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1、第23卷第4期集成电路通讯Vo.l23No.42005年12月JICHENGDIANLUTONGXUNDec.2005微电子器件抗静电损伤冯业胜(中国兵器工业第214研究所蚌埠233042)摘要主要介绍了静电放电导致微电子器件损伤的机理、失效模式以及微电子器件抗静电损伤设计的基本原理、基本抗静电电路形式、常用的静电保护元件等。关键词微电子器件静电放电(ESD)失效模式静电保护的物质向低化学势的物质转移,由于电荷在绝缘1引言物质表面不易移动,所以在两种绝缘物质相互摩随着电子元器件的尺寸越来越小,其抗静电擦后分离时高化学势的物质上带正的静电,低化能力相对
2、变差,由静电导致的元器件失效在所有学势的物质上带负的静电。显然两种物质化学势失效中的地位更重要。国外有报道认为,不合格差的越大,摩擦的次数越多,绝缘性能越好摩擦分的电子器件中有45%是由于静电放电而引起的。离后带的静电量越大。我们所说的ESD大多是最近国内对电子元器件的抗静电问题越来越重这种静电引起的。视,对军用电子元器件的抗静电性能已提出了明二是通过静电感应在导体上产生静电。当导确的要求。因此,电子元器件的抗静电损伤技术体接近带电体时在靠近带电体的一端感应出与带愈来愈受到关注。电体相反极性的电荷,另一端则有与带电体相同极性的电荷,若该端接地,再与地
3、开路,则导体上2抗静电放电损伤技术基础会有与带电体相反极性的静电。静电是物体表面静止不动的电荷。当带静电2.2静电电压的物体与大地之间存在导电通路时,这些电荷会静电电压通常是指带电体与大地之间的电位通过导电通路释放,通路的高电阻处发生结构性差。将大地作为零电位,静电体的静电电压有正损伤。这就是所谓的静电放电(ElectroStaticDis-有负,通常说静电电压几千伏或几万伏是指其绝charge简称ESD)损伤,习惯上又称静电损伤。对值。2.1静电的产生通常把静电体与大地看成一个电容器。则电通常物体是不带电的,因为它们所带的正负容量C、电荷量Q和静电
4、电压V之间有如下关电荷一样多,所以不显电性。但在以下两种情况系:V=Q/C(1)下物体表面会产生静电。等效成平板电容器,其电容量C可表示为:一是当两种绝缘物质相互摩擦时会使它们的C=AE/d(2)表面产生静电。原因是不同物质有不同的化学则有V=Qd/AE(3)势,高化学势的物质对电子的吸附能力弱,低化学A为电容器面积、E为两板之间物质的介电势的物质对电子的吸附能力强。具有不同化学势常数、d为两板之间的距离。的两种绝缘物质相互摩擦时,电子会从高化学势式中给出了决定静电电压的因素。以人体带20集成电路通讯第23卷第4期静电为例,其静电电压与所带的电荷量和
5、人脚与于介质电离放电回路电阻较小,随着电荷Q的减地面的距离d成正比,与两脚的面积A(如果人是少,静电电压V要减小,介质不再电离,放电回路站立的)和脚底面与地间的物质的介电常数E成电阻变大。反比。因此静电荷相同时,静电电压可能有数量2.3.2元器件静电放电级的差别。元器件在装配、传递、实验、测试、运输和储存2.3静电放电的三种模式的过程中由于壳体与其他材料摩擦,壳体会带静带静电的物体与元器件有电接触时,静电会电。一旦元器件引出腿接地时壳体将通过芯片本转移到元器件上或通过元器件放电,静电放电导体和腿对地放电。图2是半导体器件静电放电的致元器件损伤的程度与
6、静电放电的模式有关,通等效电路。常的静电放电有三种模式。2.3.1人体静电放电人体与各种物体之间发生接触和摩擦,又与元器件接触,所以人体易带静电,也容易对元器件造成静电损伤。普遍认为大部分元器件静电损伤是由人体静电放电造成的。带静电的人体可以等效为如图1的等效电图2半导体器件静电放电等效电路路。这个等效电路又称人体静电放电模型,是最常用的静电放电模型,目前各种ESD试验都采用Cd是管壳对地的电容量,它与管壳结构和对该模型。地的方位有关,一般为1~20pF;Rd为管壳对地Vp为带静电的人体与地的电位差,Cp为带的电阻,主要与通路的结电阻有关;Ld是管壳
7、与静电的人体与地之间的电容量,一般为50-地间的电感量。图中电容器靠近电阻端电极对地250pF;Rp为人体与被放电体之间的电阻值,一般的电压是管壳对地的电位差。25为10~108。2.3.3设备放电设备带静电荷,对元器件同样会造成ESD损伤。其特点是放电回路中设备可等效为大容量的电容,而串联电阻极小。2.4静电损伤的物理过程元器件静电损伤有两种不同的物理过程。它们分为过电流热模式ESD损伤和场感应(过电场)模式ESD损伤。这两种损伤模式在实际发生的ESD损伤中都占有很重要的地位。图1人体静电放电等效电路2.4.1过电流热模式ESD损伤物理过程人体与被
8、放电体之间的放电有两种。即接触在静电放电通路的高阻区静电放电电流会产放电和电弧放电。接触放电时人体与被放电体
