摘 要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子、通訊等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)也在迅速崛起，電子儀器和電子設(shè)備正在朝著小型化、智能化、多功能化方面發(fā)展，而微電子器件成為當(dāng)下電子產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)小型化、智能化、多功能的必要原件。這種微電子器件具有外部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高、功率低的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)導(dǎo)致了這種微電子器件對(duì)靜電比較敏感。本文立足于微電子器件特征和靜電放電特點(diǎn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析出靜電放電對(duì)微電子器件的影響，并提出相應(yīng)的防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：微電子器件；靜電損傷；放電模型

中圖分類號(hào)：TN406 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2018）08-0066-03

Abstract：With the development of modern science and technology，the high and new technology industries such as electronic and communication are rising rapidly. Electronic instruments and electronic equipment are developing towards miniaturization，intellectualization and multi-function. Microelectronic devices have become the necessary original parts for the realization of the miniaturization，intellectualization and multi-function of electronic products. This kind of microelectronic device has the characteristic of simple external structure，high integration and low power. These characteristics make the microelectronic devices more sensitive to static electricity. In this paper，based on the characteristics of microelectronic devices and the characteristics of electrostatic discharge，the effects of electrostatic discharge on microelectronic devices are analyzed by experiments，and the corresponding protective measures are put forward.

Keywords：microelectronic devices；electrostatic damage；discharge model

0 引 言

微電子器件業(yè)內(nèi)稱之為靜電敏感器件，一般而言，場(chǎng)效應(yīng)器件、雙極器件等微電子器件的抗靜電能力更加弱，人體或者器件本身的靜電都足以對(duì)器件造成損傷，如果不加以防護(hù)，微電子器件很可能因?yàn)殪o電受損，導(dǎo)致器件失去本身的功能，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，提高微電子器件在包裝、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用等方面的防靜電措施至關(guān)重要。

1 靜電放電特性

1.1 靜電放電類型

靜電放電（ESD）在本質(zhì)上是一種電磁兼容問(wèn)題，通常情況下，靜電放電所釋放的能量比較小，是一種常溫狀態(tài)下對(duì)氣體的擊穿現(xiàn)象。從靜電放電類型上進(jìn)行分析，可大致分為三種不同類型：（1）電暈放電，這是一種氣體放電的形式，多發(fā)生在電極相距比較遠(yuǎn)，同時(shí)帶電物體和接地表面有突出的地方。這種地方易形成較強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度，使氣體發(fā)生電離現(xiàn)象，并伴有“嘶嘶”聲音，這種情況稱之為電暈放電。（2）刷形放電。當(dāng)兩個(gè)電極之間存在的氣體為非均勻介子，在電極的作用下形成通路，形成的靜電放電不集中在某一點(diǎn)上，而是形成很多分叉。刷形放電伴有發(fā)聲、發(fā)光形象，易發(fā)生在絕緣體上。（3）火花放電。不同于刷形放電，火花放電有明顯的放電集中點(diǎn)，兩極之間的氣體被擊穿，伴有短時(shí)間的爆裂聲，危險(xiǎn)性比較大。

1.2 靜電放電失效敏感電壓

所謂的靜電放電失效敏感電壓是指電器所能夠抗受最大的靜電電壓，也被稱之為靜電放電敏感度（ESDS）。所產(chǎn)生的靜電一旦觸碰到微電子器件的敏感部位，在瞬間最大電流可達(dá)到10A，這個(gè)電流值，極易導(dǎo)致電器失效或者受損。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因靜電受損的電子器件，10%會(huì)立即失效，90%為潛在性損失。潛在性損失雖然不會(huì)使器件立刻失效，但是會(huì)引起器件參數(shù)變化，影響產(chǎn)品的穩(wěn)定性，也降低了器件抗過(guò)電應(yīng)力的能力。

1.3 靜電放電模型

靜電放電模型共有四種，分別為人體模型、場(chǎng)感應(yīng)模型、帶電器件模型和傳輸線模型。人體模型引起的靜電損傷一般比較嚴(yán)重，研究表明，人體可攜帶20-30MJ的靜電能量，放電時(shí)間極為短暫，只有幾微秒，但其最高峰值電壓可達(dá)到15～20kV，流量可達(dá)到10A。場(chǎng)感應(yīng)模型中，半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管等電子器件當(dāng)處于強(qiáng)帶電環(huán)境中，器件的柵極就會(huì)感應(yīng)到電壓的存在，場(chǎng)感應(yīng)電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，會(huì)發(fā)生器件的柵源和柵漏間擊穿現(xiàn)狀，使器件受損失效。傳輸線模型的原理，傳輸線網(wǎng)絡(luò)可獲得很高的峰值電壓，在器件與網(wǎng)絡(luò)匹配的情況下，器件上的電壓可躍變?yōu)樽畲螅?dāng)此峰值電壓足夠高時(shí)也可使器件失效。帶電器件模型，半導(dǎo)體器件獲取的電荷大部分都附在表面，如果相鄰的金屬線條靠得比較近，就會(huì)引起靜電放電現(xiàn)象，導(dǎo)致器件時(shí)效。目前，我國(guó)對(duì)電子器件的靜電放電失效敏感電壓的測(cè)試采用的方式是人體模型。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 原理與方法

對(duì)微電子器件靜電損傷測(cè)試的時(shí)候，采用的方法是注入法。具體原理是將電磁能量通過(guò)特定的電子裝置注入到微電子器件相應(yīng)的管腳上，通過(guò)對(duì)管腳的測(cè)量，可以比較精準(zhǔn)地得知損傷閾值。此次實(shí)驗(yàn)需要用到的裝置有：ESS-200AX型ESD模擬器、TDS680B數(shù)字存儲(chǔ)示波器、Tek P6041（5mV/mA，25kHz～1GHz，匹配電阻50Ω）電流探頭。

2.2 CG392實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通常情況下，微電子器件對(duì)靜電放電是非常敏感的，由于體積小，在外觀上很難判斷微電子器件是否失效，唯一的方式就是通過(guò)技術(shù)測(cè)量，檢測(cè)其具體的參與，判斷微電子器件是否完好。本次實(shí)驗(yàn)測(cè)量的對(duì)象為晶體三極管，在測(cè)量過(guò)程中，所需要的設(shè)備有XJ4810晶體管特性圖示儀、8970B噪聲系數(shù)測(cè)試儀、CTG-1型高頻C-V特性電容測(cè)試儀和漏電流測(cè)試儀等。

首先對(duì)三極管進(jìn)行分析。三極管具有放大、調(diào)制、諧振、開(kāi)關(guān)等作用，共有3個(gè)管腳，分別為基極（B）、發(fā)射機(jī)（E）、集電極（C），放電途徑也是三個(gè)管腳之間的相互組合，對(duì)三極管測(cè)量判斷是否受到靜電放電損傷，其依照的標(biāo)準(zhǔn)是《半導(dǎo)體分立器件總規(guī)范》中對(duì)有關(guān)數(shù)值的規(guī)定。通常的情況下，如果器件的敏感參數(shù)的變化起伏比比較大，超過(guò)實(shí)驗(yàn)前的數(shù)值的20%，就可以判斷此微電子器件有損傷?；蛘咴趯?shí)驗(yàn)后其數(shù)值也超過(guò)了所規(guī)定的范圍值，也可以判定為損傷。

實(shí)驗(yàn)的具體過(guò)程：此次實(shí)驗(yàn)將每三個(gè)器件分為一組，其中器件是否損傷未知，也不做標(biāo)明。在實(shí)驗(yàn)中，會(huì)選取不同的三極管，同時(shí)選取三極管中相同的管腳，對(duì)所選用的管腳做一次靜電放電。實(shí)驗(yàn)需要對(duì)每個(gè)管腳做三次放電，每次放電所采用的電壓是不一樣的。在本次實(shí)驗(yàn)中，我們采用了800V、1200V和1600V三個(gè)電壓。在每次靜電放電結(jié)束后，都要認(rèn)真分析關(guān)鍵測(cè)量的數(shù)值。在程序上，首先判斷800V靜電放電后的結(jié)構(gòu)，結(jié)果如果一組內(nèi)的三個(gè)器件所呈現(xiàn)的靜電放電失效敏感電壓均在標(biāo)準(zhǔn)的范圍，那么就采用1200V電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直到出現(xiàn)某一個(gè)器件損傷或者失效，則此器件放電結(jié)束，停止對(duì)該管腳繼續(xù)靜電放電。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：一是本次實(shí)驗(yàn)中所采用的樣本三極管，均通過(guò)了800V的注入電壓，這也就意味著800V電壓下的靜電放電對(duì)器件的損傷很小，可以忽略。二是對(duì)其中一組進(jìn)行1200V電壓注入實(shí)驗(yàn)中，在對(duì)其中一個(gè)三極管CB結(jié)反向注入時(shí)，測(cè)量數(shù)字超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍，該器件出現(xiàn)損傷情況，該組中的其他兩個(gè)三極管順利通過(guò)。再重新測(cè)量一組器件，仍然會(huì)有一個(gè)器件出現(xiàn)損傷。由此可見(jiàn)，CB結(jié)對(duì)靜電產(chǎn)生的電壓更加敏感，也更加容易出現(xiàn)損傷。三是對(duì)同一個(gè)結(jié)來(lái)說(shuō)，注入方式對(duì)結(jié)果也是有影響的，具體而言，正向注入靜電和反向注入靜電對(duì)器件的損傷閾值是不同的，前者要高于后者。四是當(dāng)注入端對(duì)為CB結(jié)時(shí)，對(duì)應(yīng)的敏感參數(shù)包括集電極-發(fā)射極之間的擊穿電壓和三極管直流電流放大系數(shù)（hFE）。對(duì)于反向擊穿電壓來(lái)說(shuō)，主要表現(xiàn)為數(shù)值下降及出現(xiàn)軟擊穿情況；而對(duì)于正向直流傳輸比hFE來(lái)說(shuō)，表現(xiàn)為數(shù)值下降和曲線的畸變。

2.3 其他三極管實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了讓實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加精準(zhǔn)，本次實(shí)驗(yàn)采用了步進(jìn)法。所謂的步進(jìn)法，就是將步驟分為三個(gè)部分，分別為部進(jìn)點(diǎn)、動(dòng)作和轉(zhuǎn)移條件，隨后再依照原來(lái)的動(dòng)作順序串接起來(lái)，完成整個(gè)過(guò)程。具體而言，此次實(shí)驗(yàn)的器件樣本數(shù)量在20個(gè)以上，注入的電壓步長(zhǎng)數(shù)值比較穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)其他三極管實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：（1）器件的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、工藝影響器件本身對(duì)抗靜電的能力。（2）在器件不變的情況下，不同的靜電放電模型，對(duì)其靜電敏感度也會(huì)有所不同。（3）對(duì)于3358（F32）、2SC3356等高頻低噪聲晶體管來(lái)說(shuō)，反向CB結(jié)的靜電敏感度要高于反向EB結(jié)的靜電敏感度。

3 靜電損傷防護(hù)措施

3.1 提高器件抗靜電干擾能力

提高器件的抗靜電能力，其最主要的辦法就是增加器件本身的抗干擾能力。例如針對(duì)MOS器件，為了增加該器件的抗靜電干擾能力，通常會(huì)在輸入端增加一個(gè)防靜電的保護(hù)網(wǎng)，根據(jù)器件的不同，其保護(hù)網(wǎng)作用的結(jié)構(gòu)也不同，可以是二極管保護(hù)、擴(kuò)散電阻保護(hù)、薄柵MOS管保護(hù)等。除此以外，通常還會(huì)采用增加器件柵的總寬度，這樣也可以提高器件的抗靜電能力。

3.2 建立無(wú)靜電的工作環(huán)境

電子產(chǎn)品在生產(chǎn)和使用的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遭遇靜電，實(shí)際上，很多靜電的產(chǎn)生是可以避免的。例如，微電子器件在制造的過(guò)程中，工作人員可以通過(guò)設(shè)備儀器消除或者減少身體上的靜電，在進(jìn)入工作區(qū)內(nèi)，要隨時(shí)對(duì)溫度、濕度、靜電電壓進(jìn)行檢測(cè)，工作區(qū)內(nèi)埋設(shè)底線等。

3.3 器件在包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中采取周密的防靜電措施

器件在包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存過(guò)程中也是極容易遭遇到靜電的。因此必須采取措施，減少靜電給微電子器件帶來(lái)的影響。在包裝過(guò)程中，器件切勿堆放，不要隨意拆除，拆裝時(shí)不要在靜電的環(huán)境下。在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，將器件裝包裝盒內(nèi)，避免與包裝盒接觸摩擦等，儲(chǔ)存的環(huán)境最宜在5℃～30℃。

4 結(jié) 論

本文重點(diǎn)研究微靜電放電對(duì)微電子器件的損傷，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在不同的靜電放電模型下，測(cè)量了幾種較為常見(jiàn)和使用的微電子器件，旨在研究器件的靜電敏感端對(duì)應(yīng)的靜電放電情況和靈敏參數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，不同的器件由于其結(jié)構(gòu)、材料、外部環(huán)境的不同，其對(duì)抗靜電放電的能力也是不同的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，反向CB結(jié)的靜電敏感度要高于反向EB結(jié)的靜電敏感度，注入器件不同端對(duì)時(shí)，靈敏參數(shù)一般包括反向擊穿電壓、直流電流放大系數(shù)和反向漏電流，而極間電容和噪聲系數(shù)對(duì)靜電不敏感。

參考文獻(xiàn)：

[1] EN 61340-3-1-2002，Electrostatics-Part3-1：methods for simulation of electrostatic effects-Human body model（HBM）-component testing [S].2002.

[2] GJB 33A-1997半導(dǎo)體分立器件總規(guī)范 [S].機(jī)械電子工業(yè)部電子標(biāo)準(zhǔn)化研究所，1997.

[3] 楊士亮.半導(dǎo)體器件電磁脈沖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究 [D].石家莊：軍械工程學(xué)院，2005.

作者簡(jiǎn)介：楊嗣帥（1991-），男，漢族，安徽淮北人，本科。研究方向：微電子科學(xué)與工程。