靜電放電模型及其失效特征分析

王斌+朱薇+陳業(yè)剛

摘 要：該文通過從理論入手，分析了3種靜電放電模型，即：人體模型、機(jī)器模型及帶電器件模型，找出3種靜電放電模型所導(dǎo)致的器件失效特征，進(jìn)而更加有效地幫助企業(yè)找出靜電放電的根源，從而加強(qiáng)改進(jìn)靜電防護(hù)措施，減少因靜電放電引起的不必要損失，提高產(chǎn)品可靠性。

關(guān)鍵詞：人體模型 機(jī)器模型 帶電器件模型 靜電防護(hù)

中圖分類號(hào)：TN406 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（b）-0057-02

作為近場自然危害源的一種，靜電給現(xiàn)代生活已經(jīng)造成了巨大損失和嚴(yán)重危害。近年來，隨著微型電子領(lǐng)域的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的更新速率越來越快，集成化程度越來越高。這些高度集成化的電子元器件和集成電路在流通和使用的過程中非常容易受到來自人體和外界環(huán)境中的靜電源干擾，如不采取靜電防護(hù)措施，將會(huì)損失慘重。作為隨機(jī)過程的一種，靜電放電過程復(fù)雜且多變，靜電放電的形式各種各樣，同一種靜電源對(duì)不同的物體發(fā)生靜電放電時(shí)導(dǎo)致的結(jié)果也不盡相同。溫度、濕度等環(huán)境條件對(duì)靜電放電影響嚴(yán)重，這就導(dǎo)致很難得到具有重復(fù)性的放電結(jié)果，難以有效地對(duì)ESD靜電放電效應(yīng)和危害進(jìn)行正確的評(píng)估。因此，根據(jù)理論分析和討論不同場合下靜電放電的特點(diǎn)并建立相對(duì)應(yīng)的ESD放電模型很有必要。

1 靜電放電模型

根據(jù)放電源和放電形式的不同，可以建立起多種靜電放電模型，用來分析靜電放電的主要特征。在微電子領(lǐng)域，有以下3種靜電放電模型經(jīng)常被用來討論。

1.1 人體放電模型（HBM）

人的身體作為產(chǎn)生靜電危害的最主要的根源之一，其接觸或摩擦材料（例如人體服裝）所產(chǎn)生的靜電荷很容易傳輸?shù)狡つw的導(dǎo)電汗層使人體帶電。人體靜電放電模型是根據(jù)帶靜電的人體與電子元器件的外引腳接觸，通過電子元器件對(duì)地放電，致使元器件失效而建立的。人體作為一個(gè)優(yōu)良導(dǎo)體，能儲(chǔ)存一定量的靜電電荷。目前較廣泛使用的人體靜電模型等效電路如圖1所示。測(cè)試電路是將人體等效成電阻和電容大小分別為1 500 Ω和100 pF。

1.2 機(jī)器模型（MM）

機(jī)器模型是來模擬帶電的物體對(duì)電子元器件發(fā)生靜電放電的情形，機(jī)器模型又可以稱作金屬模型。機(jī)器模型的等效電路是采用電容值為200 pF的電容直接地對(duì)電子元器件進(jìn)行放電。機(jī)器模型是模擬導(dǎo)體帶電后對(duì)電子元器件的作用，例如我們常見的自動(dòng)流水裝配線上的電子元器件遭受來自帶電金屬構(gòu)件對(duì)器件的靜電放電，機(jī)器模型同樣也可以用來模擬帶電的工具和測(cè)試夾具等對(duì)器件的放電[1]。機(jī)器模型典型模擬電路如圖2所示。

1.3 帶電器件模型（CDM）

在加工﹑運(yùn)輸﹑儲(chǔ)存等過程中電子元器件自身與操作臺(tái)面或者包裝材料等物體接觸摩擦導(dǎo)致物體帶電。此時(shí)，若帶電的電子元器件靠近或接觸導(dǎo)體便會(huì)發(fā)生靜電放電現(xiàn)象[2]。通常，帶電元器件在帶電時(shí)，在金屬管腳上集中大量的靜電電荷，僅有很少的靜電電荷集中在非金屬的封裝上。由于帶電器件模型的電阻值R非常小，在靜電放電的過程中管腳的電感L對(duì)放電的影響不可忽視，因而帶電器件放電模型的等效電路可以看作是一個(gè)串聯(lián)的RLC的諧振電路。

2 電子元器件ESD失效類型與失效機(jī)理

2.1 失效類型

ESD失效類型基本上可分為兩類：一類稱為軟失效（間歇、翻轉(zhuǎn)失效），另一類可稱為硬失效（擊穿、破壞失效）。

軟失效通常的表現(xiàn)形式是信息的丟失或者功能的短暫消失或變壞，硬件并沒有發(fā)生損壞。軟失效的具體表現(xiàn)形式是在靜電放電期間，性能降級(jí)是允許的。然后在放電之后，工作狀態(tài)不應(yīng)改變，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失。

硬失效是指由于ESD引起電子元器件電氣超載的結(jié)果。也有可能一次ESD并未引起硬失效，但多次ESD發(fā)生后卻引起了硬失效，原因可能是在一定程度上受損的ESDS元器件，需要工作應(yīng)力和時(shí)間來引起性能進(jìn)一步退化，并最終使其遭受致命性失效。

2.2 失效機(jī)理

ESD失效機(jī)理主要包括：熱二次擊穿、金屬化熔融、介質(zhì)擊穿、氣體電弧放電、體積穿等。下面分別介紹。

（1）熱二次擊穿：熱二次擊穿是指半導(dǎo)體材料的熱時(shí)間常數(shù)一般比ESD脈沖的瞬變時(shí)間大得多，從產(chǎn)品的散熱區(qū)域有一些熱擴(kuò)散出來，形成很大的溫度差在器件表面。這個(gè)巨大的溫度差接近材料的融化溫度，從而導(dǎo)致器件因融解引起設(shè)備故障并導(dǎo)致短路。

（2）金屬化熔融：靜電放電發(fā)生時(shí)，瞬時(shí)的大電流和能量導(dǎo)致元器件的溫度快速升高，這個(gè)快速的升溫能夠熔化金屬化層或使引線燒熔。金屬化熔融與面積大小、電流的持續(xù)時(shí)間有關(guān)。

（3）介質(zhì)擊穿：當(dāng)在絕緣區(qū)兩端施加的電壓超過該區(qū)域固有的擊穿電壓特性時(shí)，將會(huì)發(fā)生介質(zhì)擊穿。

（4）氣體電弧放電：當(dāng)元器件中未被鈍化的薄層電極之間間距很小時(shí)，氣體電弧放電能使其性能退化。電弧放電會(huì)引起汽化而且使金屬常常離開電板而移動(dòng)。

（5）體積穿：在結(jié)區(qū)，由于局部高溫，使結(jié)的參數(shù)變化，引起體積穿。

3 靜電放電模型失效特征分析

3.1 人體靜電模型的ESD失效特征

人體靜電放電導(dǎo)致的元器件失效有多種表現(xiàn)形式，比如輸入/輸出管腳漏電、電源腳漏電、功能失效和降低的反向擊穿電壓。人體靜電模型導(dǎo)致的失效，如果是物理性損傷主要是位于輸入/輸出腳的靜電放電保護(hù)電路里；如果是元器件表現(xiàn)為電源腳漏電或者功能性失效，物理損傷也可能位于器件的核心電路里[3]。

3.2 機(jī)器模型的ESD失效特征

機(jī)器模型的ESD失效特征表現(xiàn)在，失效元器件的電學(xué)特征和器件的損傷形貌及位置和人體靜電模型的ESD失效類似。

3.3 帶電器件模型的ESD失效特征

帶電器件模型的ESD失效特征主要表現(xiàn)在，失效器件的損傷位置不在ESD保護(hù)電路里而是發(fā)生在第一個(gè)輸入緩沖級(jí)。損傷表現(xiàn)形式主要是多晶硅損傷或多晶硅柵邊緣下的柵氧化層擊穿，無電弧擊穿。

4 結(jié)語

靜電放電是高電位、強(qiáng)電場、瞬時(shí)大電流的過程。由于ESD的多樣性，使得難以有效地對(duì)ESD的危害及其應(yīng)用進(jìn)行有效的評(píng)估。通過靜電放電試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷挠懻摚軌驅(qū)SD實(shí)際產(chǎn)生的危害進(jìn)行深入研究。盡管放電是不可避免的，但是可以通過人為采取有效的措施得到預(yù)防和控制。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫可平，Albert Kow.靜電放電防護(hù)與控制技術(shù)[M].大連海事大學(xué)出版社，2007.

[2] 劉尚合，武占成.靜電放電及危害防護(hù)[M].北京郵電大學(xué)出版社，2004.

[3] 王俊濤.人體ESD模擬器的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2008.