一.ESD引起集成電路損傷的三種途徑(1)人體活動引起的摩擦起電是重要的靜電來源,帶靜電的操作者與器件接觸并通過器件放電。(2)器件與用絕緣材料制作的包裝袋、傳遞盒和傳送帶等摩擦,使器件本身帶靜電,它與人體或地接觸時發生的靜電放電。(3)當器件處在很強的靜電場中時,因靜電感應在器件內部的芯片上將感應出很高的電位差,從而引起芯片內部薄氧化層的擊穿?;蛘吣骋还苣_與地相碰也會發生靜電放電。根據上述三種ESD的損傷途徑,建立了三種ESD損傷模型:人體帶電模型、器件帶電模型和場感應模型。其中人體模型是主要的。
二.ESD損傷的失效模式(1)雙極型數字電路a.輸入端漏電流增加b.參數退化c.失去功能,其中對帶有肖特基管的STTL和LSTTL電路更為敏感。(2)雙極型線性電路a.輸入失調電壓增大b.輸入失調電流增大c.MOS電容(補償電容)漏電或短路d.失去功能(3)MOS集成電路a.輸入端漏電流增大b.輸出端漏電流增大c.靜態功耗電流增大d.失去功能(4)雙極型單穩電路和振蕩器電路a.單穩電路的單穩時間發生變化b.振蕩器的振蕩頻率發生變化c.R.C連接端對地出現反向漏電。
三.ESD對集成電路的損壞形式a.MOS電路輸入端保護電路的二極管出現反向漏電流增大b.輸入端MOS管發生柵穿c.MOS電路輸入保護電路中的保護電阻或接觸孔發生燒毀d.引起ROM電路或PAL電路中的熔斷絲熔斷e.集成電路內部的MOS電容器發生柵穿f.運算放大器輸入端(對管)小電流放大系數減小g.集成電路內部的精密電阻的阻值發生漂移h.與外接端子相連的鋁條被熔斷i.引起多層布線間的介質擊穿(例如:輸入端鋁條與n+、間的介質擊穿)四.ESD損傷機理(1)電壓型損傷a.柵氧化層擊穿(MOS電路輸入端、MOS電容)b.氣體電弧放電引起的損壞(芯片上鍵合根部、金屬化條的最窄間距處、聲表面波器件的梳狀電極條間)c.輸入端多晶硅電阻與鋁金屬化條間的介質擊穿d.輸入/輸出端n+擴區與鋁金屬化條間的介質擊穿。(2)電流型損傷a.PN結短路(MOS電路輸入端保護二極管、線性電路輸入端保護網絡)b.鋁條和多晶硅條在大電流作用下的損傷(主要在多晶硅條拐彎處和多晶硅條與鋁的接觸孔)c.多晶硅電阻和硅上薄膜電阻的阻值漂移(主要是高精度運放和A/D、D/A電路)五.ESD損傷實例最容易受到靜電放電損傷的集成電路有:CCD、EPROM、微波集成電路、高精度運算放大器、帶有MOS電容的放大器、H
C、HCT、LSI、VLSI、精密穩壓電路、A/D和D/A電路、普通MOS和CMOS、STTL、LSTTL等。
?。?)國外實例a.Motorola公司生產的MOS大規模集成電路─微處理器(CPU),在進行老練試驗的11個星期中仔細進行了觀察和記錄。發現在試驗開始階段因為沒有采用導電盒放置樣品,拒收數與被試驗元件總數相對比例約為40×10-n(n值為保密數字)。但從第四個星期開始,樣品采用鍍鎳盒放置后,則降低15×10-n。此試驗相繼跟蹤了7個多星期,平均的拒收比例為18×10-n。說明MOS大規模電路在使用過程中必須采取嚴格的防ESD措施。
b.某公司共進行了18700只MOS電路的老練,發現失效率很高,經分析和研究認為大部分失效是由ESD引起。于是該公司為此問題專門寫了一份有改正措施的報告,并對全體有關人員進行了防靜電放電損傷的技術培訓,器件采用防ESD包裝,加強了各項防ESD損傷的措施,后來又老練了18400只同種器件,拒收率降低到原來的1/3。
c.某一批“64位隨機存貯器”,從封裝到成品測試,其成品損失率為2%,該存貯器為肖特基-雙極型大規模電路,經調查,操作過程中曾使用過塑料盒傳遞器件,由于靜電放電損傷了輸入端的肖特基二極管,使二極管反向特性變軟或短路。
d.一批“雙極模擬開關”集成電路,在裝上印制電路板,經保形涂覆后,少數樣品出現輸入特性惡化。解剖分析后,發現輸入端(基極)的鋁金屬化跨過n+保護環擴散層處發生短路或漏電,去除鋁后,可發現n+環上的氧化層有很小的擊穿孔。由于n+擴區上的氧化層較薄,并且光刻腐蝕的速度較快,因而容易發生ESD擊穿,版圖設計時,如果必須采用n+擴散層作埋層穿接線,其位置應慎重選擇,避免輸入端鋁金屬化跨過n+擴區,對于輸入端鋁條跨過n+擴區的雙極電路,使用時應采取必要的防靜電措施。
e.測試和傳遞中出現肖特基TTL電路(54S181、54S420)電性能異常,輸入漏電增大。經解剖分析,在金相顯微鏡下觀察芯片表面未發現任何電損傷痕跡,但在去除鋁和SiO2后,在輸入端的發射極接觸孔內卻發現了較輕的小坑,再用CP4溶液進行腐蝕后小坑變得更加明顯。用“靜電模擬器”進行模擬試驗,出現的失效現象與它十分類似。可見這種失效是由ESD損傷引起,也可能是其它的輕度電損傷引起。
f.某儀表系統輸入端使用的2N5179超高頻晶體管多次發生失效,失效模式為放大系數降低,特別是在小電流下(例如Ic=100μA)的放大系數下降到大約為1左右,同時eb結出現較大反向漏電。解剖后,在金相顯微鏡下觀察芯片表面,在eb極之間的鋁條上有一個很小的變色區,它是由瞬間的電過應力(電浪涌)引起的過合金區,這種失效一般由靜電放電引起,對于輸入端為超高頻小功率管基極的電子系統,輸入端應設計輸入保護網絡,如果系統特性不允許增加保護網絡,則必須采取防靜電放電操作措施。
g.帶有MOS電容器作為內補償的運算放大器,在使用中常有失效,失效現象是輸出電壓在稍低于正電源電壓下發生閉鎖。經解剖分析證實,失效由MOS電容器出現大漏電引起,漏電電阻約為400Ω。因為作補償的MOS電容器的一端直接與電路的外引線相連(V+端)。利用掃描電鏡(SEM)觀察,發現MOS電容邊緣明顯有很小的擊穿點,此特征表明失效由ESD損傷引起。
h.在一次系統裝配完畢后的檢查中,發現6只101A型雙極運算放大器失效,失效模式是輸入失調電壓增大到40mV。用特性曲線圖示儀測試管腳-管腳間特性,出現輸入端特性異常。解剖后,利用金相顯微鏡觀察芯片上的輸入端,發現有飛弧狀的電損傷痕跡,它是電瞬變引起的電過應力損傷,這種電瞬變可能是由ESD引起。經調查,在印制板的電裝工藝線上,用靜電電壓表檢測印制板上的靜電電壓,在開路區域上電壓達800V以上,特別是在空氣干燥的冬季或進行高溫烘烤時,印制板上的靜電電壓更高。
?。?)國內實例a.某廠生產的CMOS電路經篩選入庫后,在抽查中每次都發現有較大數量失效(約占5%),失效模式為輸入漏電增大,經調查與分析,發現失效是由ESD損傷引起的。因為該廠生產的CMOS電路在測試前后都放置于普通塑料盆內,塑料上的靜電荷傳遞給CMOS電路,在測試過程中,當器件接觸人體或桌面上的接地金屬時就會立即引起放電,導致ESD損傷而失效。
后來采取了一系列防ESD措施,并將普通塑料盒改用導電塑料盒,這一失效現象就立即消失了。b.在電子設備的調試過程中,發現雙極集成電路中的單穩電路和振蕩電路常出現失效,失效現象是單穩電路已調整好了的單穩時間常發生漂移;振蕩器已調好的振蕩頻率也常發生漂移。經解剖分析,發現失效是由ESD損傷或電瞬變損傷引起。解剖后,用金相和掃描電鏡檢查芯片表面,在外接R.C的一端,管子eb結有很輕度的電損傷痕跡(有的樣品還無明顯損傷痕跡)。測試該端eb結反向特性已變壞,有較大反向漏電。由于它們是雙極型集成電路,所以在調試過程中并未采取防ESD損傷措施。但這兩種電路有一個共同特點,就是外接R、C的端子是晶體管的基極,并且該管的發射極又是直接接地的,無任何限流電阻。在機器調試時,要反復更換電容或電阻,將單穩寬度和振蕩頻率調整到滿足機器所需值。調機時機器是接地的,當更換R、C元件時,烙鐵和人體都要接觸該集成電路外接R、C的端子,如果人體帶靜電就會通過電路對地放電,并且放電回路只有一個發射極二極管,因此它們對ESD比較敏感。此外,如果烙鐵的接地不良或不當。例如,烙鐵接的是交流地與機器不是同一地,兩個地線之間的電位差引起的放電也會損壞電路。所以,雙極電路中的單穩和振蕩器也應采取防ESD損傷措施,并且要特別注意烙鐵的接地狀況。c.航天產品上應用的一種進口的“隔離放大器”,在測試和機器調試中常有失效,由于這種放大器是雙極型二次集成電路,說明書上只有功能方塊圖,無具體線路圖,所以使用者未采取任何防靜電的措施。失效模式為輸出端對地呈現低電阻或短路,經解剖分析,發現每只電路內部都有3只MOS電容器,其中有一只就是直接跨接在解調器的輸出與地之間。因此,該輸出端很怕靜電放電。由于使用者并不了解這一特殊情況,所以未采取防靜電措施,結果ESD損傷失效常有發生,經濟損失很大。后來采取防靜電措施后,輸出對地短路的失效現象就消?d.某航天電子產品用肖特基TTL電路54LS10,在部件進行老練和測試后失效,失效模式為輸入端漏電流增大。經分析表明,失效由ESD或電浪涌損傷引起。解剖分析后發現芯片表面無任何電損傷痕跡,也無任何工藝缺陷,經過各項試驗證實,輸入漏電不是氧化層內的鈉離子沾污,也不是芯片表面的潮氣和可動電荷沾污所引起。經現場調查,失效的輸入端恰好是該部件的輸入端子,在測試和老練過程中該端子常與人體或設備的機殼相碰,且操作現場并未采取防ESD措施,所以判斷失效由ESD
損傷引起。此外,輸入端碰上有漏電的機殼也會引起類似失效。e.某星上用進口的軍用CCD(電荷耦合器件),在使用過程中不知不覺就失效,這不僅造成了重大經濟損失,而且嚴重地影響了工作進行。經調查與分析,判斷失效由ESD損傷引起。因為該CCD是超大規模集成電路,又屬于MOS型器件,它對ESD特別敏感。根據靜電敏感度,完全屬于靜電放電最敏感的器件之一,只要100伏的靜電壓,就可能損壞(與MOS單管相差不多,甚至還要敏感)。經現場調查,工作間地板電阻率為1013~1014Ω/cm,它已不屬于防靜電地板(防靜電地板應為106~108),工作人員采取了防ESD措施,仍然有靜電荷積累。全面地采取了防靜電措施,這一失效就得到了有效的控制。f.雙極運算放大器LF253在入廠檢收和二次篩選中均發現失效,失效比例大約5%。經解剖分析發現,補償端的鋁條上有一小區域內有“變色”現象,這種變色點是由瞬變電過應力引起的局部高溫造成,它可能是ESD損傷引起的,因為LF253是雙極型電路,使用者并未采取必要的防ESD損傷措施,所以ESD操作的可能性很大。利用“靜電模擬器”進行模擬試驗,發現補償端與正電源之間的損傷電壓僅有6KV而其他端可達5.0KV,可見,運算放大器也要采取必要的防靜電措施。
g.彩電高頻頭內的MOS場效應管常有失效發生。經過解剖分析,發現芯片表面有很小的“絲狀”擊穿通路。這種失效是由ESD引起的,因為彩電熒光屏上有40~50KV的靜電電壓,如果不慎將這樣高的靜電壓通過天線引入高頻頭,就很容易引起MOS管失效。h.某廠生產的高頻晶體管3DG142在入廠檢驗和二次篩選中常有失效發生,失效模式是eb結漏電或短路。經解剖分析,發現eb結有輕微的燒毀痕跡。由于這種管子是雙極器件,使用者未采取防靜電措施。但這種高頻晶體管是淺結器件,易受靜電放電損傷。例如,當測試人員剛走進工作室在測試臺前坐下來時,人體上的靜電壓可能是比較高的,此時去拿晶體管進行測試就很可能引起ESD損傷。由于eb結的面積很小,并且是淺結,所以損傷部位一般都是eb結(bc結不會損傷)。可見,對于高頻,特別是超高頻的小功率管,在使用過程中也應適當采取防靜電損傷措施。
評論
查看更多