ESD防护技术

SMT组装技术与ESD防护技术摘要：分静电基础知识、ESD防护技术两部分，第一部分主要介绍静电特点、静电衰减与之积累规律、人体静电的起点方式、静电损伤的失效模式；第二部分主要介绍静电防护的必要性、静电防护的目的与途径、静电防护的过程控制、静电防护系统的构成。随着电子产品的轻、薄、短、小化，以及电子元器件的不断小型化、超大规模集成电路的广泛应用，特别是数字技术的发展和应用，SMT组装技术在电子产品制造业中扮演着日益重要的角色，而静电已成为电子工业中造成器件失效、产成品合格率低及其早期失效的主要原因，严重影响产品直通率及质量稳定性与可靠性，给制造商的生产成本、声誉造成不良影响，因此静电防护已越来越受到重视。1静电起电及其流散与积累规律1.1静电起电一般物体是中性，若任一物体带有过剩的电荷则成为带电体，物体间的电荷转移过程称为起电过程。失去电子带正电，得到电子带负电，由于电子的得与失使物体失去电平衡，就产生了静电。静电产生得基本过程可归纳为四个阶段：接触→电荷转移→偶电层的形成→电荷分离。物体的起电方式主要有：⑴物体间的摩擦，产生的热可使电子转移，产生静电;⑵物体间的接触与分离；⑶电磁感应。对于后两种起电方式比较容易预防与控制，在实际生产中最难以控制、防不胜防的是第一种起电方式——摩擦起电，主要是由于人体的动作及设备的运动而产生。如元器件、PCB成品板间的相互碰撞和接触摩擦而形成很高的表面电位，操作者与大地绝缘时，人体静电位可高达1.5kV～35kV。1.2静电起电序列两个不同物体相互接触时，各自带上极性相反、数量相同的电荷，一个失去电子成为空穴带电（＋），而另一个得到电子成为电子带电（－）。常见不同物体接触起电的序列为：（＋）空气→人手→玻璃→云母→头发→尼龙→羊毛→铝→纸→棉花→钢铁→木→硬橡皮→铜→银→金→聚乙烯→聚氯乙稀（－），位于较前的物体一般带正电，而位于较后着则带负电，即电子从位于前面的物体转移到后面的物体中。两种相摩擦的物体在起电序列中的位置相距越远，摩擦带电后产生的电位就越大，但物体呈现电性在很大程度上受到物体所含杂质成分、表面氧化和吸附情况、温度压力、外界电场等因素的影响。1.3静电衰减与积累规律静电荷通过中和与泄漏而自行消失的现象称为电荷的消散或衰减。物体以某种方式起电后，电荷一般按指数规律衰减，工程材料的静电衰减时间τ是评价材料防静电性能好坏的重要指标。静电的衰减速度与材料电阻率有密切关系，材料电阻率越大，如高绝缘介质的橡胶、塑料等，带电以后衰减速度极慢；而电阻率较低的材料如防静电橡胶、塑料等，带电后可将静电迅速地衰减，从而减少和防止静电危害。因此，在SMT组装生产过程中，应根据具体要求，选择相应的静电防护器材，采取有效措施，使产生的静电能迅速衰减，使静电电位不足以对SMD造成损伤，一般要求静电电位泄放至100V以下的时间小于1s。在生产过程中，静电起电和衰减两个相反的过程是同时存在的，一般物体的起电过程是均匀的，即单位时间内的起电量（又称起电电流）为一常数，随着时间的延长，物体起电和衰减达到动态平衡，即使再增加时间，物体带电量不会改变。一般把静电荷的起电与衰减达到动态平衡称为电荷的净积累规律。2静电效应物体带电后主要会产生力学、感应、放电三大效应，其危害的种类与产生的后果见表1。表1静电效应产生危害的种类与后果静电效应危害种类后果静电力学静电引力吸附尘埃，粘附在机器上，无法剥离，筛网堵塞、凝聚、吸污，毛发竖立、缠绕产品污损，品质劣化，操作效率低，无法操作，成品率降低，人不舒服效应静电排斥力纸张、布等卷绕不齐，不规则，整形性不佳，混合不良，物料杂乱无章、起毛，黑粉散断线产品污损，品质劣化，生产效率降低，甚至无法操作静电感应效应静电噪声，机器损耗，继电器或电路误动作，电路不良元器件、电路板、仪器设备等可靠性降低，出现废品，测试不合格，人员的不安情绪，影响生产静电放电效应静电噪声，起火源，电击电子元器件的静电击穿，机器损坏或误动作，人体不舒适感电子元器件特性差，出现废品，元器件和机器可靠性降低，引起控制机器或计算机的误动作，引起火灾、爆炸等，电击人体，影响情绪，降低生产效率在SMT组装过程中，我们主要遇到的是放电效应，其次是感应效应。3人体静电人体静电是指由于自身行动或与其它的带电物体相接触或相接近而在人体上产生并积聚的静电。在SMT组装生产中，作为操作者的人体是最主要的静电发生源之一，人体的静电位是导致元器件击穿损害和对电子设备的运行产生干扰的主要原因，同时人体带电还可能造成对人体的静电电击，从而引发二次事故或降低工作效率。人体静电的起电方式主要有以下几种。3.1步行起电人体在绝缘地面上行走过程中，当抬起一条腿时，产生了通过该腿的鞋底电阻对人体的充电电流与通过另一只与地面接触的脚的鞋底电阻的泄漏电流，从而使人体呈带电状态。人体步行产生的静电电位峰值一般在抬脚之时。3.2摩擦起电人体的行动和工作时，工作服、帽子、手套等之间的相互摩擦以及它们与其它物体之间、鞋与地面之间的摩擦，从而使工作服、鞋带上静电荷，通过传导或静电感应，最终使人体呈带电状态。人体摩擦起电产生峰值一般在起立之时，人从聚氯乙稀的软椅起立时带电18kV，人从铺设有人造革软椅上起立时可带电1.1kV～1.4kV。3.3静电感应起电人体系静电导体，当带电的物体靠近不带电的人体，由于静电感应现象，在静电场的作用下使人体出现电量相等符号相反的感生电荷，如一手触及接地体，会放电；如此时远离带电体时，即成为带上异号电荷的孤立导体。3.4接触传导带电一方面由于人接近或接触带电物体时，由于静电放电释放而使电荷转移，最终使人体和身上穿的衣服等带电。另一方面由带电微粒粘附而带电。由带电的尘埃、烟雾和粉尘及高压产生的离子等附着于人体而使其带电。4静电放电损伤4.1放电效应当带电体懂上的电荷所产生的电场，其电场强度超过周围介质的绝缘击穿电场强度时，带电体表面附近的介质就发生电离，引起静电电荷转移，因而使带电体上电荷趋向减少或消失，这种情况又叫静电放电（Electrostaticdischarge，缩写为ESD）静电放电为单次或多次间歇地进行，在放电通道有离子电流流动，因而会产生焦耳热，并伴随发光和声响，同时会发出电磁辐射，由ESD引起的对元器件的击穿损害是SMT组装生产中最普通和最严重的静电危害。在放电的过程中，带电体所积聚的能量约以十分之一微妙的时间通过人体或器件电阻释放，并耗散在人体或器件电阻上，在这样短的时间内，平均脉冲功率高达几千瓦，因此很容易造成引起SiO2膜击穿或开裂，栅氧化层被击穿或引起极间空气隙击穿，甚至烧毁金属互连线，致使器件失效。箭头所指处既是静电放电后造成器件内部出现“爪型脚”，从而使集成电路部分损坏。4.2ESD损伤的失效模式半导体器件的静电损伤，一般可分为两类失效模式：即时失效和延时失效。4.2.1即时失效即时失效，又称为硬击穿或突发性完全失效，它是器件的一个或多个电参数突然劣化，完全失去规定功能的一种失效。通常表现为开路、短路、无功能以及电参数严重漂移。4.2.2延时失效，又称为软击穿或潜在性缓慢失效。ESD损伤具有潜在性和积累性的特点。如果带电体的静电位或存贮的静电能量较低，仅能供给短暂发生的局部击穿能量，或ESD回路有限流电阻存在，在这种情况下，一次ESD脉冲不足以引发器件发生突发性完全失效，但它会在器件内部造成轻微的损伤，使器件的性能劣化或参数指标下降，但还没有完全损坏而形成隐患，这种损伤又是积累性的；随着ESD脉冲次数增加，器件的损伤阈值电压会逐渐下降，使器件的电参数逐渐劣化，它降低了器件抗静电的能力，降低了器件的使用可靠性与寿命，使其运行一段时间后，随温度、时间、电压的变化，出现故障而不能正常工作。ESD引起半导体器件损伤，器件即时失效的几率只有10％，而90％的器件则是延时失效，损伤后电参数仍符合规定要求，产品还能通过质量检验，但给电路留下了隐患，使该电路在以后的加电工作中，参数退化逐渐严重，减弱了器件抗过电应力的能力，引起器件早期失效，严重危害器件的可靠性。静电损伤是一种偶然事件，一般讲是与时间无关的。同时由于ESD看不见、感觉不到，器件在不知不觉中就失效了，所以ESD损伤不易被发现，很容易被人们忽视。4.3常见ESD损伤的失效现象⑴造成MOS器件栅穿或输入保护电路漏电流增大。⑵引起多层布线间的介质击穿短路。尤其是输入端铝条与n＋、P＋层间的击穿短路。⑶造成Pn结电损伤，引起结特性变坏和放大系数或阈值电压漂移。⑷与外接端子相连的铝条被熔断开路。⑸引起薄膜电阻熔断或阻值漂移。4.4典型的ESD失效机理4.4.1热二次击穿通常称为二次击穿，因半导体的热时间常数一般比ESD脉冲有关的瞬变时间大得多，所以只有一点热量从耗散区域扩散出来，在器件上形成巨大的温度梯度。局部的结温能接近材料的熔化温度，因溶解引起过热的发展并导致结短路。4.4.2金属化熔融ESD瞬变过程使器件的温度大到足以熔化金属化层或使键合引线烧熔时引起的失效。4.4.3体击穿在结区由于局部高温使金属化层被合金或杂质扩散，导致结参数急剧变化，形成跨越结的电阻通道。通常热二次击穿比体击穿先发生。4.4.4介质击穿当绝缘区两端施加的电位差超过该区域固有的击穿电压特性时发生的击穿。这种形式的失效是因为电压而非能量，如果脉冲中的能量不足以使击穿的电极材料发生熔化，那么元件可能在击穿发生后还能得到恢复，即引起与脉冲能量有关的全部或有限的元件性能退化。介质击穿不会立即引起器件致命性失效，而是引起器件延时失效从而导致器件在连续使用中的致命失效。4.4.5气弧放电当元件中未被钝化的薄层电极之间的间距很小时，电弧放电引起的汽化使金属常离开电极而移动，产生的熔融或熔断使其性能退化。4.4.6表面击穿对于垂直结，由于其结的表面电荷层间距窄而造成局部雪崩累计过程，造成结周围的高泄漏通道，从而使结失效。前三者热二次击穿、金属化熔融、体击穿的失效机理与能量有关，而后三者介质击穿、气弧放电、表面击穿的失效机理与电压有关，上述失效机理适用于微电子器件和半导体器件。典型ESDs器件失效分析示例见表2。表2典型ESDs器件失效分析示例表组成部分元器件类型失效机理失效标志MOS结构MOSFET、MOSIC等由于电压过高引起介质击穿短路Pn结二极管、晶体管、可控硅等能量集中，热二次击穿短路薄膜电阻混合IC、密封薄膜电阻器介质击穿或热量有关的微通道破坏电阻漂移金属化条单片或混合IC与焦耳热量有关的金属烧毁开路场效应结构石英陶瓷封装LSI或EPROM电荷注入绝缘材料性能退化压电晶体晶振、声表面波器件电压过量使机械压力造成晶体断裂性能退化近间距电极未钝化金属、未防护半导体电弧放电使电极金属熔融或烧毁性能退化5静电敏感器件及其静电敏感度5.1为适应电子产品日趋小型化、多功能及高精度的要求，所使用的各种器件和组件的尺寸越来越小，集成度越来越高，其内部结构越来越细、越来越紧凑，使电子元器件对ESD的承受能力大大降低。5.2在日常操作、贮存、传递、测试过程中容易因静电放电而引起损伤的器件称为静电敏感器件(ElectrostaticSensitiveDevice，缩写为SSD)。静电敏感度的测量是根据一特定的静电模式来确定，通常是用人体放电模式。器件对静电放电的承受能力可以用静电放电敏感度来表示，它是指器件所能承受的、尚不致遭受破坏的最大静电放电电压，其单位是伏(V)。典型器件静电损坏电压见表3。表3典型器件静电损坏电压元器件类型损坏电压U／V元器件类型损坏电压U／VRF—FETS(MICROWAVE)1～5EPROM100MR—HEADS5J.FET140PENTIUM5SAW150V.MOS30OPAMP190MOSFET100CMOS2505.3一般认为，人体静电位值随着相对湿度的增大，静电位值变小。这是因为：(1)水汽可以有效改变物体表面的电阻；(2)适当的湿度可以为物体提供一个有效的泄放通道，即接地。因此适当的增湿有助于控制静电放电。但并非只通过增湿便可达到静电防护的目的，实验证明，即使相对湿度达到90％，