半导体器件生产中的静电与防护- 『防雷工程施工方案』

半导体器件生产中的静电与防护- 『防雷工程施工方案』 - 电磁兼容;EMC ...

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摘要:绝大多数半导体器件都是静电敏感器件，而在生产过程中静电又是无处不在的，生产厂必须时静电防护措施给予充分的重视。生产厂应通过对器件采用防静电设计，并在生产过程中对静电采用泄漏、屏蔽和中和等控制原理，采取静电接地、穿戴防静电工作服、使用防静电台面、地面、工具及周转箱、防静电包装袋等措施，建立一个完整的静电防护体系。生产厂还应建立防静电系统的周期侧试和监控制度，保证防静电设施起到有效的防护作用，避免和减少器件在生产过程中的静电损伤，交付用户高质量高可靠的产品。( F5 A8 t8 f5 n" g
关键词:半导体器件;静电损伤;静电放电;防静电措施5 u! l v: w/ C$ r' E

0引言* s3 O4 E" N9 q4 v3 v4 Z
随着半导体制造技术的日益发展，互连导线宽度与间距越来越小，集成电路的集成密度越来越高，同时带来的问题是器件的耐静电击穿电压也越来越低，因此在半导体器件的研制生产过程中必须重视静电的影响，采取静电防护措施。本文给出了
半导体器件生产中静电产生的原因、特点、静电放电的模型和分级，综合分析了静电防护的方法和措施，并指出生产中的静电损伤是影响器件可靠性的重要因素之一，生产厂必须建立静电防护体系，进行全面防护t.sl0
静电的来源
在半导体器件的生产、传递、包装、运输、贮存、使用等各环节都可能产生静电，人与物体之间的摩擦、接触和分离等产生的静电是半导体器件和集成电路生产中主要静电源之一。工作服与工作台面、座椅摩擦时，可在服装表面产生6 000 V以上的静电电压;橡胶或塑料鞋底的绝缘电阻高达10" SZ，与地面摩擦时会产生静电;运输时器件表
面与包装材料摩擦能产生几百伏的静电电压;用高分子材料制作的各种料盒、周转箱、PCB架等都可能因摩擦、冲击产生1一3.5 kV的静电电压;电烙铁、波峰焊机、再流焊炉、贴装机、调试和检测等设备内的高压变压器、交/直流电路都会在设备上感应出静电，烘箱内热空气循环流动与箱体摩擦也会产生大量的静电荷。
2静电的危害
2.1静电吸附
在器件生产过程中，由于大量使用了石英及高分子物质制成的器具和材料，其绝缘度很高，使用中一些不可避免的摩擦会造成其表面电荷不断积聚，电位越来越高。由于静电的力学效应，使工作场所的浮游尘埃吸附于芯片表面，从而改变线条间的阻抗，影响半导体器件的功能与寿命。* g9 z# X4 T) t6 f7 C5 N2 C) i4 c
2.2静电放电(ESD)造成电击穿% T0 x- `, c' k% f# }
由静电放电引起元器件的电击穿是静电危害的主要方式。造成器件损伤的主要机理有热二次击穿、金属镀层熔融、介质击穿、气弧放电、表面击穿、体击穿等。静电放电可能造成器件硬击穿或软击穿。
图1是陶瓷基片上的薄膜电阻受到静电损伤后的照片，从图中可见金属薄膜已经有不规则的裂纹，损伤初期表现为软击穿，器件还能维持原有的电性能，但如果再次受到损伤或长时间工作后，可能造成器件的{yj}性失效

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3静电损伤的特点* L) a! y# W2 _/ z8 I
3.1隐蔽性, b3 o0 L1 c& M6 u
除非发生静电放电，人体不能直接感知静电，而且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2 - 3 kV，所以静电具有隐蔽性。
3.2潜在性和累积性
有的电子元器件受到静电损伤后，虽然性能没有明显的下降，但多次累加放电就会形成隐患或导致失效。
3.3随机性/ E: h  _+ f4 I" E2 `7 K
一个元器件从生产过程开始，一直到它损坏以前，所有的过程都会受到静电的威胁，而这些静电产生的时机和大小是具有随机性的。
3.4复杂性
静电损伤的失效分析，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。
4静电放电的三种模式4 ]; J- u0 l! a
4.1带电人体的放电模式(H日M)1 R# e; V& S$ F8 w/ ]
由于人体会与各种物体间发生接触和摩擦，又与元器件接触，所以人体静电是造成元器件损伤的主要原因。
通常按能承受的静电放电电压，对器件进行静电放电敏感度(ESDS)分级，IEC  60747-26:2006}a;中给出的人体模式ESDS分级标准见表to
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静电防护的方法
防静电设计$ j' X' \% `2 E- c; {
在半导体器件的设计中，应在器件内部设置静电防护元件，提供适当的输人保护，使其避免ESD的伤害。常用的防护元件有电阻一二极管防护网络、电容、双极晶体管、可控硅整流器等。
5.2控制静电放电! j6 Y# l1 G0 {, c' N, E1 a7 Y
控制静电放电要从控制静电的产生和促使静电的xx两方面人手。控制静电的产生主要是控制工艺过程和所用材料的选择;促使静电的xx主要是加速静电的泄漏及中和。这两方面共同发挥作用才能达到静电防护的目的。% }# A9 D# H9 _- ]( q W- i9 @
(1)控制法:对工艺流程中材料的选择、装备安装和操作管等过程应采取预防措施，控制静电的产生和电荷的聚集，抑制静电电位和放电能量，使危害降到最小程度。' Q5 a% f! r4 f
(2)泄漏法:采用边产生边泄漏的办法防止静电荷的聚集，使静电荷通过泄漏达到xx，一般采用静电接地使电荷向大地泄漏。8 l) I- Q8 E9 r- C! W
(3)屏蔽法:采用接地的屏蔽罩把带电体与其他物体隔离开，这样带电体的电场将不影响周围其他物体，这种屏蔽方法叫内场屏蔽。有时也用接地的屏蔽罩把被隔离物体包围起来使被隔离物免受外界电场的影响，这种屏蔽方法叫外场屏蔽。& S+ g3 y! b) \) b, e; A
(4)复合中和法及其他:通过复合中和法来达到静电荷的xx。当绝缘物体带电时，电荷不能流动，无法进行泄漏，通常用静电xx器所产生的正负离子来中和带电体的电荷，并有可能使带电物体表面光滑以及周围环境更加清洁，从而减少{jd0}放电的可能性。
6静电防护措施
6.1埋设防静电地线
防静电地线应独立埋设，不宜与建筑物的接地线和三相电的零线接地点共用。埋设点应距建筑物和设备地20 m以外，为保证接地的可靠，至少应有三点以上接地，再用厚铜排将这三处焊接在一起，用绝缘铜芯线焊上引人室内为干线。用接地电阻测试仪
测量，接地电阻应小于10 SZ，每年至少测试一次。
6.2铺设防静电地线. Y- T. F5 Y3 p4 z
防静电地线应使用多股铜芯绝缘线，每楼层或适当区段用铜排或开关与主干线相连，地线应与设备外壳、工作台铁架等良好绝缘，防止短路、搭连或破皮连接。每个工作间设2一3个检查点，标识清楚。使用指针式万用表电阻档，测量各测试点与; p" C ~) t% D @
防静电地线间电阻(5一巧O)和防静电地与设备地间电阻(10一105 S2) o
6.3铺设防静电地板
防静电地板是复合结构，下层为导电层与防静电地连在一起，上层为绝缘防静电产生层，铺设时导电层用绝缘垫与建筑物地面和墙壁隔开，防止雷击时地板带静电，导电层通过1 MSZ, 20 W电阻与防静电地连接，起到静电屏蔽和电磁屏蔽作用。简
易防静电地板仅有绝缘防静电产生层，多为涂料或地板胶，造价低，只能起到防行走产生的静电作用。
6.4使用防静电工作台面
防静电工作台面采用表面电阻1护SZ/cm以下的所谓静电导体，以及表面电阻105一Ifl} S)/cm的静电亚导体作为防静电材料。防静电橡胶绿色面为防静电产生层，电阻较大，表面电阻1护一10`0 ,t?/cm,黑色面电阻较小，表面电阻1(}'一1护}1/cm，可通过专用静
电手环导线(内含1 MS2电阻)接地。另一种铺设方法是在绝缘台面上放0.2 mm厚铁板或铜箔，焊好导线通过1 MS7,电阻连接到静电地线，然后铺平防静电橡胶(黑面向下，贴紧导电片)。串接1 MS2电阻是为了确保对地泄放的电流小于5 mA，起防) L7 m7 D+ n# F' C0 {
止过速放电打火和隔离的作用，称为软接地。座椅也应采用防静电椅，并通过1 MS1电阻接静电地。桌垫的防静电性能应每六个月检查一次，接地性能. k* J7 ?0 U4 |$ \- s3 u
每月检查一次。/ O/ q. y' ~8 ~6 S" v0 h- x6 z
6.5电烙铁、锡炉、测试仪器等用电设备接地电烙铁、锡炉、测试仪器等必须用三端插头妥善接地，应每班检测，可用自制简易通断指示灯测
试，发现问题立即更换。0 d2 g% Z4 S8 P6 J% l
6.6穿带防静电服(衣、鞋、手套等)
防静电服是用特殊合成纤维织成的布料，一般情况下揉搓摩擦不会产生静电，但它不是静电屏蔽服，它不能xx身上其他衣料产生的静电，故正确穿着应是里面只穿一件衬衣或内衣，外着防静电服。防静电手套(指套)具有防止静电产生、使手( `3 t! X# @8 o0 V# Y- R' W
与产品隔离、防止汗渍污染产品等多重作用，在生产过程中是必用的。/ a' K: @; R$ t3 V% G
6.7佩戴防静电腕带5 X5 }9 C& d$ L- x
防静电腕带是由紧贴手腕的环带通过线内1 MSZ电阻由导线、鳄鱼夹接地。腕带应与皮肤紧密接触，不得松驰或隔以衣物;应用鳄鱼夹根部夹持静电地线裸露部分，而不应使用前端齿部夹持;静电腕带应每班上午、下午各测一次并记录，松紧
以通过测试为准，不合格的应立即调整或更换。" J! ]1 N/ o) r
6,8用中和法xx非导体带的静电! q7 r* b4 G$ N" y
对于绝缘体上的静电，电荷不能在绝缘体上流

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动，因此不能用接地的方法xx静电，但可以利用极性相反的电荷来中和。如使用离子风机，其产生的正、负离子可以中和静电，或使用静电xx剂。# s! M4 ?7 U3 @
6.9采用防静电周转箱; i: `( e+ \7 i* l6 x
工序间转运应用防静电储运车或卡箱(其表面电阻不大于I护SZ/cm )，通过1 M}电阻妥善接静电地，储运车或周转箱的防静电性能应每六个月检查- w! G) ^4 Z6 ~
一次。1 K7 E1 S$ Q* ~$ ^- Y
6.10采用防静电包装材料
防静电包装材料分为静电屏蔽材料和防静电材料两类，它们的作用是不同的。静电屏蔽材料有铝箱型不透明和黑色、灰色半透明材料，屏蔽层将静电势均匀分布于整个包装表面，降低表面电势差，同时对高频强电磁场也有良好屏蔽作用。防静电材料(袋、垫)多为粉红色，仅用来作为静电敏感器件的廉价垫衬和中介包装物，它只是自身不易产生
静电而已，如果有静电放电发生，则能穿过这些防静电材料对器件造成危害。静电敏感器件的包装必须用静电屏蔽材料。通常外包装为2一3层静电屏蔽材料，内部使用黑色高阻导电材料做支撑，可以屏蔽并中和各引脚静电势，提供静电泄放通路。+ H+ d/ C$ t1 X& L9 I# T% U
6.11相对湿度的调控
空气中的相对湿度对产生的静电电压的影响很大，干燥环境中比湿润环境中产生的静电电压高1个数量级，控制湿度可以大大减少静电的产生。* S: O8 f! O1 M3 b2 x

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8结语
半导体器件的研制生产单位普遍对静电防护工作重视不够，没有认识到静电防护也是可靠性工作的一部分。通过近几年的工艺技术改进，漏气、键合点悬浮、内部多余物等质量问题有较大幅度减少，但静电损伤造成的元器件失效还占有一定的比& _, m" B; s2 f* R, |. j6 H
例，在半导体器件的研制生产过程中必须重视静电防护工作。半导体器件生产中的静电防护是一项系统工程，应贯彻整体防护思想，综合运用均压、接地、泄流、屏蔽和籍位等技术，采取全面的、系统的、有效的方式对静电进行控制和防护，形成一个
完整的防护体系。只有在设计、生产、传递、包装、检验和储运等各环节都采取静电防护措施并建立周期监测制度，才能实现对静电敏感器件的有效
防护，为用户提供高质量、高可靠的器件，才能满足航空、航天等领域对元器件的高可靠要求。

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