第2章 制造过程的防静电损伤技术静电现象是客观存在的，防止静电对元器件损伤的途径只有两条：一是从元器件的设计和制造上进行抗静电设计和工艺优化，提高元器件内在的抗静电能力；另一方面，就是采取静电防护措施，使器件在制造、运输和使用过程中尽量避免静电带来的损伤。对元器件的使用方，包括后工序厂家、电路板、组件制造商以及整机厂商来说，主要甚至只能采取后一种方法来防止或减少静电对元器件的损害。2.1 静电防护的作用和意义为什么要在制造过程中采取防静电控制措施？我们从以下三个方面来说明。2.1.1 多数电子元器件是静电敏感器件多数未采取保护措施的元器件静电放电敏感度都是很低，很多在几百伏的范围，如MOS单管在100-200V之间，GaAs FET在100300V之间，而且这些单管是不能增加保护电路的；一些电路尤其是CMOS IC采取了静电保护设计，可虽然以明显的提高抗ESD水平，但大多数也只能达到20004000V，而在实际环境中产生的静电电压则可能达到上万伏（如第1章的表1.4和表1.6。因此，没有防护的元器件很容易受到静电损伤。而且随着元器件尺寸的越来减小，这种损伤就会越来越多。所以我们说，绝大多数元器件是静电敏感器件，需要在制造、运输和使用过程中采取防静电保护措施。表2.1列出了一些没有静电保护设计器件的静电放电敏感度。表2.1 一些器件的静电敏感度 器件类型实例静电敏感度(单位kV)MOSFET3CO、3DO系列0.1-0.2JFET3CT系列0.14-1.0GaAs FET0.1-0.3CMOSCO00、CD400系列0.25-2.0HMOS6800系列0.05-0.5E/D MOS Z80系列0.2-1.0VMOS0.03-1.8ECL电路EOOO系列0.3-2.5SCL(可控硅)0.68-1.0S-TTL54S、74S系列0.3-2.5DTL7400、5400系列0.38-7.0石英及压电晶体10.02.1.2 静电对电子行业造成的损失很大 电子行业如微电子、光电子的制造和使用厂商因为静电造成的损失和危害是相当严重的。据美国1988年的报道，它们的电子行业中，由于ESD的影响，每年的损失达50亿美元之多；据日本统计，它们不合格的电子器件中有45是由于静电而引起的；我国每年因静电危害造成的损失也至少有几千万。图2.1是美国Ti公司对某一年对客户失效器件原因进行分析统计的结果，从中可以看到由EOS/ESD引起的失效占总数的47%；图1.2是美国半导体可靠性新闻对1993年从制造商、测试方和使用现场得到的3400例失效案例进行的统计，从中可以看到,EOS/ESD造成的失效也达到20%。 而图2.3是一个CMOS器件和一个双极型器件在受到ESD损伤后芯片内部的相貌像。图2.1 Ti公司某一年客户失效器件原因的分析统计图2.2 1993年从制造商、测试方和使用现场得到的3400例失效案例统计 (a) CC4069 4.0kV (b) JF709 2.0kV 图2.3 电路受ESD损伤后的形貌像ESD对电子元器件的危害还表现在它的潜在性。 即器件在受到ESD应力后并不马上失效，而会在使用过程中逐渐退化或突然失效。这时的器件是“带伤工作”。这是人们对静电危害认识不够的一个主要原因。实际上，静电放电对元器件损伤的潜在性和累积效应会严重地影响元器件的使用可靠性。由于潜在损伤的器件无法鉴别和剔除，一旦在上机应用时失效，造成的损失就更大。而避免或减少这种损失的最好办法就是采取静电防护措施，使元器件避免静电放电的危害。图2.4是一个器件受到ESD潜在损伤的例子，器件的功能没有失效，只是某个管脚的I-V特性发生了一些变化。图2.5是对一种型号的两组CMOS IC进行过可靠性对比试验。一组是经历过低于其失效阈值较多电压的ESD试验而功能完全正常的样品，另一组是未经过任何试验的良品。寿命试验的结果是前者的中位寿命（累积失效率为50的寿命）低于后者2个量级以上。这充分说明了ESD潜在损伤对器件可靠性的影响。图2.4 ESD潜在损伤引起的I-V特性变化图2.5 对比试验的寿命分布曲线2.1.3 国内外企业的状况国际上在1979年成立了EOS/ESD研究协会，主要研究电子行业的EOS和ESD问题，寻求解决方法。美军标883E“微电路试验方法”中关于ESD等级评价的标准已先后7次修订，现在已是3015.7版，而且很多标准明确规定军用微电路必须达到2kV的ESD等级。美国多数主要的电子制造商在八十年代初已经建立了他们的ESD组织机构，专门负责ESD方面的工作，主要有防静电设计、静电检测、静电防护以及管理、培训等。 与国际上发达国家相比，我国在这方面的工作起步要晚很多，差距也较大。直到最近几年才真正重视和发展起来。在军品方面，如修改版的国军标GJB548A-96和国军标128A97 分别增加了对微电路和分立器件的静电放电敏感度分类要求；并要求贯彻国标的产品必须给出ESDS的值；在民品方面，合资和独资企业的状况较好，起步较早，大多参照国外企业的做法，在抗ESD设计和静电防护方面都达到了较高的水平，如上海的贝岭、南京的富士通、广东北电等；而其它民品企业也已经意识到静电问题重要性，并在产品的抗静电设计和生产线的静电防护方面投入人员和资金，取得了很好的效果。虽然国内企业正在逐步改进，但仍然存在不小的差距。举例来说，如军品CMOS电路还未提出2kV的要求；有些生产线豪华装修，但无防静电措施；从业人员缺乏关于ESD的上岗培训等。2.2 静电对电子产品的损害静电对电子产品的损害有多种形式，并具有自身的特点。2.2.1 静电损害的形式静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电位差，会产生放电电流。这三种特性能对电子元器件的三种影响：(a) 静电吸附灰尘，降低元器件绝缘电阻（缩短寿命）。(b) 静电放电（ESD）破坏，造成电子。(c) 静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米）频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产器造成干扰甚至损坏（电磁干扰） 这三种形式对元器件造成的损伤，既可能是永久性的（如功能丧失，不能恢复），也可能是暂时性的（如静电放电产生的干扰使功能暂时丧失）；既可能是突发失效，也可能是潜在失效。其中静电放电(ESD)事件是造成元器件损伤最常见和最主要的原因。2.2.2 静电损害的特点相对与其它应力，静电对电子产品损害存在以下一些特点：(1) 隐蔽性人体不能直接感知静电除非发生静电放电,但是发生静电放电人体也不一定能有电击的感觉,这是因为人体感知的静电放电电压为23 KV,所以静电具有隐蔽性。(2) 潜在性和累积性有些电子元器件受到静电损伤后的性能没有明显的下降，但多次累加放电会给器件造成内伤而形成隐患。因此静电对器件的损伤具有潜在性。(3) 随机性电子元件甚么情况下会遭受静电破坏呢?可以这么说，从一个元件产生以后，一直到它损坏以前，所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机动性性。其损坏也具有随机动性性。(4) 复杂性 静电放电损伤的失效分析工作，因电子产品的精、细、微小的结构特点而费时、费事、费钱，要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器。即使如此，有些静电损伤现象也难以与其他原因造成的损伤加以区别，使人误把静电损伤失效当作其他失效。这在对静电放电损害未充分认识之前，常常归因于早期失效或情况不明的失效，从而不自觉地掩盖了失效的真正原因。所以静电对电子器件损伤的分析具有复杂性。2.2.3 可能产生静电损害的制造过程元器件从生产到使用的整体过程中都可能遭受静电损伤，依各阶段的可分为：(1) 元器件制造过程 在这个过程，包含制造，切割、接线、检验到交货。(2) 印刷电路版生产过程 收货、验收、储存、插入、焊接、品管、包装到出货。(3) 设备制造过程 电路板验收、储存、装配、品管、出货。(4) 设备使用过程 收货、安装、试验、使用及保养。(5) 设备维修过程在这整个过程中，每一个阶段中的每一个小步骤，元件都可能遭受静电的影响，而实际上，最主要而又容易疏忽的一点却是在元器件的传送与运输的过程。在这整个过程中，不但包装因移动容易产生静电外，而且整个包装容易暴露在外界电场(如经过高压设备附近，工人移动频繁、车辆迅速移动等)而受到破坏，所以传送与运输过程需要特别注意以减少损失，避免无谓之纠纷。所以，从元器件的制造，使用到维修的任一环节都有可能发生静电损害。2.3 静电防护的目的和总的原则2.3.1 目的和原则 静电防护的根本目的是在电子元器件、组件、设备的制造和使用过程中，通过各种防护手段，防止因静电的力学和放电效应而产生或可能产生的危害，或将这些危害限制在最小程度，以确保元器件、组件和设备的设计性能及使用性能不致因静电作用受到损害。前面我们已经提到，电子工业中静电危害的主要形式是静电放电引起的元器件的突变失效和潜在失效，并进而造成整机性能的下降或失效。所以，静电防护和控制的主要目的应是控制静电放电，亦即防止静电放电的发生或将静电放电的能量降至所有敏感器件的损伤阈值之下。从原则上说静电防护应从控制静电的产生和控制静电的消散两方面进行，控制静电产生主要是控制工艺过程和工艺过程中材料的选择；控制静电的消散则主要是快速而安全地将静电泄放和中和；两者共同作用的结果就有可能使静电电平不超过安全限度，达到静电防护的目的。2.3.2 基本思路和技术途径静电放电会对器件造成损害，但通过采取正确和适当的静电防护和控制措施，建立静电防护系统，那么就可以消除或控制静电放电的发生，使其对元器件的损害降至最小。对静电敏感器件进行静电防护和控制的基本思想有两条：(1) 对可能产生接地的地方要防止静电的聚集，及采取一定的措施，避免或减少静电放电的产生，或采取“边产生边泄漏”的方法达到消除电荷积聚的目的，将静电荷控制在不致引起产生危害的程度。(2) 对已存在的电荷积聚，迅速可靠地消除掉。所以生产过程中静电防护的核心是“静电消除”。为此可建立一个静电完全工作区，即通过使用各种防静电制品和器材，采用各种防静电措施，使区域内的可能产生的静电电压保持在对最敏感器件安全的阈值下。其基本途径有：(1) 工艺控制法旨在使生产过程中尽量少产生静电荷.为此应从工艺流程、材料选择、设备安装和操作管理等方面采取措施，控制静电的产生和积聚，抑制静电电位和静电放电的能力，使之不超过危害的程度。如在半导体制造过程中，当高速器件的浅结形成工序完成后，对冲洗用的去离子水的电阻率就必须控制。虽然电阻率越高，洁净效果越好，但电阻率越高。绝缘性越越好，在芯片上产生的静电就越高。因此一般要控制在略高于8M的水平，而不能是初始工序用的1617M。还有在材料选择上，包装材料要采用防静电材料，尽量避免未经处理的高分子材料。(2) 泄漏法旨在使静电通过泄漏达到消除的目的。通常采用静电接地是电荷向大地泄漏；也有采用增大物体电导的方法使接地沿物体表面或通过内部泄漏，如添加静电剂或增湿。最常见的是工作人员带的防静电腕带，静电接地柱。(3) 静电屏蔽法根据静电屏蔽的原理，可分为内场屏蔽和外场屏蔽两种。具体措施是用接地的屏蔽罩把带电体与其它物体隔离开来，这样带电体的电场将不会影响周围其它物体（内场屏蔽）；有时也用屏蔽罩八被隔离的物体包围起来，使其免受外界电场的影响（外场屏蔽）。如GaAs器件包装多采用金属盒或金属膜。(4) 复合中和法旨