【導(dǎo)讀】隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是隨著集成電路特征尺寸的減小以及MOS集成電路的廣泛使用，新型集成電路普遍具有線間距短、線細(xì)、集成度高、運(yùn)算速度快、低功率和輸入阻抗高等特點(diǎn)，因而導(dǎo)致這類器件對靜電放電越來越敏感。
目前，以運(yùn)算放大器、A/D等為代表的線性器件，大規(guī)模的存儲(chǔ)器、信號處理器，聲表面波器件，微波器件，功率MOS管等均為靜電敏感器件。靜電放電損傷日益成為影響電子元器件可靠性的重要因素之一。
微電子器件的靜電放電損傷，其失效機(jī)理可分為兩類：一類是與電流有關(guān)的失效，如PN結(jié)的損傷，接觸孔合金釘，金屬/多晶硅互連線或電阻燒壞；另一類是與電壓有關(guān)的失效，柵氧化層擊穿是最常見的電壓型失效。
半導(dǎo)體器件靜電放電損傷故障模式主要表現(xiàn)為：
- 介質(zhì)擊穿
- 鋁互連線損傷與燒熔
- 硅片局部區(qū)域熔化
- PN 結(jié)損傷與熱破壞短路
- 擴(kuò)散電阻與多晶電阻損傷（包括接觸孔損傷）
- 觸發(fā)CMOS 集成電路內(nèi)部寄生的可控硅閂鎖效應(yīng)，導(dǎo)致器件被過大電流燒毀。
如果帶電體的靜電勢或存儲(chǔ)的靜電能量較低，或靜電放電回路有限流電阻存在，一次靜電放電脈沖不足以引起器件發(fā)生突發(fā)性完全失效。但它會(huì)在器件內(nèi)部造成輕微損傷，這種損傷又是積累性的。
隨著靜電放電脈沖次數(shù)的增加，器件的損傷閾值電壓逐漸下降，器件的電參數(shù)逐漸劣化，這類失效稱為潛在性失效。潛在性失效的表現(xiàn)形式往往是器件的使用壽命縮短，或者一個(gè)本來不會(huì)使器件損傷的小脈沖卻使該器件失效。潛在性失效降低了器件抗靜電的能力，降低了器件的使用可靠性。
半導(dǎo)體器件潛在性失效主要表現(xiàn)為：
- 柵氧化層損傷
- 柵氧化物愈合/短路
- 保護(hù)回路受損
- 電荷陷阱
- PN結(jié)衰減
通過對歷史案例的分析，元器件靜電放電失效頻發(fā)的一方面原因在于研制單位在元器件研制過程中缺少防靜電設(shè)計(jì)，另一方面設(shè)計(jì)師在元器件選型時(shí)僅關(guān)注產(chǎn)品的電氣性能和外形尺寸，未考慮元器件的抗靜電能力，同時(shí)各場所單位也未進(jìn)行有效的靜電放電防護(hù)。
由于靜電放電對器件的影響是通過電壓和電流進(jìn)行的，當(dāng)器件兩引腳間受到的ESD電壓和電流超出了所承受的閥值就會(huì)造成器件損壞。因此元器件防靜電設(shè)計(jì)可以通過在芯片上專門設(shè)計(jì)靜電放電保護(hù)電路，用于提供ESD電流路徑，以免ESD放電時(shí)，靜電電流流入元器件內(nèi)部而造成損傷。
通常保護(hù)電路設(shè)計(jì)采用兩個(gè)基本原理：為輸入輸出引腳緩沖區(qū)到供電電源網(wǎng)絡(luò)（VSS或VDD）提供一個(gè)良好的電流分流通道；或者可以通過在需要保護(hù)的芯片部位附件提供一個(gè)電壓箝位設(shè)計(jì)，防止高壓進(jìn)入而損壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
經(jīng)過多年的理論積累和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，目前已知的靜電敏感器件主要包括單片集成電路、采用厚膜或微組裝工藝制造的二次集成電路、微波組件、固體繼電器、二極管、三極管、可控硅、聲表面波器件等。
因此從可靠性增長工程開始，為消除和控制常見元器件失效模式，提高電參數(shù)一致性，降低元器件失效率，明確要求過電應(yīng)力敏感的器件，ESD≥1000V，過電應(yīng)力較不敏感器件ESD≥2000V。從元器件技術(shù)狀態(tài)的源頭進(jìn)行控制，促使研制單位在產(chǎn)品研制過程中增加防靜電設(shè)計(jì)。
在實(shí)際控制中，以單片集成電路為例，產(chǎn)品在鑒定和質(zhì)量一致性檢驗(yàn)中均需開展靜電放電敏感度試驗(yàn)，原則上要求ESD≥2000V。如由于電路工藝和設(shè)計(jì)限制無法滿足ESD≥2000V的要求，必須進(jìn)行逐批地檢測和考核，同時(shí)需要在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的用戶指南內(nèi)說明產(chǎn)品在抗靜電方面的隱患，并給予使用提醒和建議。
靜電放電防護(hù)的基本原則主要有兩種：一是抑制靜電電荷的產(chǎn)生和積累；二是安全、迅速、有效的消除已產(chǎn)生的靜電電荷。目前在工程實(shí)踐中采取的靜電防護(hù)主要方法為：接地、中和、增濕、屏蔽等。
接地是靜電放電防護(hù)中最普遍、最有效的措施。接地是將導(dǎo)體通過接地材料將靜電荷引入地下，避免電荷越積越多而對地產(chǎn)生高電位。實(shí)現(xiàn)接地一般可通過以下途徑：在防靜電工作區(qū)內(nèi)設(shè)置接地/等電位系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)ESD接地，使電子元器件、人員和其它靜電導(dǎo)體（含臺(tái)墊、小車等）處于相同的電位；凡進(jìn)入工作區(qū)的人員均需穿戴防靜電工作服、防靜電鞋套，接觸元器件時(shí)佩戴防靜電腕帶；工作場所內(nèi)部可鋪設(shè)防靜電地板，配備防靜電椅和臺(tái)墊；元器件通過防靜電小車、防靜電盒等方式實(shí)現(xiàn)在不同場所的周轉(zhuǎn)等。
對于某些物體，例如普通塑料或其他絕緣體由于沒有放電通道，使用接地技術(shù)不可以消散靜電荷。典型的做法是利用離子化技術(shù)中和絕緣材料上的靜電荷。通常利用靜電消電器產(chǎn)生帶有異號電荷的離子與帶電體上的電荷復(fù)合，達(dá)到中和目的。常用的離子中和設(shè)備有：離子風(fēng)機(jī)、風(fēng)槍、風(fēng)嘴、風(fēng)簾、離子棒等。
在干燥條件下物體及空氣時(shí)電荷的絕緣性提高，在元器件使用過程中更易攜帶靜電電荷；當(dāng)空氣的濕度增加時(shí)，因空氣及物體的導(dǎo)電性增加，帶電部位發(fā)生局部放電而中和掉了剛產(chǎn)生的電荷，導(dǎo)致兩物體不再帶電。在靜電防護(hù)中，對環(huán)境濕度必須有嚴(yán)格的要求，通常會(huì)把相對濕度控制在40%～60%。
采用防靜電的包裝帶或包裝管把元器件進(jìn)行包覆，防止其受到外部靜電的干擾，以便于元器件的儲(chǔ)存、交接、運(yùn)輸。同時(shí)在拆卸時(shí)，需確保工作人員、工作臺(tái)面等具有良好的接地措施。
元器件靜電放電隱患貫穿元器件設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、檢驗(yàn)、交接、運(yùn)輸、使用全過程，因此靜電放電防護(hù)工作必將一直伴隨這航天型號。通用的防護(hù)手段不可或缺，但為滿足新型號用元器件的發(fā)展對靜電防護(hù)技術(shù)的提升需求，需要建立系統(tǒng)性、工程性的靜電防護(hù)體系，遵循靜電防護(hù)與全面質(zhì)量管理相結(jié)合，靜電防護(hù)與關(guān)鍵工序質(zhì)量控制相結(jié)合，靜電防護(hù)堅(jiān)持領(lǐng)導(dǎo)、技術(shù)人員、基層員工三結(jié)合的原則，控制元器件靜電放電損傷質(zhì)量問題的產(chǎn)生，為保障型號元器件可靠性提供了有力的支撐。
來源：航天九院電子元器件
推薦閱讀：
