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1、电子元器件抗ESD技术讲义引 言随着电子元器件技术的发展，静电对元器件应用造成的危害越来越明显。一方面，电子元器件不断向轻、薄、短、小、高密度、多功能等方向发展，因而元器件的尺寸越来越小，尤其是微电子器件，COMS IC中亚微米栅已进入实用化，栅条宽度达到0.18um，栅氧厚度为几个nm或几十个，栅氧的击穿电压小于20V。尺寸的减小，就使电子元器件对静电变得更加敏感。而大量新发展起来的特种器件如GaAs 单片集成电路（MMIC）、新型的纳米器件以及高频声表面波器件（SAW）等多数也都是静电敏感元器件；另一方面，在电子元器件制造和应用环境中，作为静电主要来源的各种高分子材料被广泛采用，使得静电的
2、产生更加容易和广泛。因此，必须应用各种抗静电放电损伤的技术，使静电对电子元器件的危害减小到最低的程度。编写本讲义的主要目的是对电子元器件制造和应用行业的有关技术和管理人员进行“电子元器件抗静电放电损伤技术”的基础培训。本讲义主要分为4个章节的内容。第1 章“电子元器件抗ESD损伤的基础知识”，介绍有关静电和静电放电的基本原理，以及对元器件损伤的主要机理和模式；第2章“制造过程的防静电损伤技术”，重点介绍在电子元器件制造和装配过程中，对环境和人员的静电防护要求，以保证电子元器件在制造和装配过程中的静电安全；第3章“抗静电检测及分析技术”，主要介绍对电子元器件的抗ESD水平进行检测的技术。包括国内
3、外抗ESD检测的主要标准，检测的模型和方法以及实际的一些检测结果和遇到的问题；并介绍了对ESD损伤的元器件进行失效分析的技术，包括一些常用和有效的分析技术及其适用的条件和技巧。还讨论了ESD损伤和过电（EOS）损伤的几种判别方法和技术。第4章“电子元器件抗ESD设计技术”，介绍电子元器件抗ESD损伤的设计技术，主要包括抗ESD设计的主要原则、基本保护电路和最先进的大规模CMOS电路中保护电路的设计技术。 本讲义的内容既有通用的基本理论和知识，也收集了国内外的相关资料和数据，还有我们自己在工作中遇到和解决的实际案例、数据和图片等。讲义的内容既有理论性，更注重实用性，希望能为从事电子元器件制造和应
4、用行业的有关技术和管理人员提供较为具体的技术指导和帮助。第1 章 电子元器件抗ESD损伤的基础知识本章主要介绍有关静电和静电放电的基本原理，产生的危害以及对元器件损伤的主要机理和模式。1.1 静电和静电放电的定义和特点什么是静电(Electrostatic，static electricity)？通俗地来说，静电就是静止不动的电荷。它一般存在于物体的表面。是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果。静电是通过电子或离子转移而形成的。静电可由物质的接触和分离、静电感应、介质极化和带电微粒的附着等物理过程而产生。那什么是静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）呢？处于不同静电电
5、位的两个物体间的静电电荷的转移就是静电放电。这种转移的方式有多种，如接触放电、空气放电。一般来说，静电只有在发生静电放电时，才会对元器件造成伤害和损伤。如人体带电时只有接触金属物体、或与他人握手时才会有电击的感觉。对电子元器件来说，静电放电（ESD）是广义的过电应力的一种。那么什么是过电应力呢？其中的ESD又有什么特点？广义的过电应力（Electrical Over Stress，EOS）是指元器件承受的电流或电压应力超过其允许的最大范围。表1.1是三种过电应力现象的特点比较。表1.1 三种过电应力现象的特点比较闪电（Lightning）过电（EOS）静电放电（ESD）极端的高压极大的能量低电
6、压（16V）持续时间较长较低的能量高电压（4kV）持续时间短（几百纳秒）很低的能量快速的上升时间从表中可以看到，静电放电现象是过电应力一种，但与通常所说的过电应力相比有其自身的特点：首先其电压较高，至少都有几百伏，典型值在几千伏，最高可达上万伏；其次，持续时间短，多数只有几百纳秒；第三是相对于通常所说的EOS，其释放的能量较低，典型值在几十个到几百个微焦耳；另外，ESD电流的上升时间很短，如常见的人体放电，其电流上升时间短于10ns。1.2 对静电认识的发展历史人类对静电放电危害的认识也是经历了一段漫长的历史，电子行业认识到ESD的危害只是最近几十年。表1.2列出了人类尤其是电子行业对ESD认
7、识的发展过程，。表1.2 对ESD认识的发展1千百年前，静电对人类来说曾经是非常神秘的2中国发明了火药后，静电对火药制造行业不再神秘了3美国独立战争期间，火药是在有潮湿的泥墙和泥地的房子里制造的4现在，在静电火花可能引起爆炸的行业如面粉厂、医院的手术室都采取了特殊的防静电措施。5在其它行业，静电仍然是神秘6在40和50年代，在塑料和胶片制造行业，发现静电问题7在50和60年代，在电子行业，出现静电问题。常常发生奇怪的失效，在光学显微镜下看不到失效原因。失效分析的结论是原因不明8MOS晶体管的普及和IC的发展使静电问题加剧970年代，IC的几何尺寸缩小使问题更糟10真正的突破是半导体领域扫描电子
8、显微镜的应用（70年代后期），第一次即使最小的ESD损伤也能看到111979年，EOS/ESD研讨会成立，主要研究ESD问题，寻求解决方法1280年代初期，多数主要的电子制造商建立了他们的ESD组织，负责ESD问题13EOS/ESD也许是当今电子制造行业最主要的失效机理1.3 静电的产生通常物体保持电中性状态，这是由于它所具有的正负电荷量相等的缘故。如果两种不同材料的物件因直接接触或静电感应而导致相互间电荷的转移，使之存在过剩电荷，这样就产生了静电。带有静电电荷的物体之间或者它们与地之间有一定的电势差，称之为静电势。 静电产生的方式有很多，如接触、摩擦、冲流、冷冻、电解、压电、温差等，但主要是
9、两种形式，即摩擦产生静电和感应产生静电，如图1.1所示。前者是两种物体直接接触后形成的，通常发生于绝缘体与绝缘体之间或者绝缘体与导体之间；后者则发生于带电物体与导体之间，两种物体无需直接接触。1.3.1 摩擦产生静电当两种具有不同的电子化学势或费米能级的材料相互接触时，电子将从化学势高的材料向化学势低的材料转移。当接触后又快速分离时，总有一部分转移出来的电子来不及返回到它们原来所在的材料，从而使化学势低的材料因电子过剩而带负电，化学势高的材料因电子不足而带正电。对绝缘体而言，由于电子不易移动，过剩电荷将在接触表面附近累积。显然，这种方式产生的静电荷与相互接触的两个物体分离的速度有关。实际上，只
10、要两种不同的物体接触再分离就会有静电产生。但由于摩擦产生的热能为电子转移提供了足够的能量，因此使静电产生作用大大增强。当两种物体相互摩擦的时候，接触和分离几乎同时进行，是一个不断接触又不断分离的过程。分离速度快、接触面积大，使得摩擦所产生的静电荷比固定接触后再分离所产生的静电荷的数量要大得多。摩擦生电主要发生在绝缘体之间，因为绝缘体不能把所产生的电荷迅速分布到物体整个表面，或迅速传给它所接触的物体,所以能产生相当高的静电势。表1.3是常见物体带电顺序表，从带正电依次排列到带负电，其中任何两种物体摩擦时，可以按此表来判断它们带电的极性，还可以大致估计所带电荷的多寡程度。排在前面的材料与排在后面的
11、材料相互摩擦时，前者带正电，后者带负电。同种材料与不同材料相互摩擦时所带电荷的极性可能不同，如棉布与玻璃棍摩擦带负电，但与硅片摩擦时带正电。棉布与玻璃摩擦后所带电量大于它与尼龙摩擦所带电量。摩擦产生静电的大小除了与摩擦物体本身的材料性质有关之外，还要受到许多因素的影响，如环境的湿度、摩擦的面积、分离速度、接触压力、表面洁净度等。表1.3是常见物体带电顺序表 序号材料序号材料序号材料正电荷方向 8羊毛16硬橡皮1空气9丝绸17镊、铜2人的手10铝18黄铜、银3兔毛11纸19聚酯人造纤维4玻璃12棉布20聚乙烯5云母13钢21聚丙烯6头发14木材22聚氯乙烯(PVC)7尼龙15琥珀负电荷方向 (a
12、) 摩擦生电 (b) 感应生电图1.1 静电产生的两种形式1.3.2 感应产生静电 静电产生的另一个重要来源是感应生电。当一个导体靠近带电体时，会受到该带电体形成的静电场的作用，在靠近带电体的导体表面感应出异种电荷远离带电体的表面出现同种电荷。尽管这时导体所带净电荷量仍为零，但出现了局部带电区域。显然，非导体不能通过感应产生静电。1.3.3 静电荷静电的实质是存在剩余电荷。电荷是所有的有关静电现象本质方面的物理量。电位、电场、电流等有关的量都是由于电荷的存在或电荷的移动而产生的物理量。在科研院所、高等院校、检测站和工矿企业等部门经常需要测量物体的电荷量或电荷密度。表示静电电荷量的多少用电量表示
13、，其单位是库仑，由于库仑的单位太大通常用微库或纳库1库仑（C）16微库（C）1微库(C) 13纳库 (C)1.3.4 静电势虽然静电电荷是表征静电的最直接的参量，但人们又常说静电电压几千伏或几万伏。其含义是什么呢？与那些因素有关？下面讨论这个问题。前面已经提到，带有静电电荷的物体之间或者它们与地之间有一定的电势差，这就称之为静电势，也叫静电电压。实际环境中产生的静电电压通常是指带电体与大地之间的电位差。如果将大地作为零电位，静电带电体的静电电压显然有正负之别，通常说静电电压几千伏或几万伏是指其绝对值。静电带电体与另一个物体或大地之间的电位差与哪些因素有关呢？通常把静电带电体与另一个物体或大地看
14、成一个电容器。电容器的电容量C、电容器一个电极上的电荷量Q和电容器两个极间的电位差V之间有如下关系： V= （1.1）从式1.1可以知道，静电带电物体的电容对其静电势有显著影响。带电物体与另一个物体或地之间的静电电压与它们之间的电容量成反比，即电容量越小，静电电压越大。静电荷相同，静电势可能有数量级的差别。如将式1.1中的电容等效成平板电容器，其电容量C可表示为： C= （1.2）A为电容器面积、为两板之间物质的介电常数、d为两板之间的距离。将（1.2）带入（1.1）得： V= （1.3）从（1.3）式也可以了解与静电电压有关的各因素。例：人体带静电，其静电电压与所带的电荷量Q和人脚与地面的距
15、离d成正比，与两脚的面积A（如果人是站立的）和脚底面与地间的物质的介电常数成反比。又例： 在桌面的聚乙烯袋的静电势为几百伏，当人将袋子提起离开桌面时，因它对地间距增大，电容减小，会使静电势增加到几千伏。1.3.5 影响静电产生和大小的因素静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓度有密切的关系。在高湿度环境中由于物体表面吸附有一定数量杂质离子的水分子，形成弱导电的湿气薄层，提高了绝缘体的表面电导率，可将静电荷散逸到整个材料的表面，从而使静电势降低。所以，在相对湿度高的场合，如海洋性气候地区(如我国的东南沿海地区)或潮湿的梅雨季节，静电势较低。在相对湿度低的场合，如大陆性气候地区(如我国的北方地区)或干燥的
