基于微电子的静电防护简析

郑盛霞谢晓丰

杭州优迈科技有限公司311305

摘要：近年来，随着我国经济的快速发展，我国信息产业的技术水平不断提高，聚合物材料和微电子器件广泛应用于各个领域及其产品。ESD是微电子器件的主要威胁。ESD严重影响了微电子器件的质量，威胁着器件的整体工作。为了保护微电子器件，需要从设计、生产、运输等角度对电子器件进行静电保护。本文对微电子器件静电保护的相关内容进行了研究，并提出了静电保护措施，为相关工作者提供参考。

关键词：微电子；静电防护；ESD

引言

微电子器件存在体积小、使用灵活、成本较低等优势，开始广泛应用于各行各业，一些安全部件、特种设备也开始大量采用。但微电子器件也存在一些固有特点。其中，ESD严重影响了微电子器件的质量，威胁着器件的整体工作。ESD是微电子器件制造业的巨大威胁。解决ESD问题是微电子生产中的一个重要问题。该问题的解决对整个行业的发展有着重要的影响。

1ESD分析

ESD（Electro-Staticdischarge）即“静电释放”。静电是指物体表面所带过剩或不足的相对静止不动电荷，可能是正电荷也可能是负电荷。由于“过剩”或“不足”，静电荷处于不平衡状态，容易发生转移。

ESD包括四个阶段。第一阶段是电荷的产生。电荷的产生是由摩擦或感应引起的，这个过程叫静电起电。第二阶段是电荷的转移。电荷的转移是由于这两个物体的电势不同。当两个物体的电势平衡时，电荷转移停止。第三阶段，是电荷的累积。静电荷可以通过中和或泄漏的方式衰减。当起电的速度大于衰减时，电荷会累积。例如，当人体与大地绝缘时，人体的静电荷可高达1.5KV-35KV。第四阶段，快速释放。具有不同静电电位的物体，由于直接接触或静电感应而引起物体间的静电电荷转移，也称为静电放电。这是在静电场的能量达到一定程度后，击穿其间介质而进行放电的现象，也可能是利用空气中的带电离子在两个物体之间进行传导形成电流，出现小型雪崩效应。

2ESD的危害

静电是一种普遍物理现象，人体的ESD的敏感程度：在3000V时能通过皮肤感知；在5000V时能听到；在10000V时能看到。而电子组件中CMOS和EPROM芯片分别受250V和100V的ESD电势即可能受到损伤。更为可怕的是，只有10%会造成电子器件的完全失效，通常表现为短路、开路以及参数的严重变化，超出其额定范围，器件完全失去功能；而另外的90%会潜伏下来，造成累计效应。也就是说它可以通过终测，使得缺陷完全被忽略，而在发货给客户之后导致出现早期现场失效。

问题严重性还在于很多人对静电危害的认识不足和防静电知识的无知，常把一些因ESD造成的设备性能下降或故障，误认为是元器件早期老化失效。

3微电子器件的静电防护

结合微电子器件的静电释放,规划静电防护的措施。微电器器件的静电防护,主要体现在两个方面,围绕抑制静电和泄放静电的概念,规划静电防护的措施,如下：

3.1设计防护电路

在产品设计阶段，为提高微电子器件的防静电能力，一般会设计防静电保护电路。静电放电时，保护电路可提供低电阻路径的条件，使微电子器件的电源/地端转换成高电阻路径，有效降低静电释放灵敏度。在设计静电保护电路时，必须根据微电子器件静电释放的实际情况来设计，可以在输入端和电源/接地端之间安装PN结二极管，使PN结二极管提供高水平的反向击穿电压，防止微电子器件受到静电损伤。[2]或者也可以将微电子器件中的晶体管改为静电保护电路器件，使用隔离电阻，连接微电子器件的两端，稍大的晶体管，作为第一级，在慢响应过程中携带大电流，稍小的晶体管作为第二级，它可以在快速响应状态下携带电流。在二级结构中，静电保护速度较快，具有快速传导的效果，保护微电子器件的核心结构，并协助静电电流的分散。另外，在PCB布局设计时，适当拓宽PCB走线，不采用直角走线的方式，远离金属回路中的微电子器件，防止破坏尖端放电。例如，微电子器件的静电保护电路被设计成多层接线法，以避免微电子器件的金属层被氧化，降低内电网的距离比，并促进保护电路吸收静电的能力，有利于提高静电抑制的水平。在微电子器件静电保护电路的设计中，引入了仿真技术，利用TCAD工具对仿真数据进行分析，可直接应用于保护电路的设计。通过对微电子器件静电放电情况的检测，设计出等效电路仿真，根据TLP、MATLAB、优化模型构建，保证保护电路应用的准确性。

3.2静电放电模型

静电放电使微电子器件完全或部分失效，哪怕电路设计时已经增加了防静电电路设计也不能完全避免。

在微电子器件的生产中，静电放电方法包括：第一，微电子器件与带电人接触；第二，电气微电子器件与地面物体接触；第三，微电子器件与带电机械设备接触；四是微电子器件周围静电场产生的强大电压[4]。

根据这四种静电放电方法，提出了四种描述模型：

第一，人体模型HBM，它也是一种最广泛使用的模型。HBM模拟了微电子器件与带电人体接触时的静电放电过程，并从中寻找解决方案。

第二，机器模型MM。该模型是模拟带电导体对电子器件的放电情况。这两种模型类似，模拟人体/机器在无接地时累积电荷后的放电情况，蓄电的指尖/机械探头对器件直接放电。元器件对MM模型的静电放电比HBM模型更加敏感。

第三，器件带电模型CDM。对自动组装生产环境最重要，模拟器件在移动过程中充电后(通常是摩擦起电)接触金属表面时放电。

第四，感应电场模型。电场感应产生电荷的有限模型，带电荷物体周围的电场，能影响在电场范围内的其他导体。CDM和FIM模型的原理相似，差异是电荷的来源。

该模型的建立可以模拟微电子器件生产过程中静电的产生、释放过程和释放原理。最重要的是寻找解决办法并获得改进措施，从而提高生产中微电子器件的效率和制作微电子器件。降低了微电子器件的损坏率，促进了微电子工业的发展。

3.3预防静电损害

静电破坏的控制一般从以下几个方面进行：

3.3.1作业人员。人是静电的最大来源。人员的走动、作业都会产生静电，在与微电子器件接触或靠近时都可能产生静电放电。要减少人员的因素，必须穿着防静电衣物、手套与防静电鞋，佩戴防静电手环/脚环并可靠接地。养成良好的作业习惯，在无防静电措施或措施不完备的情况下远离静电敏感产品。

3.3.2设备。为了提高企业的生产能力，自动化设备被应用在许多过程中，这些设备的运行将产生大量的静电。在微电子器件的加工中，各种过程都会释放静电，大量微电子器件会失效[2]。所有设备、仪器、作业台、凳子、货架都需要可靠接地。移动的周转小车等也要通过安装静电释放链接地。

3.3.3材料。操作环境中使用抗静电/导静电材料做成工作台面、周转/包装箱。

3.3.4环境。静电的产生与环境湿度成正比，即湿度越大静电的产生越少。但高湿度的环境容易造成生锈、腐蚀，综合考虑，一般电子生产车间湿度保持在30%-70%RH。另外，也可以使用离子风扇来中和静电荷。

4结束语

综上所述，在微电子器件的生产中，为了避免静电损伤器件，不仅需要加强技术设计防护，而且需要建立电子产品静电保护系统。建立和完善特殊保护标准，加强法规实施，加强人事管理。静电保护系统是一种有效的静电保护措施。

参考文献:

[1]刘进，陈永光.系统级测试下静电防护器件的失效机理分析[J].半导体光电，2016，1（5）：698-702+724.

[2]王淑燕.微电子器件静电防护探讨[J].广东科技，2013，3（16）：108-109.

[3]罗静.微电子器件的静电防护探讨[J].通讯世界，2016，6（8）：250.

[4]刘军霞，张新焕.微电子器件工业生产中的静电防护研究[J].河北科技大学学报，2011，5（S1）：91-93+108.

[5]陈荣枝.微电子器件的可靠性研究[J].能源研究与信息,2014,01：52~57.