电子元器件抗ESD损伤的基础知识

电子元器件抗ESD技术讲义 第1页

引 言 ......................................................................................................... 4 第1 章 电子元器件抗ESD损伤的基础知识 ...................................... 5

1.1 静电和静电放电的定义和特点 ...................................................................................... 5

1.2 对静电认识的发展历史 .................................................................................................. 6 1.3 静电的产生 ...................................................................................................................... 6

1.3.1 摩擦产生静电 ....................................................................................................... 6 1.3.2 感应产生静电 ....................................................................................................... 8 1.3.3 静电荷 ................................................................................................................... 8 1.3.4 静电势 ................................................................................................................... 8 1.3.5 影响静电产生和大小的因素 ............................................................................. 9 1.4 静电的来源 ...................................................................................................................... 9

1.4.1 人体静电 ............................................................................................................. 10 1.4.2 仪器和设备的静电 ............................................................................................. 11 1.4.3 器件本身的静电 ................................................................................................. 11 1.4.4 其它静电来源 ..................................................................................................... 11 1.5 静电放电的三种模式 .................................................................................................... 12

1.5.1 带电人体的放电模式(HBM) ............................................................................. 12 1.5.2 带电机器的放电模式（MM） .......................................................................... 13 1.5.3 充电器件的放电模型 ......................................................................................... 13 1.6 静电放电失效 ................................................................................................................ 15

1.6.1 失效模式 ............................................................................................................. 15 1.6.2 失效机理 ............................................................................................................. 15

第2章 制造过程的防静电损伤技术 ................... 错误！未定义书签。

2.1 静电防护的作用和意义 ................................................................ 错误！未定义书签。 2.1.1 多数电子元器件是静电敏感器件 ..................................... 错误！未定义书签。 2.1.2 静电对电子行业造成的损失很大 ..................................... 错误！未定义书签。 2.1.3 国内外企业的状况 ............................................................. 错误！未定义书签。 2.2 静电对电子产品的损害 ................................................................ 错误！未定义书签。

2.2.1 静电损害的形式 ................................................................. 错误！未定义书签。 2.2.2 静电损害的特点 ................................................................. 错误！未定义书签。 2.2.3 可能产生静电损害的制造过程 ......................................... 错误！未定义书签。 2.3 静电防护的目的和总的原则 .......................................................... 错误！未定义书签。 2.3.1 目的和原则 ................................................................................. 错误！未定义书签。

2.3.2 基本思路和技术途径 ........................................................... 错误！未定义书签。 2.4 静电防护材料 ................................................................................ 错误！未定义书签。

2.4.1 与静电防护材料有关的基本概念 ..................................... 错误！未定义书签。 2.4.2 静电防护材料的主要参数 ................................................. 错误！未定义书签。 2.5 静电防护器材 ................................................................................ 错误！未定义书签。

2.5.1 防静电材料的制品 ............................................................. 错误！未定义书签。 2.5.2 静电消除器（消电器、电中和器或离子平衡器） ........... 错误！未定义书签。 2.6 静电防护的具体措施 .................................................................... 错误！未定义书签。

电子元器件抗ESD技术讲义 第2页

2.6.1 建立静电安全工作区 ......................................................... 错误！未定义书签。 2.6.2 包装、运送和存储工程的防静电措施 ............................. 错误！未定义书签。 2.6.3 静电检测 ............................................................................. 错误！未定义书签。 2.6.4 静电防护的管理工作 ......................................................... 错误！未定义书签。

第3章 抗静电检测及分析技术 ......................... 错误！未定义书签。

3.1 抗静电检测的作用和意义 ............................................................ 错误！未定义书签。 3.2 静电放电的标准波形 .................................................................... 错误！未定义书签。 3.3 抗ESD检测标准 .......................................................................... 错误！未定义书签。

3.3.1 电子元器件静电放电灵敏度（ESDS）检测及分类的常用标准错误！未定义书签。

3.3.2 标准试验方法的主要内容（以MIL-STD-883E 方法3015.7为例）错误！未定义书签。

3.4 实际ESD检测的结果统计及分析 .............................................. 错误！未定义书签。

3.4.1 试验条件 ............................................................................. 错误！未定义书签。 3.4.2 ESD评价试验结果分析 .................................................. 错误！未定义书签。 3.5 关于ESD检测中经常遇到的一些问题 ...................................... 错误！未定义书签。 3.6 ESD损伤的失效定位分析技术 ................................................... 错误！未定义书签。

3.6.1 端口I－V特性检测 ........................................................... 错误！未定义书签。 3.6.2 光学显微观察 ..................................................................... 错误！未定义书签。 3.6.3 扫描电镜分析 ....................................................................... 错误！未定义书签。 3.6.4 液晶分析 ............................................................................. 错误！未定义书签。 3.6.5 光辐射显微分析技术 ......................................................... 错误！未定义书签。 3.6.6 分层剥离技术 ..................................................................... 错误！未定义书签。 3.6.7 小结 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 3.7 ESD和EOS的判别方法讨论 ...................................................... 错误！未定义书签。

3.7.1 概念 ..................................................................................... 错误！未定义书签。 3.7.2 ESD和EOS对器件损伤的分析判别方法 ....................... 错误！未定义书签。

第4 章 电子元器件抗ESD设计技术 ............... 错误！未定义书签。

4.1 元器件抗ESD设计基础 .............................................................. 错误！未定义书签。

4.1.1抗ESD过电流热失效设计基础 .......................................... 错误！未定义书签。 4.1.2抗场感应ESD失效设计基础 .............................................. 错误！未定义书签。 4.2元器件基本抗ESD保护电路 ......................................................... 错误！未定义书签。

4.2.1基本抗静电保护电路 ............................................................ 错误！未定义书签。 4.2.2对抗静电保护电路的基本要求 ............................................ 错误！未定义书签。 4.2.3 混合电路抗静电保护电路的考虑 ....................................... 错误！未定义书签。 4.2.4防静电保护元器件 ................................................................ 错误！未定义书签。 4.3 CMOS电路ESD失效模式和机理 .............................................. 错误！未定义书签。 4.4 CMOS电路ESD可靠性设计策略 .............................................. 错误！未定义书签。

4.4.1 设计保护电路转移ESD大电流。 ..................................... 错误！未定义书签。 4.4.2 使输入/输出晶体管自身的ESD阈值达到最大。 ............ 错误！未定义书签。 4.5 CMOS电路基本ESD保护电路的设计 ...................................... 错误！未定义书签。

4.5.1 基本ESD保护电路单元 ..................................................... 错误！未定义书签。

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4.5.2 CMOS电路基本ESD保护电路 .......................................... 错误！未定义书签。 4.5.3 ESD设计的辅助工具－TLP测试 .................................... 错误！未定义书签。 4.5.4 CMOS电路ESD保护设计方法 ......................................... 错误！未定义书签。 4.5.5 CMOS电路ESD保护电路示例 ......................................... 错误！未定义书签。 4.6 工艺控制和管理 ............................................................................ 错误！未定义书签。

参考文献： .............................................................. 错误！未定义书签。

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引 言

随着电子元器件技术的发展，静电对元器件应用造成的危害越来越明显。

一方面，电子元器件不断向轻、薄、短、小、高密度、多功能等方向发展，因而元器件的尺寸越来越小，尤其是微电子器件，COMS IC中亚微米栅已进入实用化，栅条宽度达到0.18um，栅氧厚度为几个nm或几十个?，栅氧的击穿电压小于20V。尺寸的减小，就使电子元器件对静电变得更加敏感。而大量新发展起来的特种器件如GaAs 单片集成电路（MMIC）、新型的纳米器件以及高频声表面波器件（SAW）等多数也都是静电敏感元器件；另一方面，在电子元器件制造和应用环境中，作为静电主要来源的各种高分子材料被广泛采用，使得静电的产生更加容易和广泛。因此，必须应用各种抗静电放电损伤的技术，使静电对电子元器件的危害减小到最低的程度。

编写本讲义的主要目的是对电子元器件制造和应用行业的有关技术和管理人员进行“电子元器件抗静电放电损伤技术”的基础培训。

本讲义主要分为4个章节的内容。第1 章“电子元器件抗ESD损伤的基础知识”，介绍有关静电和静电放电的基本原理，以及对元器件损伤的主要机理和模式；第2章“制造过程的防静电损伤技术”，重点介绍在电子元器件制造和装配过程中，对环境和人员的静电防护要求，以保证电子元器件在制造和装配过程中的静电安全；第3章“抗静电检测及分析技术”，主要介绍对电子元器件的抗ESD水平进行检测的技术。包括国内外抗ESD检测的主要标准，检测的模型和方法以及实际的一些检测结果和遇到的问题；并介绍了对ESD损伤的元器件进行失效分析的技术，包括一些常用和有效的分析技术及其适用的条件和技巧。还讨论了ESD损伤和过电（EOS）损伤的几种判别方法和技术。第4章“电子元器件抗ESD设计技术”，介绍电子元器件抗ESD损伤的设计技术，主要包括抗ESD设计的主要原则、基本保护电路和最先进的大规模CMOS电路中保护电路的设计技术。

本讲义的内容既有通用的基本理论和知识，也收集了国内外的相关资料和数据，还有我们自己在工作中遇到和解决的实际案例、数据和图片等。讲义的内容既有理论性，更注重实用性，希望能为从事电子元器件制造和应用行业的有关技术和管理人员提供较为具体的技术指导和帮助。