靜電放電模型及其失效特征分析

王斌+朱薇+陳業剛

摘 要：該文通過從理論入手，分析了3種靜電放電模型，即：人體模型、機器模型及帶電器件模型，找出3種靜電放電模型所導致的器件失效特征，進而更加有效地幫助企業找出靜電放電的根源，從而加強改進靜電防護措施，減少因靜電放電引起的不必要損失，提高產品可靠性。

關鍵詞：人體模型 機器模型 帶電器件模型 靜電防護

中圖分類號：TN406 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）07（b）-0057-02

作為近場自然危害源的一種，靜電給現代生活已經造成了巨大損失和嚴重危害。近年來，隨著微型電子領域的飛速發展，電子產品的更新速率越來越快，集成化程度越來越高。這些高度集成化的電子元器件和集成電路在流通和使用的過程中非常容易受到來自人體和外界環境中的靜電源干擾，如不采取靜電防護措施，將會損失慘重。作為隨機過程的一種，靜電放電過程復雜且多變，靜電放電的形式各種各樣，同一種靜電源對不同的物體發生靜電放電時導致的結果也不盡相同。溫度、濕度等環境條件對靜電放電影響嚴重，這就導致很難得到具有重復性的放電結果，難以有效地對ESD靜電放電效應和危害進行正確的評估。因此，根據理論分析和討論不同場合下靜電放電的特點并建立相對應的ESD放電模型很有必要。

1 靜電放電模型

根據放電源和放電形式的不同，可以建立起多種靜電放電模型，用來分析靜電放電的主要特征。在微電子領域，有以下3種靜電放電模型經常被用來討論。

1.1 人體放電模型（HBM）

人的身體作為產生靜電危害的最主要的根源之一，其接觸或摩擦材料（例如人體服裝）所產生的靜電荷很容易傳輸到皮膚的導電汗層使人體帶電。人體靜電放電模型是根據帶靜電的人體與電子元器件的外引腳接觸，通過電子元器件對地放電，致使元器件失效而建立的。人體作為一個優良導體，能儲存一定量的靜電電荷。目前較廣泛使用的人體靜電模型等效電路如圖1所示。測試電路是將人體等效成電阻和電容大小分別為1 500 Ω和100 pF。

1.2 機器模型（MM）

機器模型是來模擬帶電的物體對電子元器件發生靜電放電的情形，機器模型又可以稱作金屬模型。機器模型的等效電路是采用電容值為200 pF的電容直接地對電子元器件進行放電。機器模型是模擬導體帶電后對電子元器件的作用，例如我們常見的自動流水裝配線上的電子元器件遭受來自帶電金屬構件對器件的靜電放電，機器模型同樣也可以用來模擬帶電的工具和測試夾具等對器件的放電[1]。機器模型典型模擬電路如圖2所示。

1.3 帶電器件模型（CDM）

在加工﹑運輸﹑儲存等過程中電子元器件自身與操作臺面或者包裝材料等物體接觸摩擦導致物體帶電。此時，若帶電的電子元器件靠近或接觸導體便會發生靜電放電現象[2]。通常，帶電元器件在帶電時，在金屬管腳上集中大量的靜電電荷，僅有很少的靜電電荷集中在非金屬的封裝上。由于帶電器件模型的電阻值R非常小，在靜電放電的過程中管腳的電感L對放電的影響不可忽視，因而帶電器件放電模型的等效電路可以看作是一個串聯的RLC的諧振電路。

2 電子元器件ESD失效類型與失效機理

2.1 失效類型

ESD失效類型基本上可分為兩類：一類稱為軟失效（間歇、翻轉失效），另一類可稱為硬失效（擊穿、破壞失效）。

軟失效通常的表現形式是信息的丟失或者功能的短暫消失或變壞，硬件并沒有發生損壞。軟失效的具體表現形式是在靜電放電期間，性能降級是允許的。然后在放電之后，工作狀態不應改變，存儲的數據不應丟失。

硬失效是指由于ESD引起電子元器件電氣超載的結果。也有可能一次ESD并未引起硬失效，但多次ESD發生后卻引起了硬失效，原因可能是在一定程度上受損的ESDS元器件，需要工作應力和時間來引起性能進一步退化，并最終使其遭受致命性失效。

2.2 失效機理

ESD失效機理主要包括：熱二次擊穿、金屬化熔融、介質擊穿、氣體電弧放電、體積穿等。下面分別介紹。

（1）熱二次擊穿：熱二次擊穿是指半導體材料的熱時間常數一般比ESD脈沖的瞬變時間大得多，從產品的散熱區域有一些熱擴散出來，形成很大的溫度差在器件表面。這個巨大的溫度差接近材料的融化溫度，從而導致器件因融解引起設備故障并導致短路。

（2）金屬化熔融：靜電放電發生時，瞬時的大電流和能量導致元器件的溫度快速升高，這個快速的升溫能夠熔化金屬化層或使引線燒熔。金屬化熔融與面積大小、電流的持續時間有關。

（3）介質擊穿：當在絕緣區兩端施加的電壓超過該區域固有的擊穿電壓特性時，將會發生介質擊穿。

（4）氣體電弧放電：當元器件中未被鈍化的薄層電極之間間距很小時，氣體電弧放電能使其性能退化。電弧放電會引起汽化而且使金屬常常離開電板而移動。

（5）體積穿：在結區，由于局部高溫，使結的參數變化，引起體積穿。

3 靜電放電模型失效特征分析

3.1 人體靜電模型的ESD失效特征

人體靜電放電導致的元器件失效有多種表現形式，比如輸入/輸出管腳漏電、電源腳漏電、功能失效和降低的反向擊穿電壓。人體靜電模型導致的失效，如果是物理性損傷主要是位于輸入/輸出腳的靜電放電保護電路里；如果是元器件表現為電源腳漏電或者功能性失效，物理損傷也可能位于器件的核心電路里[3]。

3.2 機器模型的ESD失效特征

機器模型的ESD失效特征表現在，失效元器件的電學特征和器件的損傷形貌及位置和人體靜電模型的ESD失效類似。

3.3 帶電器件模型的ESD失效特征

帶電器件模型的ESD失效特征主要表現在，失效器件的損傷位置不在ESD保護電路里而是發生在第一個輸入緩沖級。損傷表現形式主要是多晶硅損傷或多晶硅柵邊緣下的柵氧化層擊穿，無電弧擊穿。

4 結語

靜電放電是高電位、強電場、瞬時大電流的過程。由于ESD的多樣性，使得難以有效地對ESD的危害及其應用進行有效的評估。通過靜電放電試驗模型的討論，能夠對ESD實際產生的危害進行深入研究。盡管放電是不可避免的，但是可以通過人為采取有效的措施得到預防和控制。

參考文獻

[1] 孫可平，Albert Kow.靜電放電防護與控制技術[M].大連海事大學出版社，2007.

[2] 劉尚合，武占成.靜電放電及危害防護[M].北京郵電大學出版社，2004.

[3] 王俊濤.人體ESD模擬器的研究[D].北京：北京郵電大學，2008.