ESD培训资料

随着微电子工业制造技术的飞速发展，集成电路的集成度不断提高，采用0.15~0.25mm制造工艺的CMOS和GaAs（砷化镓）器件被广泛使用，其耐击穿电压下限通常只有50V~100V。有着更高集成度的超高速、高频IC器件，采用了特殊的制造工艺，如薄膜技术、浅PN结、GaAs材料、微小封装等，其对ESD、电浪涌、机械应力、热应力等更为敏感，有的VMOS器件耐压只有30V。这就给含有上述静电敏感器件产品的生产制造过程提出了更严格的静电防护要求。A、静电现象一、何为静电？静电就是物体表面过剩或不足的相对静止电荷，它是电能的一种表现形式。静电是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果，是通过电子转移而形成的。这些不平衡的电荷，就产生了一个可以衡量其大小的电场，称为静电场，它能影响一定距离内的其它物体，使之感应带电，影响距离之远近与其电量的多少有关。二、静电放电(ESD)现象静电放电（ESD），就是具有不同静电势的实体之间发生电荷转移。例如：1、雷电。2、小实验：有机玻璃用丝绸或棉布摩擦后产生静电，能吸住小纸屑。3、在空气较干燥的冬天，脱下合成纤维衣服时发出劈啪声，夜间可见火花（空气击穿场强为30KV/cm）。4、穿化纤内衣容易皮肤过敏是怎么回事？换棉质内衣试试！三、静电的可利用之处与危害可利用之处：力学效应——异性相吸，同性相斥静电吸附特性已被广泛用于静电成像、复印、喷涂、植绒、除尘等实践中。静电的危害：就电子工业而言，静电放电能够改变半导体器件的电气特性，使之退化或者完全毁掉。静电放电还可能干扰电子系统的正常运行，导致器件故障或瘫痪。1、第一艘阿波罗载人宇宙飞船，由于静电放电(ESD)导致火灾和爆炸，三名宇航名全部丧生。2、日本IC生产中的不合格器件有45%是由静电造成的。3、88年美国因ESD影响损失50亿美元。4、90年代初北京某公司试生产的高档数字万用表，由于IC没注意防静电，使其产品大部分不合格。5、华为公司：①今年3月份某批含E-5射频放大器的GSM单板失效率达15%，失效形式表现为功能完全丧失，分析表明是受偶然的电浪涌烧伤，如漏电、ESD所致。②也是3月份，某批CC08ASL用户板上二极管RD5和RD6不良率达90%，经分析确定为静电损伤。6、工业领域的有关专家曾作过估计，由于静电所造成的平均产品损失大约在8~33%之间，见下表：静电平均损失报告描述最小损失最大损失估计平均损失制造商4%97%16-22%分包商3%70%9-15%承包商2%35%8-14%用户5%70%27-33%数据来源：StephenHalperin《GuidelinesforStaticControlManagement》，Eurostat，1990四、静电的特点高电位：可达数万至数十万伏，操作时常达数百和数千伏（人通常对3.5KV以下静电不易感觉到）低电量：静电流多为微安级（尖端放电例外）作用时间短：微秒级受环境影响大：特别是湿度，湿度上升则静电积累减少，静电压下降，如下表：产生方式10-25%RH65-90%RH在地毯上行走35000V1500V在乙烯瓦上行走12000V250V坐在椅子上的工人6000V100V从椅子上拿起涤纶包20000V1200V带有聚氨酯泡沫的椅子18000V1500V五、静电的度量1、静电荷单位：库仑(C)。通常我们讲到静电势，则以“伏特(V)”为单位。2、面电荷密度：σ=Q/S（σ单位：C/m2）式中：Q—电量，S—表面积3、库仑定律：Q=CV式中：Q—电量，C—电容，V—电压六、从静电学来区分材料的导电情况静电导体：≤105Wcm（体电阻）例：金属静电亚导体：106~1010Wcm防静电器材静电绝缘体：≥1011Wcm普通塑料注意：由于静电的特点（电位高，电量小），因此它与普通电工学中导体和绝缘体划分有所不同。B、静电产生的物理过程一、静电起电原理造成不平衡电子分布的原因是电子受到外力而脱离轨道，这个外力包括各种能源，如动能、位能（势能）、热能、化学能等等，它使电子获得足够能量而做功逃逸。二、静电的产生方式摩擦、接触（传导）、分离、感应、冲流、辐射、压电、温差、电解等固体、液体、粉末流体都可能产生静电三、摩擦静电序列＋（正极）:空气→人手→石棉→兔毛→玻璃→云母→人发→尼龙→羊毛→铅→丝绸→铝→纸→棉花→钢铁→木→琥珀→蜡→硬橡胶→镍、铜→黄铜、银→金、铂→硫黄→人造丝→聚酯→赛璐珞→奥轮→聚氨酯→聚乙稀→聚丙稀→聚氯乙稀(PVC)→二氧化硅→聚四氟乙稀:－（负极）上述任意两种介质摩擦后前者带正电，后者带负电，且相距较远的两种介质通常比相距较近的两种介质所产生的摩擦电量大。但也不是绝对的，与材料表面清洁程度、环境条件、接触压力、光洁程度、表面大小、分离速度等有关。四、固体起电除摩擦起电之外，其它表现形式：1、断裂带电：材料因机械破裂使带电粒子分离，使两侧带等量、异性电荷。2、压电效应：石英0.5V电位差，如：电光鞋、煤气打火器3、热电效应：压电晶体加热时，一端带正电，一端带负电；冷却时，反极性4、剥离起电：相互密切结合的物体剥离时，会引起电荷分离，引起分离物体双方带电，如：叠在一起的塑料袋分离时。5、感应起电：静电场范围内的物体会因感应而带电。6、辐射起电：射线冲击使部分电子获得能量而摆脱原子引力束缚，如：视保屏五、粉末流体起电粉体与器壁、粉体与粉体碰撞，接触分离、摩擦、碎裂而引起的静电颗粒越小，相互作用越强烈，碰撞面积越大，起电越强烈。弹药库、纺织厂、面粉厂均须严格控制空气中的粉尘浓度。六、液体起电1、液体的偶电层液相与固相界面亦能形成偶电层：液体（如石油）中的可电离杂质和其它离子被吸引到金属壁上。正负离子对金属不可能具有相同的亲和力，亲和力大的就被金属表面所吸引并吸附着，而液体中电荷量相等的异性离子留在液相内，并聚集在界面附近。在界面处形成偶电层，内层是紧贴在固体表面上的离子称固定层，而外层离子是可动的称活动层或扩散层。2、流体带电当液体流动时，流动层的带电粒子随液体流动形成流动电流，异性带电粒子留在管道中，如管道接地则流入大地，流动的电荷形成电流。稳态时，带电粒子不断被流动液体所带走，固定层电荷经接地管道而被中和，此现象有点像电解。不同的亲和力，扩散与液体流动的综合作用取代了电解中的电场作用。影响电量大小与极性的因素有：1、液体种类及特性；2、管道材料及表面光滑度；3、流速、温度、含水量和空气、混合物及杂质微粒。七、人体静电人体是最主要的静电源之一人体的活动使部分机械能转换为电能，每日耗热量：4.18×107J＝10KWh，瞬间放电功率达90KW。人体对地电阻主要由鞋、袜、地面决定人体等效电容：100PF（电容有充放电效应）人体等效电阻：1KW(~1.5KW)安全静电电压：100V（国标SJ/T10630－95）。华为公司《静电放电控制规范》（DKBA0.100.0027）已采用此标准。C、静电损伤一、静电损伤的两种失效形式1.硬损伤：又称“突发性完全失效”、“一次性损坏”，约占10%表现为器件电参数突然劣化，失去原有功能。主要原因是静电放电造成过压使得介质被击穿，或过流使得内部电路金属导线熔断、硅片局部融化等。硬损伤可通过常规的性能测试手段及时发现，相对软失效而言危害要小得多。2.软损伤：又称“潜在性缓慢失效”、“多次损伤累积后失效”，约占90%受到软损伤的器件，虽然当时各类电参数仍合格，然而其使用寿命却大大缩短了。含有这些器件的产品或系统，可靠性变差，可能会在后续过程中（直至最终用户）继续遭受ESD软损伤或其它过应力损伤积累而过早地失效。由于软损伤是潜在的，运用目前的技术还很难证明或检测出来，特别是器件被装入整机产品之后，因此具有更大的危害性。这些产品流入市场后的维护成本和造成的其它损失，将比在生产中发生的直接损失要放大几十甚至上百倍！3.ESD损伤二极管之金相图二、基本的ESD事件1.对器件直接的静电放电=HBM、MM2.器件自身发生静电放电=CDM3.电场感应放电三、ESD事件模型人体模型（HBM）静电损伤最普遍的原因之一是通过从人体或带电材料到静电放电敏感（ESDS）器件之间的一系列有效电阻（1~1.5KΩ）发生静电电荷的直接转移。当人走过楼面时，静电电荷就在人体上积累。手指与ESDS器件或组件表面的简单接触就可使人体放电，可能造成器件损坏。用以模拟这类事件的模型就叫人体模型（HBM），其等效电路如图所示。E—高压直流电源（0~5kV）Rb—人体等效电阻（1.5kΩ±1%)Cb—人体等效电容(100PF±10%)Rs—充电限流电阻(1~10MΩ)DUT—被试器件K1—高压继电器机器模型（MM）与HBM事件类似的放电还可发自导电物体，例如金属做的工具或设备。机器模型源自日本，是试图建立一个最恶劣的HBM事件的结果。这个ESD模型包含一个200pF的电容，它向未串联阻抗的一个元件直接放电。与最恶劣的人体模型相比，机器模型也许过于严格。然而，现实世界确实有该模型所代表的情况存在。例如，来自充电板组件或自动测试器电缆的快速放电。带电器件模型（CDM）来自ESDS器件的电荷转移也是ESD事件。例如，一个器件可能在顺着送料器滑入自动装配机时被充电。如果它随后接触到插头或其它导电表面，从该器件到金属物体的快速放电就可能发生。这个事件就是带电器件模型（CDM）事件，对某些器件而言可能比HBM更具破坏性。尽管放电持续时间非常短暂（通常小于1纳秒），但电流峰值可达几十安培，甚至数百安培。四、器件敏感度的分级ESD事件导致的敏感器件受损程度，主要取决于器件耗散放电能量或承受电压的能力，即静电敏感度。任一种测试方法均包括一个分级体系，定义器件对应指定模型的敏感度（详见表1，表2和表3）。这些分级体系有很大的利用价值，它使得我们可以根据器件的ESD敏感度来进行方便的分组和比较，并确定器件所需的ESD防护级别。表1ESDS器件敏感度分级——人体模型HBM（ESDSTM5.1-1998）等级电压范围0级＜250V1A级250V~500V（不含500V）1B级500V~1000V（不含1000V）1C级1000V~2000V（不含2000V）2级2000V~4000V（不含4000V）3A级4000V~8000V（不含8000V）3B级≥8000V表2ESDS器件敏感度分级——机器模型MM（ANSI/ESD-S5.2-1994）等级电压范围M0级＜25VM1级25V~100V（不含100V）M2级100V~200V（不含200V）M3级200V~400V（不含400V）M4级400V~800V（不含800V）M5级≥800V表3ESDS器件敏感度分级——带电器件模型CDM（EOS/ESD-DS5.3-1993）等级电压范围C0级〈125VC1级125V~250V（不含250V）C2级250V~500V（不含500V）C3级500V~1000V（不含1000V）C4级1000V~2000V（不含2000V）C5级≥2000V严格来讲，一个特征描述完整的器件应当同时采用人体模型、机器模型和带电器件模型这三种模型来分级。例如，特征描述完整的某器件可能含有下列内容：1B级（500V~1000VHBM），M1级（25V~100VMM）和C3级（500V~1000VCDM）。这在警示该器件的潜在用户它需要一个受控的环境，无论是通过人还是机器来完成装配和制造操作。我们通常依据人体模型按下列标准来划分器件的静电敏感度：I级0～1999VII级2000～3999VIII级4000～15999V非静电敏感≥16000V五、一些电子器件的静电敏感度器件类型静电敏感度（V）MOSFET100~200JFET140~1000GaAsFET100~300CMOS、EPROM250~2000HMOS50~500E/DMOS200~1000VMOS30~1800PROM100ECL电路300~2500SCL（可控硅）680~1000S-TTL300~2500DTL380~7000石英及压电晶体＜10000由上表可以看出，各