静电保护的重要性.pdf

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1、深入探討靜電保護的重要性作者：星曜半導體(VALORSTARSEMICONDUCTOR)行銷副總林居敬今日終端產品廠商均面臨到增加產品特性、減少產品尺寸的趨勢；當產品具備更多功能時，相對I/Oport隨之增多，導致靜電更易干擾系統或是損壞IC。此外，隨著市場上消費性電子和可攜式產品體積越做越小，對於主板面積的要求亦日趨小型化及高密度。半導體元件的發展也隨之變化，以小型化、高密度、功能複雜為其藍圖。CMOSIC製程為增加其速度、整合度、及單位成本，元件尺寸越做越小。雖經濟效益提高但也伴隨著信賴度的問題。由於利用先進製程技術製造的IC電路內氧化

2、層比較薄，閘極(Gate)氧化層更易受到損害。在深次微米互補式金氧半導體(CMOS)製程，因為閘極氧化層的低崩潰電壓，且閘極氧化層的崩潰電壓和PNJunction的崩潰電壓的差值愈來愈小，使得靜電保護電路的驅動電壓範圍也隨之愈來愈小，且因為元件尺寸變的更小，對於靜電護能力下降，大大增加失效的機率。這也是為什麼近來年靜電問題越來越受到重視；ESD保護對高密度、小型化和複雜功能的電子設備來說具有重要意義。何謂ESD？其種類為何？ESD是ElectrostaticDischarge的縮寫，即靜電放電；ESD對電子產品的傷害一直是不易解決的問題。一

3、般受到ESD作用時會出現不穩定的狀況，輕微只需重開機即可；嚴重可能導致電子產品內的電子元件毀損。而且靜電無所不在，多是人為造成，例如：電子元件製造、組裝、搬運、儲存(請參考表一)。表一描述在幾個生產製造環境下，不同的個體及動作大致會產生多少靜電；在乾燥的環境下加上空氣的流動造成分子互相摩擦，也會導致靜電作用更加顯著。表一各環境靜電值依放電模式的不同，ESD又通常可以分為三種模式(請參考表二)：人體放電模式(HumanBodyMode，HBM)、機器放電模式(MachineMode，MM)、元件充電模式(ChargedDeviceMode，C

4、DM)。表二靜電模式上述三種模式的靜電放電對於半導體製程以及電子產品組裝均極重要，其中尤以人體放電模式所產生的電壓對電子元件的傷害最嚴重。因此業界對電子產品防護靜電的規格要求日益嚴謹，即便半導體電子元件出廠時已通過零件等級(ChipLevel)靜電測試規格，組裝到成品後仍會再用系統等級(SystemLevel)的規格持續檢測。ESD測試規格在半導體業界過去幾乎皆以美軍標準MIL-STD883的Method3015(ANSI/ESDSTM5.1)規定的人體靜電放電模式來作為檢驗規範。近年來IEC(InternationalElectro-te

5、chnicalCommission)所制定的EMCBasicStandards中包含一項靜電測試規範IEC-61000-4-2，對於系統產品的耐靜電程度及測試方式皆有詳盡的描述，也受到各界的認可而成為成品系統端靜電測試的依據。以上兩種標準主要差異在儲能的電容值及放電電阻值的不同(參考表三)，因此其放電能量與靜電電流峰值也會有很大的差異。表三MIL-STD883與IEC-61000-4-2主要差異對於晶片等級的靜電規格大致如表四：標準等級僅屬於能接受範圍，絕大部分的客戶皆是以SUPER等級做為評鑑各家靜電保護元件的門檻。表四晶片等級的靜電規格

6、IEC61000-4-2將ESD放電電壓細分為4個等級，分別是透過330Ω電阻釋放2kV、4kV、6kV和8kV電壓。如今的電子系統大都要求至少可抵抗3級或4級ESD電壓。以第4級為例，最大ESD電流可達30A，是晶片級ESD電流的20多倍。如果依上述的晶片上ESD保護標準計算，很明顯，下一代積體電路上哪怕只出現一次放電，都會面臨災難性損壞的風險。與其他過壓現象相較，靜電放電是一種非常快的瞬態脈衝；IEC61000-4-2將其上升時間定為700ps到1ns，脈衝持續時間為60ns。這也解釋了為何普通ESD現象在進行板卡級抗ESD設計時會成為

7、難題。更重要的是，採用的ESD元件就算符合IEC61000-4-2標準，也並不能保證系統一定可以通過ESD測試。表五系統等級靜電規格另外針對系統受到ESD影響的狀況，IEC61000-4-2將受影響的程度分為4個等級。依IEC61000-4-2建議,產品採購驗證必須符合A級或B級的判定才可以接受，C級和D級判定是屬於不能接受的範圍。表六受ESD影響的程度判斷等級ESD保護元件的種類一般在評估ESD保護元件，會根據下表所列的標準來考量：表七評估ESD保護元件標準由於IC內部ESD保護電路能力有限，為保證整個系統有較好的ESD防護能力，外部ES

8、D保護元件是不可少的。比業界常用來作為靜電保護的元件，包括：陶瓷電容、壓敏電阻(Varistor，VSR)、齊納(Zener)二極體、多層變阻器(MLV)、瞬態電壓抑制器(TVS