【導讀】隨著微電子技術的飛速發(fā)展，特別是隨著集成電路特征尺寸的減小以及MOS集成電路的廣泛使用，新型集成電路普遍具有線間距短、線細、集成度高、運算速度快、低功率和輸入阻抗高等特點，因而導致這類器件對靜電放電越來越敏感。
目前，以運算放大器、A/D等為代表的線性器件，大規(guī)模的存儲器、信號處理器，聲表面波器件，微波器件，功率MOS管等均為靜電敏感器件。靜電放電損傷日益成為影響電子元器件可靠性的重要因素之一。
微電子器件的靜電放電損傷，其失效機理可分為兩類：一類是與電流有關的失效，如PN結的損傷，接觸孔合金釘，金屬/多晶硅互連線或電阻燒壞；另一類是與電壓有關的失效，柵氧化層擊穿是最常見的電壓型失效。
半導體器件靜電放電損傷故障模式主要表現(xiàn)為：
- 介質擊穿
- 鋁互連線損傷與燒熔
- 硅片局部區(qū)域熔化
- PN 結損傷與熱破壞短路
- 擴散電阻與多晶電阻損傷（包括接觸孔損傷）
- 觸發(fā)CMOS 集成電路內部寄生的可控硅閂鎖效應，導致器件被過大電流燒毀。
如果帶電體的靜電勢或存儲的靜電能量較低，或靜電放電回路有限流電阻存在，一次靜電放電脈沖不足以引起器件發(fā)生突發(fā)性完全失效。但它會在器件內部造成輕微損傷，這種損傷又是積累性的。
隨著靜電放電脈沖次數(shù)的增加，器件的損傷閾值電壓逐漸下降，器件的電參數(shù)逐漸劣化，這類失效稱為潛在性失效。潛在性失效的表現(xiàn)形式往往是器件的使用壽命縮短，或者一個本來不會使器件損傷的小脈沖卻使該器件失效。潛在性失效降低了器件抗靜電的能力，降低了器件的使用可靠性。
半導體器件潛在性失效主要表現(xiàn)為：
- 柵氧化層損傷
- 柵氧化物愈合/短路
- 保護回路受損
- 電荷陷阱
- PN結衰減
通過對歷史案例的分析，元器件靜電放電失效頻發(fā)的一方面原因在于研制單位在元器件研制過程中缺少防靜電設計，另一方面設計師在元器件選型時僅關注產品的電氣性能和外形尺寸，未考慮元器件的抗靜電能力，同時各場所單位也未進行有效的靜電放電防護。
由于靜電放電對器件的影響是通過電壓和電流進行的，當器件兩引腳間受到的ESD電壓和電流超出了所承受的閥值就會造成器件損壞。因此元器件防靜電設計可以通過在芯片上專門設計靜電放電保護電路，用于提供ESD電流路徑，以免ESD放電時，靜電電流流入元器件內部而造成損傷。
通常保護電路設計采用兩個基本原理：為輸入輸出引腳緩沖區(qū)到供電電源網(wǎng)絡（VSS或VDD）提供一個良好的電流分流通道；或者可以通過在需要保護的芯片部位附件提供一個電壓箝位設計，防止高壓進入而損壞內部結構。
經過多年的理論積累和實踐經驗，目前已知的靜電敏感器件主要包括單片集成電路、采用厚膜或微組裝工藝制造的二次集成電路、微波組件、固體繼電器、二極管、三極管、可控硅、聲表面波器件等。
因此從可靠性增長工程開始，為消除和控制常見元器件失效模式，提高電參數(shù)一致性，降低元器件失效率，明確要求過電應力敏感的器件，ESD≥1000V，過電應力較不敏感器件ESD≥2000V。從元器件技術狀態(tài)的源頭進行控制，促使研制單位在產品研制過程中增加防靜電設計。
在實際控制中，以單片集成電路為例，產品在鑒定和質量一致性檢驗中均需開展靜電放電敏感度試驗，原則上要求ESD≥2000V。如由于電路工藝和設計限制無法滿足ESD≥2000V的要求，必須進行逐批地檢測和考核，同時需要在技術標準中的用戶指南內說明產品在抗靜電方面的隱患，并給予使用提醒和建議。
靜電放電防護的基本原則主要有兩種：一是抑制靜電電荷的產生和積累；二是安全、迅速、有效的消除已產生的靜電電荷。目前在工程實踐中采取的靜電防護主要方法為：接地、中和、增濕、屏蔽等。
接地是靜電放電防護中最普遍、最有效的措施。接地是將導體通過接地材料將靜電荷引入地下，避免電荷越積越多而對地產生高電位。實現(xiàn)接地一般可通過以下途徑：在防靜電工作區(qū)內設置接地/等電位系統(tǒng)，實現(xiàn)ESD接地，使電子元器件、人員和其它靜電導體（含臺墊、小車等）處于相同的電位；凡進入工作區(qū)的人員均需穿戴防靜電工作服、防靜電鞋套，接觸元器件時佩戴防靜電腕帶；工作場所內部可鋪設防靜電地板，配備防靜電椅和臺墊；元器件通過防靜電小車、防靜電盒等方式實現(xiàn)在不同場所的周轉等。
對于某些物體，例如普通塑料或其他絕緣體由于沒有放電通道，使用接地技術不可以消散靜電荷。典型的做法是利用離子化技術中和絕緣材料上的靜電荷。通常利用靜電消電器產生帶有異號電荷的離子與帶電體上的電荷復合，達到中和目的。常用的離子中和設備有：離子風機、風槍、風嘴、風簾、離子棒等。
在干燥條件下物體及空氣時電荷的絕緣性提高，在元器件使用過程中更易攜帶靜電電荷；當空氣的濕度增加時，因空氣及物體的導電性增加，帶電部位發(fā)生局部放電而中和掉了剛產生的電荷，導致兩物體不再帶電。在靜電防護中，對環(huán)境濕度必須有嚴格的要求，通常會把相對濕度控制在40%～60%。
采用防靜電的包裝帶或包裝管把元器件進行包覆，防止其受到外部靜電的干擾，以便于元器件的儲存、交接、運輸。同時在拆卸時，需確保工作人員、工作臺面等具有良好的接地措施。
元器件靜電放電隱患貫穿元器件設計、生產、檢驗、交接、運輸、使用全過程，因此靜電放電防護工作必將一直伴隨這航天型號。通用的防護手段不可或缺，但為滿足新型號用元器件的發(fā)展對靜電防護技術的提升需求，需要建立系統(tǒng)性、工程性的靜電防護體系，遵循靜電防護與全面質量管理相結合，靜電防護與關鍵工序質量控制相結合，靜電防護堅持領導、技術人員、基層員工三結合的原則，控制元器件靜電放電損傷質量問題的產生，為保障型號元器件可靠性提供了有力的支撐。
來源：航天九院電子元器件
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