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电子工业静电危害
防静电科技网   2021-04-09 16:59:18 作者:135246 来源: 文字大小:[][][]

(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10KV100pF)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=510*106V/cmSiO2膜厚1000-2000Å之间时(取D=1000Å),其施加电压大于UB=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

 

 

绝缘膜

绝缘耐压MV/cm

介电常数

SiO2

Si3N

Ta2O5

TrO2

TiO2

Nb2O5

10

10

S8

4

1

5

4

7

25

2222

2040

30100

 

  ⅲ)各类元件典型耐静电压数值见下表

 

类型

耐放电压值(V

类型

耐击穿

电压(V

V MOS

MOS  FET

GaAS  FET

P  ROM

运算放大器

J  FET

C  MOS

肖特基二极管

双极型晶体管

ECL

可控硅

肖特基TTL

30-1800

100-200

100-300

100

190-2500

140-700

250-3000

300-3000

380-7000

500-1500

680-1100

1000-2500

无保护电路的MOS电路

MOS电容器,场效应三极管FET

C MOS

带保护电路的MOS

C MOSP MOS

发射极耦合电路ECL

低速双极型逻辑电路

TTL

肖物基晶体管一晶体管

逻辑电路

小信号二极管IW以下

小信号晶体三极管5W以下

10-20

0-1000

250-2000

1000-4000

 

500

300-2500

 

 

1000-4000

 

4000-15000

4000-15000

 

  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。

 

 

 

 

器件或仪器种类

危害状况

半导体器件

施加超过耐压能力的电场导致器件击穿、半击穿、性能劣化。

磁带录相机

由于静电吸附灰尘,促使磁头磨损,磁带运转不良,由于制造时混入灰尘而漏失信息,产生噪声、颤音。

电子计算机

静电放电引起的噪声使系统停机、记录错误、漏失信息。

计算机外围设备

由于静电使卡片难整理、磁鼓不良、机械性能不稳定。

测量仪器类

零点变动,误信号。

 

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ICMSILSIVSI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 

                          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:

 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。

 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。

 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0.5MVcm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SIO2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

     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。

 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

标  准

条                     件

C

R2

V

试验次数

IEC

47(CO)955

100PF

1.5KΩ

①2000V

②500V

5次

MIL-STD883B

方法3015.1

100PF

1.5KΩ

①20~2000V

②2000V以上

5次

DOD-STD883B

100PF

1.5KΩ

0~5000V

 

BS  9400

100PF

10 KΩ

500V

 

MIL-M-38510/55C

100PF

1.5 KΩ

1000V

4次

EIAJ  IC-121-1981

A

B

C

 

200PF

100PF

200PF

 

10 KΩ

10 KΩ

0 Ω

 

500V

 

150V

 

1次或5次

日本

200PF

0Ω

>200V

 

 

3)说明:

 一般人体电阻100-10kΩ,人体对地电容50-500PF,与标准中的CR2基本相合

 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

 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。

 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。

)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。

)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。

 

生产中应注意的防静电细节 电子工业的静电防护措施(上)

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