电子元器件抗ESD损伤基础知识

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1、引 言 4.第1章 电子元器件抗ESD损伤的基础知识 51.1 静电和静电放电的定义和特点 51.2 对静电认识的发展历史 61.3 静电的产生 61.3.1 摩擦产生静电 61.3.2 感应产生静电 81.3.3 静电荷 81.3.4 静电势 81.3.5 影响静电产生和大小的因素 91.4 静电的来源 101.4.1 人体静电 101.4.2 仪器和设备的静电 111.4.3 器件本身的静电 121.4.4 其它静电来源 121.5 静电放电的三种模式 121.5.1 带电人体的放电模式（HBM） 131.5.2 带电机器的放电模式（MM ） 131.5.3 充电器件的放电模型 141.6

2、 静电放电失效 151.6.1 失效模式 151.6.2 失效机理 15第2章制造过程的防静电损伤技术 错误!未定义书签。2.1 静电防护的作用和意义 错误!未定义书签。2.1.1 多数电子元器件是静电敏感器件 错误!未定义书签。2.1.2 静电对电子行业造成的损失很大 错误!未定义书签。2.1.3 国内外企业的状况 错 误!未定义书签。2.2 静电对电子产品的损害 错 误!未定义书签。2.2.1 静电损害的形式 错 误!未定义书签。2.2.2 静电损害的特点 错 误!未定义书签。2.2.3 可能产生静电损害的制造过程 错误!未定义书签。2.3 静电防护的目的和总的原则 错误!未定义书签。2.

3、3.1 目的和原则 错 误!未定义书签。2.3.2 基本思路和技术途径 错 误!未定义书签。2.4 静电防护材料 错 误!未定义书签。2.4.1 与静电防护材料有关的基本概念 错 误 !未定义书签。2.4.2 静电防护材料的主要参数 错误!未定义书签。2.5 静电防护器材 错 误!未定义书签。2.5.1 防静电材料的制品 错误!未定义书签。2.5.2 静电消除器（消电器、电中和器或离子平衡器） 错 误!未定义书签。2.6 静电防护的具体措施 错 误!未定义书签。2.6.1 建立静电安全工作区 错误!未定义书签。2.6.2 包装、运送和存储工程的防静电措施 错 误!未定义书签。2.6.3 静电检

4、测 错 误!未定义书签。2.6.4 静电防护的管理工作 错误!未定义书签。第3章 抗静电检测及分析技术 错误 !未定义书签。3.1 抗静电检测的作用和意义 错误!未定义书签。3.2 静电放电的标准波形 错 误!未定义书签。3.3 抗ESD检测标准 错误!未定义书签。3.3.1 电子元器件静电放电灵敏度（ESDS）检测及分类的常用标准 错误！未定义 书签。3.3.2 标准试验方法的主要内容（以 MIL-STD-883E 方法 3015.7为例） 错误 ！ 未定 义书签。3.4实际ESD检测的结果统计及分析 错误!未定义书签。3.4.1 试验条件 错误！未定义书签。342 ESD评价试验结果分析

5、错误!未定义书签。3.5关于ESD检测中经常遇到的一些问题 错误!未定义书签。3.6 ESD损伤的失效定位分析技术 错误!未定义书签。3.6.1 端口 I V特性检测 错误!未定义书签。3.6.2 光学显微观察 错误!未定义书签。3.6.3 扫描电镜分析 错误!未定义书签。3.6.4 液晶分析 错误!未定义书签。3.6.5 光辐射显微分析技术 错误!未定义书签。3.6.6 分层剥离技术 错误!未定义书签。3.6.7 小结 错误!未定义书签。3.7 ESD和EOS的判别方法讨论 错误!未定义书签。3.7.1 概念 错误!未定义书签。3.7.2 ESD和EOS对器件损伤的分析判别方法 错误!未定义

6、书签。第4章 电子元器件抗ESD设计技术错误!未定义书签。4.1 元器件抗ESD设计基础错误!未定义书签。抗ESD过电流热失效设计基础 错误!未定义书签。抗场感应ESD失效设计基础 错误!未定义书签。4.2元器件基本抗ESD保护电路 错误!未定义书签。基本抗静电保护电路 错误!未定义书签。对抗静电保护电路的基本要求 错误!未定义书签。4.2.3 混合电路抗静电保护电路的考虑 错误!未定义书签。防静电保护元器件 错误!未定义书签。4.3 CMOS电路ESD失效模式和机理 错误!未定义书签。4.4 CMOS电路ESD可靠性设计策略 错误!未定义书签。设计保护电路转移 ESD大电流。 错误!未定义书

7、签。使输入/输出晶体管自身的ESD阈值达到最大。 错误!未定义书签。4.5 CMOS电路基本ESD保护电路的设计错误!未定义书签。基本ESD保护电路单元 错误!未定义书签。4.5.2 CMOS电路基本ESD保护电路 错误!未定义书签。4.5.3 ESD设计的辅助工具TLP测试错误!未定义书签。4.5.4 CMOS电路ESD保护设计方法 错误!未定义书签。4.5.5 CMOS电路ESD保护电路示例 错误!未定义书签。4.6工艺控制和管理错误!未定义书签。参考文献： 错误!未定义书签。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

8、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

9、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

10、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用行业的有关技术和管理人员提供较

11、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？处于不同静电电位的两个物体 间的静电电荷的

12、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压（16V）持续时间较

13、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认识的发展过程，

14、。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、医院的手术室都米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，发现静电冋题7在50和60年代，在电子行业，出现静电冋题。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显微镜的应用

15、（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 两种形式，即摩擦产生静电和感应产生