电子工业静电危害

（二）电子工业静电危害

一．静电危害的一般特点

  1．库仑力的危害；

  2．静电放电的危害：

  ①电击；②绝缘击穿，产品报废；③干扰误动作；④爆炸火灾。

  3．静电感应的危害。

二．电子行业静电危害

  1．半导体和IC生产线的静电。

  ①穿着尼龙衣、塑料基底鞋缓慢在清洁地板上走动，人身会带7KV-8KV电压。

  ②玻璃纤维制成的晶体载料盒滑过聚丙烯桌面时，易产生10KV静电。

  ③晶片装配线：晶片5KV，晶片装料盒35KV，工作服10KV，桌面10KV，有机玻璃盖8KV，石英晶体1.5KV，晶片托盘6KV。

  ④光刻间塑料地面500V-1000V，扩散间塑料地面500V-1500V，瓷砖地面也是500V-1500V，塑料墙纸700V，塑料顶棚0-1000V，铝板送风口，回风口500V-1000V，金属活动皮革椅面500V-3000V。

2．静电危害表现：

  ①静电库仑力的危害：吸上粉尘、污物，带给元器件。增大泄漏或造成短路，使性能受损，成品率大大下降。如粉尘粒径>100μm，铝线宽度约100μm。簿膜厚度在50μm以下时，最易使产品报废，这种情形多发生在腐蚀清洗、光刻、点焊和封装等工艺过程中。

②静电放电引起的危害：如有数千、数万伏的高电位物体发生脉冲刷形放电或火花放电时，瞬间会有很高的放电电流流过，若人体带上10KV（100pF）的电荷，其放电电流流向大地时是形成瞬间脉冲电流峰值为20A，造成可观的影响，静电放电（ESD）还伴随着电磁波发射，会引起种种危害。 

  （ⅰ）MOS IC等半导体器件将被静电放电（ESD）击穿或半击穿

    MOS场效应管其栅极是硅氧化膜引出，栅极与衬底间是隔着一层氧化膜，当栅极与衬底间的电压超过一定值，氧化膜便被击穿，如果是MOS IC，则全部报废了。当SiO₂耐压场强E=（5～10）*10⁶V/cm，SiO₂膜厚1000-2000Å之间时（取D=1000Å），其施加电压大于U_B=50-100V氧化膜便会被击穿。栅极电容很小（约几个PF），输入阻抗很高（约10¹⁴Ω以上），这样，少量的电荷就会产生很高电压，电荷也很难泄漏，只要大于50V（无保护）就会烧毁，所以，只要人手一摸栅极，元件就坏了，因为人带电超过50V是平常事。

  （ⅱ）各类绝缘膜的耐压值见下表

  （ⅲ）各类元件典型耐静电压数值见下表

  （ⅳ）组装中要损坏器件，或造成电子仪器设备故障或误动作

A． 静电放电损坏元器件使整块印刷电路板失去作用，造成经济损失；

B．静电放电的噪声引起机器设备的误动作或故障—间接放电影响，电容放电测得结果，除产生瞬间脉冲大电流外，还会产生跨越数兆赫兹，甚至数百赫兹的强大噪声。近年来，静电放电噪声引起计算机误动作的基础研究取得很大进展。

C．放电时产生的电磁波进入接收机后，会产生杂音，干扰信号，从而降低信息质量，或引起信息误码差。

3．静电感应的危害

受静电感应的物体与带电体完全等价，并有静电力学现象和放电现象的发生，如果感应物体的电阻是较小的良导体时，还会发生火花放电造成危害。

  ①生产操作的车间里

    高电压设备、线路附近，人员在操作焊接、摆弄MOS器件或MOS IC时，由于静电感应，极易引起人体对器件的静电放电，从而损环器件。

  ②管道输送的空调气流（离子流），对人体吹风时相当于充电，当带电人体接触敏感器件，静电放电会击穿损坏器件。

归纳起来，静电引起的现象足以造成电子器件和电子仪器设备性能失调，其对电子器件危害的状况见下表所示。

4、半导体静电击穿现象

（1）静电击穿的部位

器件静电击穿主要发生在ΡΝ结区域或氧化膜中，其次有时也发生焊（布）线膜部分的熔断现象。

查找故障发生的位置，可以从以下全过程去进行：

    ①观察易于受到静电脉冲电流作用的地方，如输入或输出回路，阻抗较高的地方；

    ②从器件结构上较弱的部位去查找，如热容量较小之处，场效应管的栅极氧化膜等耐压性能较差的地方；

    ③从电场较为集中的边缘部分去查找。

对于二板管、三板管等分流器件，发生故障的模式比较简单，但是，对于集成度较高的IC、MSI、LSI、VSI之类，发生故障部位查找判断就不是那么容易。通常是通过实验，再现故障现象，将其与实际故障的模式进行分析对比，从而判断出静电的冲击来自何处。

（2）半导体器件静电击穿机理—— 一般可以考虑为热击穿的多。

      结区击穿———表面——漏电痕迹——距离  │

            │        │                离子  │

            │        │                灰尘  │—————绝缘击穿

            │        │──放电────吸湿─│

            │── 内体 ──正向────杂质─│

                         │             缺陷  │──非均匀性──热散逸 │

                         │ 反向────针孔  │                       │

                                                                       │热击穿

 焊（布）线膜击穿────（布）焊线膜────热熔断──────────│

                 │───（布）焊线───│

 氧化膜击穿────结合击穿────非均匀性────绝缘击穿

          │                                  │

          │─────本征击穿────────│  

说明：

① 结区的击穿

SI器件通电时，温度随之升高，SI的电阻也随之增高，当温度超过一定，SI的电阻反而下降，从而又导致输入电流增大和温度上升，进而降低电阻，形成所谓的热散逸现象。这是热击穿中的最基本形态。可以认为在静电作用下产生的正向击穿就属这一机理 。

至于反向偏压加于结区上，由于极薄的PN结合面几乎要承受全部电压，结区的热耗变大，而在结区非匀质之处，即由热散逸，温度急剧上升，而形成所谓热点，导致击穿。

② 膜（铝）布线击穿

其原因可能是静电放电，或放电电流，或是受结区温度的影响，总之，都是热的因素击穿。如热的作用下，铝线熔断而形成开路，或者由于熔融的铝而产生跨接短路。

③ 氧化膜的击穿

    a 单孔型击穿：形成几μm—几百μm的圆孔，这时的电场是在0.5MV∕cm以上，静电能量与电容存的能量差不多

b 传播型击穿：在高静电压，串联10KΩ以下的电阻时产生象虫子咬过一样的击穿模式，这种形式似乎的单孔型击穿作为触发源，通过介质使孔中气体击穿形成。

C 自动恢复型击穿，当SI_O2膜很薄时（几千Å—几万Å）击穿后。由于该部分的蒸发、消失，具有自动恢复性能。

（3）在判断器件故障的模式时，应注意以下问题

    ① 考虑通常使用情况下，与正品相比，废品发生了哪些异常，为此可以测量两者输出波形和绝缘阻抗的变化，从而确定异常的状态。

② 对难易再现故障状态，若用电容的放电实验进行检验，则可以改变电容大小，观察击穿电压与电容的关系，若利用短时脉冲放电方法检验，观察击穿电压与脉冲宽度之间的关系，然后将以上电容或脉冲宽的变化所形成的不同故障方式。与废品故障模式进行对比，从而推测出引起器件损伤的静电能量值。

5、静电击穿的模拟方法

大致有三种带电模式进行模拟性再现实验。

（Ⅰ）人体带电模式（HMB）

     主要用于检测积累有静电的人体，接触到器件时，电荷通过器件放电引起的击穿现象。

静电放电实验方法标准

（3）说明：

① 一般人体电阻100-10kΩ，人体对地电容50-500PF，与标准中的C、R2基本相合

② 典型的人体模式放电脉冲上升时间小于10ns。衰减延续时间为50-300ns。

③ 对二极管三极管等引线较少的及芯片面积较小器件，此法可以充分再现装卸操作时的放电现象，但对于LSI这一类高集成化、引线繁多，芯片的大型化，此法做出来的数据与实际击穿的现象差异多，甚至无法相对应。

④ 人体模型法应该还存在一些问题。如电容C和电阻R₂值不同,击穿的模式也不同。结区的热击穿，铝的熔断（过电波引起）等过电流击穿和过电压引起的氧化膜击穿，以及由于载流子的积累，而引起“软特性击穿。一般C大，R₂小时，即使低电压下就不会发生过电流击穿，所以，过电流击穿，并不能反映绝缘的击穿强度。C小，R₂大，由于低电压下不会发生过电流击穿，故可反映绝缘的击穿强度。

（Ⅱ）器件带电模式（CDM）

 器件带电模式是将器件积累的静电荷，在其端子对其余物体放电而造成击穿的过程模型化。近年来，许多新的工艺处理程度被陆续应用到工厂，此时，如传送带不恰当的设计或安装，搬运和修理时电路板元器件或元器件的滑动，不导静电的周转的工具、机械手或测试设备，引起的静电都能引起ESDS器件击穿，使器件带电模式也日益受到重视。

    通常是感应带电模式，包括封装带电模式和器件与引线架等导体部分摩擦的带电模式。

（Ⅲ）设备带电模式（MM）

      这里主要的ESD损坏源来自于带电机械设备装置，带电导体如如金属工具或夹具也会发生ESD。本带是模式与人体带电模式类似。开始，在日本，当人们试图建立最坏的人体带电模式时，设备模式即被发现，且比起最坏条件下的人体模式，设备模式可能更为严重，承包商应考虑MM模式敏感性数据相适应的加工操作形式。

（Ⅳ）电场感应模型

是为再现MOS器件在放置带电塑料容器等的高电场中时，器件的导电部分（引线架）起到天线作用，使氧化硅膜发生击穿现象。

但此法至今尚未提出具体的检验的方法。

总之，上述介绍的几种检测方法，它们都有需要共同解决的问题，要考察IC究竟能耐多大程度的静电，靠一、二句话说清楚是困难的。原因之一就在于与静电有关的因素太多，如充电电压、电容放电时间常数，布线长度，盘绕方式，外加脉冲数，脉冲间隔，试验引线组合及方式等等。

但有一个比较明确，试验电路中的电容选为数百PF，电阻为数KΩ的前提下，才可大致认为一般的MOS IC耐静电能量约为5～100μJ，双极性IC约在5～500μJ的范围。