元器件應用中的靜電防護
西安微電子技術研究所? 曹宏斌?? （西安710054）
中圖分類號：TN409文獻標識碼：A文章編號：1563－4795(2000)11－35－03
1概述
一般人認為，敏感器件在工業應用中，只要在防靜電區內穿戴一套（工作服、防靜電鞋、帽）防靜電工作衣，在防靜電區內鋪設防靜電桌、地墊，工作時戴防靜電腕帶就起到了防靜電作用。但實際情況并不是那么簡單，防靜電技術是一門系統工程，任何一個環節的疏忽，就會引起敏感器件的損傷。本文通過幾個事例來說明防靜電技術在工業應用中常出現的幾個誤區。
2誤區之一
敏感器件的隨意包裝引起的靜電損傷
器件包裝形式多種多樣,有黑色的永久性的防靜電包裝管，有噴涂一層抗靜電劑的白色透明防靜電塑料管。前一種防靜電包裝管價格昂貴，可以反復使用。而后一種防靜電包裝管價格便宜，為一次性使用品。后一種防靜電包裝管使用前未經測量不得使用，否則會引起包裝管內的器件失效。
白色透明防靜電塑料管是用聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯為材料制成的，在塑料管上浸泡或噴涂一層HZ－1抗靜電液劑，涼干后成為防靜電包裝管。它的防靜電能力取決于抗靜電劑的涂層厚度及管子的保存環境。一般防靜電包裝管表面電阻為106Ω～109Ω。使用壽命一般為三個月至一年。隨著保存時間的延長，包裝管表面電阻會逐漸增大，成為絕緣材料，即表面電阻大于1012Ω。
大部分進口電路均采用白色透明防靜電包裝管包裝器件。雖然包裝管標有防靜電標識，但隨著出廠日期的延長，白色透明防靜電包裝管逐漸退化為絕緣材料。使用者并不知道包裝管的退化情況，有時繼續反復使用。實際上防靜電包裝管已失去防靜電作用。這樣，包裝管內的器件很容易受到靜電損傷。包裝管的防靜電標識只是起到操作中的警示作用。
如某研究所從國外買回一批CMOS電路，要求在上機前必須經過二次篩選、老煉以及粗、細檢漏。在上述試驗過程中出現了13%的電路失效，懷疑上述過程防靜電措施有紕漏。他們花了大量的人力、物力經過詳細檢查、取證，未發現防靜電措施有不完善之處。
最后不得不懷疑白色透明防靜電包裝管，截取一段防靜電包裝管進行表面電阻測試，發現防靜電包裝管表面電阻已退化為1012Ω，即為絕緣材料。初步認為：
（1）性能退化的防靜電包裝管損壞了該批CMOS電路。
（2）該批電路的防靜電能力不高。
為了證實以上結論，組織專業部門進行了模擬試驗。
（1）把剛測試合格的幾塊CMOS電路裝入已失效的防靜電包裝管中，并使CMOS電路在包裝管中來回晃動幾下，再取出包裝管中的電路進行測試，出現了失效的電路。經過反復試驗，出現重復性；
（2）拿幾塊合格的CMOS電路進行抗靜電能力測試。測試結果為一級（0～1999）V。實測試結果，該批CMOS電路的抗靜電能力為（600～1100）V。
　　分析：
1）絕緣材料的防靜電原理與導體或半導體材料的防靜電原理有所不同。
2）導體或半導體材料上的靜電積累電荷，靠防靜電桌、地墊向地緩慢泄放(防靜電地線串有1MΩ的電阻)。
3）絕緣材料上的靜電積累電荷不能靠防靜電桌、地墊向地緩慢泄放,因為絕緣材料上的積累電荷不能移動,只能靠靜電中和法或噴涂法中和絕緣材料上的積累電荷。
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圖1高速數據保護
　　因此,把防靜電能力已退化的絕緣材料作為包裝管,將使器件容易受到靜電損傷。
結論：
　　1）白色透明防靜電包裝管為一次性的包裝管。最好不要反復使用。使用時間較長的白色透明防靜電包裝管容易退化為絕緣材料。
　　2）白色透明防靜電包裝管在使用壽命期內，一般在使用前要經過表面電阻測試。
　　3）裝入防靜電包裝管內的器件不能晃動，在傳遞、運輸中嚴禁管內器件摩擦生電。
　　4）白色透明防靜電包裝管的防靜電標識只能作為操作中的防靜電警示語，不能保證包裝管出廠后的防靜電能力退化情況。
　　5）建議采用黑色永久性的防靜電包裝管或盒子包裝敏感器件。
3誤區之二
　　芯片盒的隨意使用引起芯片表面鏡檢合格率下降
　　軍用集成電路的芯片一般都要進行嚴格的芯片表面鏡檢，以剔除芯片表面缺陷和顆粒塵埃。芯片包裝盒應該使用永久性的防靜電包裝盒，包裝盒內有錫箔薄膜復蓋，作為芯片靜電屏蔽。實驗證明，采用有機玻璃盒或透明塑料盒易產生靜電電場，特別是當盒子被打開的一瞬間，盒、蓋的靜電電場的重新分布，可以看到微小的芯片會在盒內豎立起來，并使靜電電場吸收空氣中的顆粒塵埃，使合格的芯片受到二次顆粒塵埃污染。即使剛剛鏡檢通過的合格芯片可能出現不合格，使芯片表面鏡檢合格率下降。
　　因此，有機玻璃盒或透明塑料芯片盒應該禁用。噴涂一層抗靜電劑的塑料芯片盒，雖然具有防靜電功能，但噴涂抗靜電劑的防靜電盒隨保存時間的延長，環境溫度、濕度的變化，較長期的使用，壽命很難保證，不能保證不出問題。
4誤區之三
抗靜電能力低的器件如何使用
對于器件的用戶來講，抗靜電能力高的器件總比抗靜電能力低的器件受歡迎。但隨著超大規模集成電路的發展，采用了按比例縮小的設計，以實現體積小、重量輕、功耗小、集成度高，解決器件的高性能、高可靠、低投入、高產出、快周轉等方面的優勢。在制造工藝中普遍采用了淺結、薄氧化層等一系列的微細加工技術，器件的抗靜電能力越來越差。
　　器件的抗靜電能力又因器件的設計、制造工藝而有所不同。比如，CMOS，與PMOS、NMOS器件比較，雖然抗靜電能力在同一數量級，但CMOS器件比PMOS、NMOS器件的抗靜電能力略高幾百伏。
　　用戶提出抗靜電能力高的器件要求，在某種程度上來說，不太現實。第一，抗靜電能力高的器件在設計、制造工藝中比較復雜，成本較高。第二，抗靜電能力高的器件價格昂貴，整機成本上升。
　　鑒于以上情況，建議設計整機時，在抗靜電能力低的敏感器件中的輸入/輸出端加一個防雷擊、防過壓、防靜電、抗干擾的一種瞬態電壓抑制電路（TVS），可有效地提高整機的抗靜電能力。瞬態電壓抑制電路在通訊、計算機、I/O端口、信號的輸入/輸出保護等其它高科技領域已獲得廣泛的應用。
　　瞬態電壓抑制電路（TVS）是一種高效能的保護器件。當瞬態電壓保護二極管受到反向瞬態高能量沖擊時，它以1×10－12s量級的速度，將其兩極間的高阻抗變成低阻抗。吸收高達數千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個預定值，有效地保護了電子線路的敏感元件，免受各種浪涌脈沖的損傷。該器件具有響應時間快、瞬態功率大、漏電流低、箝位電壓易控制、沒有損傷極限、體積小等優點，在各個領域已得到廣泛的應用。
下面為瞬態電壓保護二極管在敏感器件上的應用事例。
5誤區之四
　　敏感器件的接口方式
　　在整機電子線路設計中，敏感器件作為整機界面輸入/輸出端使用時，連接器的接口形式相當重要，用圓形或線簧連接器針座會引起敏感器件靜電損傷。圓形或線簧連接器針座的引出端易受觸摸而帶靜電，當靜電積累達到敏感器件某一閾值時，器件就會受靜電損傷。連接器的接口使用圓形或線簧連接器孔座（未有引線暴露在外面）就可以避免上述情況發生。
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圖2典型微處理機保護
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圖3感應轉換或負載保護
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圖4運算放大器保護
6誤區之五
穿防靜電工作衣必需與地保持同電位
在IC芯片生產中，一定要穿連體防靜電工作衣，它的目的有二條：
　　（1）避免塵埃移動，影響產品質量；
　　（2）不易產生靜電積累，有效保護器件不受傷損。
　　眾所周知，人體帶電與身穿衣料、走路快慢、身體肥胖有關。當兩人攜帶不同電位的電荷，相距某一距離時，異性（正、負）電荷就會吸引，同性電荷就會排除，如下所示。?? 　　這種吸引、排除力F與距離r2成反比，與Q1、Q2電荷量成正比。如下式所示： 這種異、同性電荷受吸引、排除力時會攜帶塵埃顆粒移動，以達到電平衡。在IC芯片制造中，穿連體防靜電工作衣第一是屏蔽自身衣料攜帶的電荷不能向外傳遞。第二是連體防靜電工作衣通過地墊把靜電泄放，使人體與地同電位。同電位的電荷就不會傳遞、移動。不僅保證了凈化廠房干凈，而且保證了產品質量不受二次微小塵埃顆粒污染。
　　比如，在IC制造業中，當剛剛清洗完一批硅片（假如硅片上的自然氧化層為零），硅片表面形成了許多懸掛鍵，這種懸掛鍵失去了電平衡，它千方百計地吸收外界電荷塵埃顆粒，以達到電平衡。大面積拋光硅片很難清洗的原因是：
　　1）拋光硅片在清洗時隨時隨地會吸收化學試劑中的微小顆粒；
2）暴露在空氣中的拋光硅片，由于懸掛鍵作用，會吸收空氣中的微小塵埃顆粒。
　　如果每個人都穿連體防靜電工作衣，并與大地保持同電位，沒有電位差存在，空氣中就沒有塵埃顆粒移動。拋光的硅片至少不會受空氣中的塵埃污染，確保了產品質量。
　　在整機裝配、裝連、調試中，工作人員常常穿防靜電白大褂，與大地不可能保持同電位，存在著電位差，空氣中就有可能出現塵埃顆粒移動。在整機方面這不是主要矛盾，主要矛盾是在整機裝配、裝連、調試中對敏感器件進行靜電保護。因此，在整機裝配、裝連、調試中，必需配帶防靜電腕帶，使靜電積累通過腕帶泄放于大地，不至于因靜電損壞敏感器件。