，防止

13、靜電荷積累的方法；3  某些場(chǎng)合不能用上述辦法時(shí)（靜電仍大量產(chǎn)生，不斷積累），只能采用防上靜電放電著火措施，免除電擊，故障和爆炸、火災(zāi)事故的發(fā)生。（一）靜電泄漏和耗散將各種操作運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的靜電荷迅速泄漏和耗散是防止靜電危害行之有效的方法。靜電泄漏是通過(guò)替換電子生產(chǎn)過(guò)程中接觸致電的各類(lèi)絕緣物（包括各種工裝夾具和制品），而改用防靜電材料并使之接地來(lái)完成的。防靜電材料從防靜電原理方面可以將其分為三類(lèi)：導(dǎo)靜電、靜電耗散、電磁屏蔽耗散復(fù)合類(lèi)。注：1、防靜電材料受到磨擦?xí)r，正負(fù)電荷可迅速擴(kuò)散泄漏而不積累靜電。2、必須將防靜電材料接地才能將表面產(chǎn)生的靜電荷泄漏。 3、防靜電材料要定期

14、清潔保養(yǎng)。如：防靜電臺(tái)墊如果不定期將其表面的污物清除，就會(huì)降低防靜電效果，甚至起不到防靜電的作用。（二）靜電中和   靜電中和是消除靜電的重要措施之一。在某些場(chǎng)合中，當(dāng)不便使用ESD防護(hù)材料時(shí)，或必須某些高絕緣易產(chǎn)生靜電的用品存放在工作臺(tái)或工藝線(xiàn)上時(shí)，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量就必須對(duì)操作環(huán)境采取靜電中和措施。靜電中和是借助離子靜電消除器或感應(yīng)式靜電刷來(lái)實(shí)現(xiàn)的。  靜電中和原理：將正負(fù)離子與靜電源上的正負(fù)電荷中和，從而消除靜電源上積累的靜電。（三）靜電屏蔽與接地接地的目的：1使物體與大地之間構(gòu)成電氣上的泄漏電路，即將物體上產(chǎn)生的靜電泄漏至大地，防止物體積蓄靜電荷。

15、2防止帶電物體附近的物體受到帶電物體的靜電感應(yīng)。3限制帶電物體的靜電電位上升或限制由此產(chǎn)生的靜電放電。接地的對(duì)象：金屬導(dǎo)體，金屬以外的靜電導(dǎo)體、靜電亞導(dǎo)體。靜電非導(dǎo)體或表面電阻在1011以上的物體不是接地對(duì)象。 靜電屏蔽及接地通常用于對(duì)高壓電源產(chǎn)生的靜電場(chǎng)屏蔽、某些對(duì)靜電極敏感電路的屏蔽，從而避免靜電場(chǎng)對(duì)SSD器件和SSD組件的感應(yīng)和靜電放電產(chǎn)生的寬頻帶干擾。靜電屏蔽效果與接地有很大關(guān)系，只有將屏蔽體接地，才能保證屏蔽體上感應(yīng)的靜電荷泄漏，使屏蔽體內(nèi)的電路不受靜電場(chǎng)干擾。  靜電屏蔽及接地是很多種儀表電路上防靜電干擾的重要措施之一。同時(shí)也用于防止靜電源對(duì)外界的干擾。（四）增

16、濕濕度增加則非導(dǎo)體材料的表面形成極薄的水膜（105mm厚），水膜中的雜質(zhì)和溶解物質(zhì)使表面電阻降低，使物體表面積蓄的靜電荷可以更快泄漏。有靜電危險(xiǎn)場(chǎng)所，在工藝條件許可時(shí)，可以安裝空調(diào)設(shè)備、噴霧器以提高空氣的相對(duì)濕度消除靜電。為對(duì)靜電達(dá)到最佳的控制，必須使?jié)穸缺３衷?0%以上。五防靜電用品（裝備）及其使用1 防靜電腕帶操作者皮膚上的靜電是SSD（靜電敏感元器件）損壞的最常見(jiàn)的原因，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和有關(guān)資料表明，在未采取有效的靜電防護(hù)措施的情況下，操作工手工插裝印制板時(shí)，手上靜電電壓為140360V，進(jìn)行錫焊作業(yè)時(shí)，手靜電電壓為160450V；特別當(dāng)操作者從坐椅上站起時(shí)，皮膚靜電壓最高可達(dá)1000V。這些

17、都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了所有靜敏感器件的安全電壓100V的數(shù)值。而戴用防靜電腕帶（又叫手環(huán)、扣帶）是解決這一問(wèn)題的有效方法。（1）構(gòu)造與性能參數(shù)防靜電腕帶與皮膚直接接觸，是一種通過(guò)接地而把人體皮膚靜電導(dǎo)走的裝置，它由松緊圈和接地線(xiàn)組成。其中松緊圈可由多種導(dǎo)靜電的復(fù)合材料制作，如鍍銀的單纖維和彈性尼龍絲的紡織物，帶有保護(hù)層的不銹鋼纖維織物，碳浸漬的塑料軟片等。一般說(shuō)來(lái)，松緊圈材料的電阻率v102CM。接地線(xiàn)也是防靜電腕帶的重要組成部分，接地線(xiàn)必須串接（或材料本身具有）大小為106的電阻，以保證操作者在意外情況下觸及380V電壓時(shí)不致發(fā)生人身傷害事故。（2）使用腕帶時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)a  腕帶

18、是利用它與人體皮膚的接觸而把人體靜電迅速泄漏的裝置。所以，操作人員的皮膚是否與腕帶接觸良好是發(fā)揮泄漏靜電作用的關(guān)鍵，所以在佩戴時(shí)必須緊貼手腕。b  靜電手環(huán)使用前必須經(jīng)過(guò)測(cè)試并記錄，且狀態(tài)良好。c  有線(xiàn)靜電手環(huán)的接地線(xiàn)必須通過(guò)鱷魚(yú)夾接在靜電地線(xiàn)上，使用過(guò)程中注意防止鱷魚(yú)夾松脫。2防靜電臺(tái)墊、防靜電地墊在操作靜電敏感元器件時(shí)，工作臺(tái)上應(yīng)鋪設(shè)用防靜電材料制成的防靜電臺(tái)墊，使所有與之接觸的SSD端子、工具、器具、儀表、人體等都達(dá)到基本均一的電位，并通過(guò)臺(tái)墊上的接地線(xiàn)使靜電迅速泄放。目前公司的防靜電臺(tái)墊為雙層防靜電復(fù)合臺(tái)墊。上層為綠色，電阻率較大。下層為黑色，電阻率較小。3防靜電軟塑料包裝袋包裝和貯存靜電感敏元器件和印制板的塑料包裝袋，因具有高絕緣性，在與器件的塑料、陶瓷封裝或印制板基板