靜電對(duì)電子元件的危害及其防護(hù)措施

李斌

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水，741000)

靜電對(duì)電子元件的危害及其防護(hù)措施

李斌

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水，741000)

介紹了靜電的產(chǎn)生過程及其對(duì)電子元件的危害，采用了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、運(yùn)輸、貯存環(huán)節(jié)來預(yù)防與消除靜電的有效方法，總結(jié)出了在電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中對(duì)靜電防護(hù)的完整體系，從而降低了靜電帶來的損害，保證了產(chǎn)品的可靠性，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量與使用壽命。

靜電；電子元件；電荷；靜電放電；可靠性

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子元件由起初的大型器件、分立器件逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿缃竦男⌒推骷?、集成電路，并且向著多元化、智能化發(fā)展。然而這樣的器件卻對(duì)靜電非常敏感，此類器件被稱之為靜電敏感器件（Static Sensitive Device簡稱SSD）。在電子器件集成度越來越高的趨勢下，半導(dǎo)體行業(yè)通常會(huì)采用減薄器件氧化膜的厚度來減小其尺寸，與此同時(shí)器件的耐壓也隨之降低。這樣，半導(dǎo)體器件，特別是IC器件，其種類不同受靜電破壞的程度也不同，甚至弱到100 V的靜電也會(huì)造成破壞。那么，靜電的防護(hù)與消除就變得尤為重要。

2 靜電的產(chǎn)生過程

2.1 靜電的產(chǎn)生

原子是由原子核和原子核外電子組成，而原子核中的質(zhì)子帶正電荷，核外電子帶與質(zhì)子等量的負(fù)電荷。在這種情況下，質(zhì)子帶的正電荷與電子帶的負(fù)電荷中和，對(duì)外表現(xiàn)為不帶電。然而，原子核外的電子一旦在外力的作用下，就會(huì)脫離其運(yùn)行軌道進(jìn)入到其它原子，此時(shí)，原子因失去電子而帶正電，其它原子因得到電子而帶負(fù)電。像這種物體表面所帶過剩或不足的相對(duì)靜止不動(dòng)的電荷，稱之為靜電。靜電是一種客觀的自然現(xiàn)象，產(chǎn)生的方式有很多，如接觸、摩擦、感應(yīng)、沖流等，靜電產(chǎn)生的基本過程可歸納圖1所示。

圖1 靜電的產(chǎn)生過程

2.2 靜電的特點(diǎn)

靜電的主要特點(diǎn)包括：1）高電壓；2）強(qiáng)電場；3）放電持續(xù)時(shí)間短；4）電磁輻射頻帶寬。

3 靜電對(duì)電子元件的危害

3.1 靜電放電(ESD)

靜電放電是指具有不同靜電電位的物體因直接接觸或靜電感應(yīng)而引起物體間的靜電電荷轉(zhuǎn)移，是靜電場的能量達(dá)到一定程度后，擊穿其間介質(zhì)而進(jìn)行放電的一種現(xiàn)象。

3.2 靜電對(duì)電子元件的危害

靜電電荷本身不會(huì)產(chǎn)生危害，危害主要來自靜電放電（ESD）的過程。通常所說的靜電危害，實(shí)際是指ESD產(chǎn)生的危害。在電子元件的生產(chǎn)、檢驗(yàn)、調(diào)試、安裝過程中，如果不消除靜電，將會(huì)直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。尤其是半導(dǎo)體器件和微電子器件生產(chǎn)行業(yè)，因靜電放電引起的失效頗多。

隨著電子、通訊、航天航空等高新產(chǎn)業(yè)的不斷崛起，一些電子設(shè)備、儀器、儀表等電子產(chǎn)品越來越小型化、集成化、智能化、多功能化。集成電路（IC）、高密度集成電路（MCU）已成為目前電子行業(yè)領(lǐng)域不可缺少的器件。然而此類器件具有鍵合線短、線細(xì)、集成度高、運(yùn)算速度快、功耗低、耐壓低、輸入阻抗高等特點(diǎn)，因此使得這類器件對(duì)靜電愈加敏感。

ESD的能量對(duì)傳統(tǒng)電子元件的影響不大，但是，像集成電路及高密度集成電路，不論是MOS器件，還是雙極性器件都可能會(huì)因靜電電場和靜電放電電流而引起失效。甚至，會(huì)造成"軟擊穿"現(xiàn)象，從而直接影響電子產(chǎn)品及整機(jī)的質(zhì)量、壽命與可靠性。

ESD引起的電子元件擊穿是電子工業(yè)最普遍、最嚴(yán)重的靜電危害，它分為硬擊穿和軟擊穿。硬擊穿是指一次性造成元器件介質(zhì)擊穿、燒毀或永久性失效；軟擊穿則會(huì)造成器件的性能不穩(wěn)定或參數(shù)指標(biāo)下降。

電子器件因其種類不同所受靜電破壞的程度也不同，表1為不同類型器件靜電破壞電壓。

表1 電子器件靜電破壞電壓

3.3 靜電放電失效機(jī)理

（1）過電壓場致失效：過電壓場致失效是指高阻抗的靜電放電回路中，絕緣介質(zhì)兩端的電極因接受了高靜電放電電荷而呈現(xiàn)高電壓，有可能使電極之間的電場超過其介質(zhì)臨界而擊穿電場，最終使電極之間的介質(zhì)發(fā)生擊穿而失效[1]。過電壓場致失效多發(fā)生于MOS器件，包括含有MOS電容或鉭電容的雙極型電路和混合電路。

（2）過電流熱致失效：過電流熱致失效是由于較低阻抗的放電回路中，靜電放電電流過大使局部區(qū)域溫度超過材料的熔點(diǎn)，導(dǎo)致材料發(fā)生局部熔融而使元器件失效。過電流熱致失效多發(fā)生于雙極元器件，包括輸入端用PN結(jié)二極管保護(hù)的MOS電路、肖特基二極管以及含有雙極元器件的混合電路。

3.4 ESD引起電子元件失效的情形

ESD引起電子元件失效主要包含四種情形：（1）對(duì)PN結(jié)造成軟擊穿，使產(chǎn)品的可靠性下降；（2）芯片內(nèi)單晶硅金屬鍍膜被擊穿，使產(chǎn)品良率下降；（3）芯片內(nèi)部引線被擊穿，使產(chǎn)品良率下降；（4）ESD損傷后導(dǎo)致產(chǎn)品在上機(jī)使用過程中出現(xiàn)燒毀現(xiàn)象。

3.5 靜電損害IC器件的特點(diǎn)

（1）隱蔽性：人體不能直接感知靜電，當(dāng)發(fā)生靜電放電時(shí)，人體也不一定有被電擊的感覺，因?yàn)槿梭w感知的靜電放電電壓為2～3 kV，因此靜電具有一定的隱蔽性。

（2）潛在性：一些IC器件受到ESD損傷后，其性能沒有明顯下降，但是多次的累積放電會(huì)使其性能不穩(wěn)定或參數(shù)指標(biāo)下降。因此靜電對(duì)IC器件的損傷具有潛在性。

（3）隨機(jī)性：IC器件從其芯片的生產(chǎn)、封裝、測試、包裝到產(chǎn)品的上機(jī)使用整個(gè)過程中都會(huì)受到靜電的威脅，而整個(gè)過程中靜電的產(chǎn)生具有隨機(jī)性，靜電對(duì)器件的損壞也具有隨機(jī)性。

（4）復(fù)雜性：靜電損傷引起的電路失效，往往很難觀察到，也很難甄別。通常要通過芯片失效定位儀器將其范圍鎖定，然后在SEM（掃描電子顯微鏡）下觀察。即便如此，有些ESD損傷也難與其它原因造成的損傷區(qū)別，有時(shí)候會(huì)將ESD引起的失效當(dāng)做其它失效，因此靜電損傷IC器件具有復(fù)雜性。

4 靜電防護(hù)工藝

4.1 靜電防護(hù)工藝的目的與效果

隨著靜電意識(shí)的不斷增強(qiáng)，電子行業(yè)認(rèn)為靜電防護(hù)這一工作非做不可，在實(shí)施靜電防護(hù)工作后取得了一定的效果。在防靜電實(shí)踐中，電子產(chǎn)品靜電控制與防護(hù)必須是分層次進(jìn)行。

第一層次：對(duì)靜電敏感器件內(nèi)部加防護(hù)靜電放電措施，采用防靜電擊穿材料及采用附加保護(hù)電路等，以提高其抗靜電能力。

第二層次：強(qiáng)化產(chǎn)品生產(chǎn)過程的靜電控制與靜電防護(hù)工藝，以降低最大靜電放電值，從而達(dá)到有效的保護(hù)目的。

圖2 靜電防護(hù)工藝的目的與效果圖

圖2中，E0為器件靜電放電安全標(biāo)準(zhǔn)值；Em為生產(chǎn)作業(yè)中，實(shí)際測量到的最大靜電放電值；E0/為提高抗靜電能力后的安全標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)值；Em/為防靜電后的有效值。一般Em/值是在采用防靜電工藝后取得，E0/值只在設(shè)計(jì)方面采取措施后予以提高的。

4.2 靜電的基本預(yù)防途徑

4.2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)階段

因IC器件、MCU器件等高集成度電子器件對(duì)靜電非常之敏感，所以此類器件應(yīng)該在設(shè)計(jì)、研發(fā)之初將對(duì)靜電的預(yù)防考慮進(jìn)去，一般會(huì)采用以下幾種方法：

（1）在靜電的通路上放置適當(dāng)阻值電阻，電阻是耗能元件，在靜電的通路上放置適當(dāng)阻值的電阻是一個(gè)理想的選擇，而且其設(shè)計(jì)成本也不高。該電路(見圖2)的設(shè)計(jì)思路就是將抗靜電能力強(qiáng)的元器件放置在靜電高的地方，將抗靜電能力弱的元器件遠(yuǎn)離靜電源，MCU放置在靜電敏感器件端。

（2）設(shè)置單二極管電路，對(duì)于一些電路，在通路上增加電阻會(huì)影響其固有功能，這時(shí)可以采用對(duì)電源上拉或者下拉一個(gè)二極管(見圖3)。因靜電放電速度非?？?，所以要求這個(gè)二極管反應(yīng)速度也要快，否則，起不到泄放靜電的作用。通常采用性價(jià)比較高的IN4148。

圖3 單電阻/單電容電路

（3）電阻、電容、二極管組合電路，當(dāng)靜電較大，或者希望達(dá)到更高的抗靜電能力的產(chǎn)品，可以采用RCD(電阻、電容、二極管組合)電路(見圖4、圖5)，但此電路設(shè)計(jì)成本較高。

圖4 二極管電路

圖5 RCD組合電路

除以上對(duì)電路采取的保護(hù)措施外，我們還可以在設(shè)計(jì)PCB板時(shí)對(duì)地線采用單點(diǎn)共地的方式。

4.2.2 產(chǎn)品加工階段

4.2.2.1 生產(chǎn)環(huán)境要求

（1）空氣潔凈度要求。空氣潔凈度主要表示空氣的潔凈程度，主要包括兩方面：一是空氣中塵埃微粒的濃度；二是空氣中塵埃微粒的粒徑?？諝獾臐崈舳仁请娮赢a(chǎn)品、尤其是微電子生產(chǎn)非常重要的條件之一，空氣潔凈度不達(dá)標(biāo)，會(huì)直接對(duì)產(chǎn)品內(nèi)部造成污染，同時(shí)還會(huì)引起周圍靜電產(chǎn)生，從而影響產(chǎn)品的性能、成品率、可靠性及壽命。

微電子生產(chǎn)行業(yè)一般采用：一是建造密閉性、易潔性、保溫性的凈化廠房；二是加裝凈化空調(diào)。

（2）恒溫恒濕要求。微電子生產(chǎn)行業(yè)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的溫濕度有著嚴(yán)格的要求，當(dāng)溫度變化過大時(shí)，會(huì)直接影響產(chǎn)品的性能、可靠性及壽命，同時(shí)當(dāng)濕度變化過大時(shí)也會(huì)影響產(chǎn)品的性能、可靠性及壽命，而且當(dāng)濕度過于低時(shí)，容易產(chǎn)生靜電，一般情況下空氣的相對(duì)濕度不易低于40%RH。

4.2.2.2 設(shè)備要求

（1）鋪設(shè)防靜電地板。無塵室內(nèi)、各站工作區(qū)以及走道區(qū)域地板必須使用防靜電地板，地板表面電阻率應(yīng)為105～1 010Ω·m。

（2）電氣設(shè)備、工作臺(tái)接地。工作臺(tái)上的電氣設(shè)備需要直接接地，并且需要和工作桌面隔絕，同時(shí)工作臺(tái)需加1 MΩ電阻間接接地。

ESD防護(hù)區(qū)安全接地應(yīng)注意的原則：在工作環(huán)境中減少產(chǎn)生靜電的過程和材料，如保持其過程和材料具有相同的靜電勢[2]。

防靜電工作區(qū)必須有安全可靠的防靜電接地裝置，地電阻小于4Ω，防靜電地線不得與電源零線相接，不得與防雷地線共用。使用三相五線制供電時(shí)，其地線可以作為防靜電地線。

工作臺(tái)面、貨架、貨柜和其它導(dǎo)靜電的ESD保護(hù)措施均應(yīng)通過限流電阻接到地線，防靜電腕帶應(yīng)通過工作臺(tái)頂面接地點(diǎn)與地線連接。

（3）防靜電安全電阻的確定與計(jì)算。為了給靜電安全作業(yè)區(qū)的工作人員提供防電擊條件，根據(jù)人體受到電擊時(shí)，有能力脫離險(xiǎn)境的極限電流（10～16 mA）的要求，取安全電流為5 mA進(jìn)行計(jì)算：

由R=U/I可知，設(shè)U=220～380 V，I=5 mA，計(jì)算得知：R=4.4×104Ω～7.6×104Ω

則R值應(yīng)取大于1.0×105Ω為佳

（4）防靜電系統(tǒng)的泄露條件分析與最大允許接地電阻的計(jì)算。電子行業(yè)中的靜電泄露系統(tǒng)一般由防靜電桌墊、地墊、接地、腕帶構(gòu)成。該系統(tǒng)適用于采用靜電敏感器件產(chǎn)品的基本作業(yè)。當(dāng)操作者臨時(shí)離開崗位之后返回時(shí)，若忘記帶上接地的防靜電腕帶，或外來人員在無防護(hù)條件下進(jìn)入防靜電工作區(qū)域，當(dāng)距離作業(yè)工位較近時(shí)，足以使器件處于人體防靜電威脅中。因此而引起的損傷時(shí)間僅為1 s。因此，在這種情況下除對(duì)臨時(shí)進(jìn)入人員采取一定措施外，就防靜電系統(tǒng)本身而言，應(yīng)考慮其達(dá)到最大通地電阻時(shí)，需要放電電壓達(dá)到低于100 V時(shí)的過渡時(shí)間應(yīng)小于1 s。

如圖6所示，物體放電時(shí)，除需要通過接地電阻外，還有放電物體的電容量可影響放電時(shí)間，以人體電容為例，等效電容分布范圍很寬，可從100～4 000 pF，一般為200 pF（平均值）。物體放電初始電壓是不同的，國際電子工業(yè)一般規(guī)定為5 000 V。

圖6 靜電放電等效電路

根據(jù)以上分析，防靜電系統(tǒng)保證在1 s內(nèi)將5 000 V靜電電壓能夠釋放到100 V安全電壓的最大容許接地電阻計(jì)算為：

其中：U=100 V(靜電系統(tǒng)安全電壓)；U0= 5 000 V(放電初始電壓）；t=1 s(放電電壓釋放到100 V以下所需時(shí)間）；C=200 pF=200×10-12F(人體對(duì)地或物體間電容的統(tǒng)計(jì)平均值）。將數(shù)據(jù)代入公式(1)計(jì)算得：

可見，只要系統(tǒng)電阻值小于1.28×109，就可保證在1 s內(nèi)使放電電壓降到安全值，防止靜電危害。

4.2.2.3 作業(yè)人員要求

作業(yè)人員進(jìn)入工作區(qū)域時(shí)，必須進(jìn)行人體綜合電阻測試，在測試合格后方可進(jìn)入工作區(qū)域。作業(yè)人員還必須穿戴防靜電工作服同時(shí)佩戴防靜電腕帶。腕帶的要求是放電的速度與人體上產(chǎn)生靜電電荷的速度要相同，使其不會(huì)產(chǎn)生靜電電壓。同時(shí)腕帶必須保證操作者即使在移動(dòng)時(shí)身上的電勢也限定在100 V以下。

當(dāng)腕帶的接地電阻不同時(shí)，在人體電容上產(chǎn)生的電壓是不同的(見表2)。

表2 腕帶不同電阻時(shí)人體產(chǎn)生的電壓

可見，當(dāng)電阻超過1×108Ω時(shí)，將不能保證觸摸時(shí)產(chǎn)生的脈沖電壓達(dá)到100 V的安全值，從表中可以看出，腕帶的限流電阻在1 MΩ以下時(shí)，對(duì)電子器件特性無明顯影響。因此，腕帶到地的電阻值應(yīng)當(dāng)限制在1～100 MΩ。

具體計(jì)算如下：

由公式：R=τ/C

其中，τ為人體對(duì)地放電時(shí)間常數(shù)，要求5τ＜0.1 s；C為人體對(duì)地電容，通常取200 pF；

R為人體對(duì)地放電回路電阻。

解得：

為了保證腕帶在任何情況下都能在0.1 s內(nèi)使人體電容上電壓降到100 V以下，同時(shí)為了保證作業(yè)員不遭電擊，腕帶電阻應(yīng)選擇在105～108Ω間。若要得到最佳的靜電安全保護(hù)效果和最佳的人體保護(hù)作用，腕帶接地電阻取1×108Ω為佳。

4.2.2.4 離子風(fēng)機(jī)、離子風(fēng)槍的使用

任何對(duì)靜電敏感的材料放于工作臺(tái)之前，必須把離子風(fēng)機(jī)先打開，且中途不可關(guān)閉。工作時(shí)產(chǎn)品必須放置于距離子風(fēng)機(jī)5～40 cm的圓弧內(nèi)（兩邊各近似45°），離子風(fēng)機(jī)靜電電壓≤±100 V。

4.2.3 產(chǎn)品包裝、運(yùn)輸、存貯、保管階段

靜電敏感電子器件在包裝、運(yùn)輸、存貯、保管中應(yīng)遵循以下原則：

（1）包裝時(shí)應(yīng)采用防靜電包裝材料，包裝前必須將產(chǎn)品放在已經(jīng)接地的工作臺(tái)或貨架上。

（2）運(yùn)輸過程中，產(chǎn)品不得掉落地下，不得任意脫離包裝。

（3）在搬運(yùn)時(shí)，產(chǎn)品的全部引出腳必須處于等電位的防靜電包裝袋中。防靜電包裝袋的表面電阻率應(yīng)在1×1011Ω·m以下，并將產(chǎn)品放置在加蓋的防靜電盒中。對(duì)入庫的所有產(chǎn)品要檢查其包裝盒上和入庫單上是否有防靜電警告標(biāo)志。

（4）貯存產(chǎn)品的庫房，其室內(nèi)的相對(duì)濕度不能低于30%～40%RH。因?yàn)樵谶@種環(huán)境下，非常容易積聚靜電。庫房的相對(duì)濕度應(yīng)保持在60%RH左右為宜。

（5）產(chǎn)品在貯存過程中應(yīng)保持原包裝，若需要更換包裝時(shí)，要使用具有防靜電性能的專用容器，不得任意使用普通塑料袋，普通塑料盒等容器，也不得隨意倒入抽屜、柜子中。

（6）靜電敏感產(chǎn)品的貯存庫，在存放產(chǎn)品容器的可視位置上，應(yīng)貼有防靜電專用標(biāo)簽。在庫房內(nèi)，產(chǎn)品的品種規(guī)格不得混雜在一起。庫管人員需經(jīng)過嚴(yán)格培訓(xùn)，作業(yè)時(shí)應(yīng)穿防靜電工作服或棉織物工作服。庫房內(nèi)產(chǎn)品放置區(qū)域應(yīng)具有靜電防護(hù)措施。

總之，在電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中對(duì)ESD的防護(hù)要形成一套完整的體系[3]，圖7為ESD體系標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)潢P(guān)系。

圖7 ESD體系標(biāo)準(zhǔn)拓?fù)潢P(guān)系

5 結(jié)束語

靜電對(duì)電子器件的損害不容忽視，但是通過在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品加工、產(chǎn)品包裝、運(yùn)輸、貯存等各環(huán)節(jié)的預(yù)防，可以將靜電帶來的損害降到最低，從而保證產(chǎn)品的可靠性，提高產(chǎn)品的質(zhì)量與使用壽命。

[1] 孔學(xué)東，恩云飛.電子元器件失效分析與典型案例[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[2] 龍瓊，周云靜，羅汝芬，等.靜電控制方案淺談[J].科技信息，2010，27(26)：138-139.

[3] 馬勝男，郭德華.國外靜電安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展[J].標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)，2012，49(07)：68-73.

Electrostatic Hazards and Protection of Electronic Devices

LI Bin

(Huatian Technology Co.,Ltd，Tianshui 741000,China)

This paper mainly introduced the produce process of static and Electrostatic hazards for electronic devices,By an effective method of product design,processing,transportation and storage link to prevent and eliminate static electricity,summarizes whole static electricity protection system in Electronic product manufacturing process,Which reduces the electrostatic damage,Ensure the reliability of the product,Improve the quality of the product and the service life.

static；Electronic devices；charge；ESD；reliability

TN607

B

1004-4507(2015)05-0050-06

李斌（1986-），男，甘肅省天水市秦州區(qū)人，畢業(yè)于天水師范學(xué)院物理系專業(yè)，現(xiàn)擔(dān)任天水華天科技股份有限公司可靠性與失效分析實(shí)驗(yàn)室FA工程師，主要從事塑封IC電路失效分析工作。

2015-05-06