ESD引起集成電路損壞原理模式及實(shí)例

　　(1)國(guó)外實(shí)例 a.Motorola公司生產(chǎn)的MOS大規(guī)模集成電路─微處理器(CPU)，在進(jìn)行老練試驗(yàn)的11個(gè)星期中仔細(xì)進(jìn)行了觀察和記錄。發(fā)現(xiàn)在試驗(yàn)開(kāi)始階段因?yàn)闆](méi)有采用導(dǎo)電盒放置樣品，拒收數(shù)與被試驗(yàn)元件總數(shù)相對(duì)比例約為40×10-n(n值為保密數(shù)字)。但從第四個(gè)星期開(kāi)始，樣品采用鍍鎳盒放置后，則降低15×10-n。此試驗(yàn)相繼跟蹤了7個(gè)多星期，平均的拒收比例為18×10-n。說(shuō)明MOS大規(guī)模電路在使用過(guò)程中必須采取嚴(yán)格的防ESD措施。

　　b.某公司共進(jìn)行了18700只MOS電路的老練，發(fā)現(xiàn)失效率很高，經(jīng)分析和研究認(rèn)為大部分失效是由ESD引起。于是該公司為此問(wèn)題專門(mén)寫(xiě)了一份有改正措施的報(bào)告，并對(duì)全體有關(guān)人員進(jìn)行了防靜電放電損傷的技術(shù)培訓(xùn)，器件采用防ESD包裝，加強(qiáng)了各項(xiàng)防ESD損傷的措施，后來(lái)又老練了18400只同種器件，拒收率降低到原來(lái)的1/3。

　　c.某一批“64位隨機(jī)存貯器”，從封裝到成品測(cè)試，其成品損失率為2％，該存貯器為肖特基-雙極型大規(guī)模電路，經(jīng)調(diào)查，操作過(guò)程中曾使用過(guò)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(kāi)關(guān)”集成電路，在裝上印制電路板，經(jīng)保形涂覆后，少數(shù)樣品出現(xiàn)輸入特性惡化。解剖分析后，發(fā)現(xiàn)輸入端(基極)的鋁金屬化跨過(guò)n+保護(hù)環(huán)擴(kuò)散層處發(fā)生短路或漏電，去除鋁后，可發(fā)現(xiàn)n+環(huán)上的氧化層有很小的擊穿孔。由于n+擴(kuò)區(qū)上的氧化層較薄，并且光刻腐蝕的速度較快，因而容易發(fā)生ESD擊穿，版圖設(shè)計(jì)時(shí)，如果必須采用n+擴(kuò)散層作埋層穿接線，其位置應(yīng)慎重選擇，避免輸入端鋁金屬化跨過(guò)n+擴(kuò)區(qū)，對(duì)于輸入端鋁條跨過(guò)n+擴(kuò)區(qū)的雙極電路，使用時(shí)應(yīng)采取必要的防靜電措施。

　　e.測(cè)試和傳遞中出現(xiàn)肖特基TTL電路(54S181、54S420)電性能異常 ，輸入漏電增大 。經(jīng)解剖分析，在金相顯微鏡下觀察芯片表面未發(fā)現(xiàn)任何電損傷痕跡，但在去除鋁和SiO2后，在輸入端的發(fā)射極接觸孔內(nèi)卻發(fā)現(xiàn)了較輕的小坑，再用CP4溶液進(jìn)行腐蝕后小坑變得更加明顯。用“靜電模擬器”進(jìn)行模擬試驗(yàn)，出現(xiàn)的失效現(xiàn)象與它十分類似?？梢?jiàn)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(tǒng)輸入端使用的2N5179超高頻晶體管多次發(fā)生失效 ，失效模式為放大系數(shù)降低 ，特別是在小電流下(例如Ic＝100μA)的放大系數(shù)下降到大約為1左右，同時(shí)eb結(jié)出現(xiàn)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(gè)很小的變色區(qū)，它是由瞬間的電過(guò)應(yīng)力(電浪涌)引起的過(guò)合金區(qū)，這種失效一般由靜電放電引起，對(duì)于輸入端為超高頻小功率管基極的電子系統(tǒng)，輸入端應(yīng)設(shè)計(jì)輸入保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，如果系統(tǒng)特性不允許增加保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，則必須采取防靜電放電操作措施。

　　g.帶有MOS電容器作為內(nèi)補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，在使用中常有失效，失效現(xiàn)象是輸出電壓在稍低于正電源電壓下發(fā)生閉鎖。經(jīng)解剖分析證實(shí)，失效由MOS電容器出現(xiàn)大漏電引起，漏電電阻約為400Ω。因?yàn)樽餮a(bǔ)償?shù)腗OS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(fā)現(xiàn)MOS電容邊緣明顯有很小的擊穿點(diǎn)，此特征表明失效由ESD損傷引起。

　　h.在一次系統(tǒng)裝配完畢后的檢查中，發(fā)現(xiàn)6只101A型雙極運(yùn)算放大器失效，失效模式是輸入失調(diào)電壓增大到40mV。用特性曲線圖示儀測(cè)試管腳-管腳間特性，出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)有飛弧狀的電損傷痕跡，它是電瞬變引起的電過(guò)應(yīng)力損傷，這種電瞬變可能是由ESD引起。經(jīng)調(diào)查，在印制板的電裝工藝線上，用靜電電壓表檢測(cè)印制板上的靜電電壓，在開(kāi)路區(qū)域上電壓達(dá)800V以上，特別是在空氣干燥的冬季或進(jìn)行高溫烘烤時(shí)，印制板上的靜電電壓更高。

　　(2)國(guó)內(nèi)實(shí)例 a.某廠生產(chǎn)的CMOS電路經(jīng)篩選入庫(kù)后，在抽查中每次都發(fā)現(xiàn)有較大數(shù)量失效(約占5％)，失效模式為輸入漏電增大，經(jīng)調(diào)查與分析，發(fā)現(xiàn)失效是由ESD損傷引起的。因?yàn)樵搹S生產(chǎn)的CMOS電路在測(cè)試前后都放置于普通塑料盆內(nèi)，塑料上的靜電荷傳遞給CMOS電路，在測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)器件接觸人體或桌面上的接地金屬時(shí)就會(huì)立即引起放電，導(dǎo)致ESD損傷而失效。后來(lái)采取了一系列防ESD措施，并將普通塑料盒改用導(dǎo)電塑料盒，這一失效現(xiàn)象就立即消失了。 b.在電子設(shè)備的調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)雙極集成電路中的單穩(wěn)電路和振蕩電路常出現(xiàn)失效，失效現(xiàn)象是單穩(wěn)電路已調(diào)整好了的單穩(wěn)時(shí)間常發(fā)生漂移；振蕩器已調(diào)好的振蕩頻率也常發(fā)生漂移。經(jīng)解剖分析，發(fā)現(xiàn)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(jié)有很輕度的電損傷痕跡(有的樣品還無(wú)明顯損傷痕跡)。測(cè)試該端eb結(jié)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(diào)試過(guò)程中并未采取防ESD損傷措施。但這兩種電路有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是外接R、C的端子是晶體管的基極，并且該管的發(fā)射極 又是直接接地的，無(wú)任何限流電阻。在機(jī)器調(diào)試時(shí)，要反復(fù)更換電容或電阻，將單穩(wěn)寬度和振蕩頻率調(diào)整到滿足機(jī)器所需值。調(diào)機(jī)時(shí)機(jī)器是接地的，當(dāng)更換R、C元件時(shí)，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(huì)通過(guò)電路對(duì)地放電，并且放電回路只有一個(gè)發(fā)射極二極管，因此它們對(duì)ESD比較敏感。此外，如果烙鐵的接地不良或不當(dāng)。例如，烙鐵接的是交流地與機(jī)器不是同一地，兩個(gè)地線之間的電位差引起的放電也會(huì)損壞電路。所以，雙極電路中的單穩(wěn)和振蕩器也應(yīng)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(chǎn)品上應(yīng)用的一種進(jìn)口的“隔離放大器”，在測(cè)試和機(jī)器調(diào)試中常有失效，由于這種放大器是雙極型二次集成電路，說(shuō)明書(shū)上只有功能方塊圖，無(wú)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(duì)地呈現(xiàn)低電阻或短路，經(jīng)解剖分析，發(fā)現(xiàn)每只電路內(nèi)部都有3只MOS電容器，其中有一只就是直接跨接在解調(diào)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(jié)果ESD損傷失效常有發(fā)生， 經(jīng)濟(jì)損失很大 。后來(lái)采取防靜電措施后，輸出對(duì)地短路的失效現(xiàn)象就消 d.某航天電子產(chǎn)品用肖特基TTL電路54LS10，在部件進(jìn)行老練和測(cè)試后失效，失效模式為輸入端漏電流增大。經(jīng)分析表明，失效由ESD或電浪涌損傷引起。解剖分析后發(fā)現(xiàn)芯片表面無(wú)任何電損傷痕跡，也無(wú)任何工藝缺陷，經(jīng)過(guò)各項(xiàng)試驗(yàn)證實(shí)，輸入漏電不是氧化層內(nèi)的鈉離子沾污，也不是芯片表面的潮氣和可動(dòng)電荷沾污所引起。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，失效的輸入端恰好是該部件的輸入端子，在測(cè)試和老練過(guò)程中該端子常與人體或設(shè)備的機(jī)殼相碰，且操作現(xiàn)場(chǎng)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(jī)殼也會(huì)引起類似失效。 e.某星上用進(jìn)口的軍用CCD(電荷耦合器件)，在使用過(guò)程中不知不覺(jué)就失效，這不僅造成了重大經(jīng)濟(jì)損失，而且嚴(yán)重地影響了工作進(jìn)行。經(jīng)調(diào)查與分析，判斷失效由ESD損傷引起。因?yàn)樵揅CD是超大規(guī)模集成電路，又屬于MOS型器件，它對(duì)ESD特別敏感。根據(jù)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(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)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(yīng)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(yùn)算放大器LF253在入廠檢收和二次篩選中均發(fā)現(xiàn)失效，失效比例大約5％。經(jīng)解剖分析發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償端的鋁條上有一小區(qū)域內(nèi)有“變色”現(xiàn)象，這種變色點(diǎn)是由瞬變電過(guò)應(yīng)力引起的局部高溫造成，它可能是ESD損傷引起的，因?yàn)長(zhǎng)F253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(jìn)行模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償端與正電源之間的損傷電壓僅有6KV而其他端可達(dá)5.0KV，可見(jiàn)，運(yùn)算放大器也要采取必要的防靜電措施。 g.彩電高頻頭內(nèi)的MOS場(chǎng)效應(yīng)管常有失效發(fā)生。經(jīng)過(guò)解剖分析，發(fā)現(xiàn)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?yàn)椴孰姛晒馄辽嫌?0～50KV的靜電電壓，如果不慎將這樣高的靜電壓通過(guò)天線引入高頻頭，就很容易引起MOS管失效。 h.某廠生產(chǎn)的高頻晶體管3DG142在入廠檢驗(yàn)和二次篩選中常有失效發(fā)生，失效模式是eb結(jié)漏電或短路。經(jīng)解剖分析，發(fā)現(xiàn)eb結(jié)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(jié)器件，易受靜電放電損傷。例如，當(dāng)測(cè)試人員剛走進(jìn)工作室在測(cè)試臺(tái)前坐下來(lái)時(shí)，人體上的靜電壓可能是比較高的，此時(shí)去拿晶體管進(jìn)行測(cè)試就很可能引起ESD損傷。由于eb結(jié)的面積很小，并且是淺結(jié)，所以損傷部位一般都是eb結(jié)(bc結(jié)不會(huì)損傷)?？梢?jiàn)，對(duì)于高頻，特別是超高頻的小功率管，在使用過(guò)程中也應(yīng)適當(dāng)采取防靜電損傷措施．(來(lái)源于：小熊在線——Galen )