元器件应用中的静电防护

元器件应用中的静电防护
西安微电子技术研究所  曹宏斌   （西安710054）
中图分类号：TN409文献标识码：A文章编号：1563－4795(2000)11－35－03
1概述
一般人认为，敏感器件在工业应用中，只要在防静电区内穿戴一套（工作服、防静电鞋、帽）防静电工作衣，在防静电区内铺设防静电桌、地垫，工作时戴防静电腕带就起到了防静电作用。但实际情况并不是那么简单，防静电技术是一门系统工程，任何一个环节的疏忽，就会引起敏感器件的损伤。本文通过几个事例来说明防静电技术在工业应用中常出现的几个误区。
2误区之一
敏感器件的随意包装引起的静电损伤
器件包装形式多种多样,有黑色的永久性的防静电包装管，有喷涂一层抗静电剂的白色透明防静电塑料管。前一种防静电包装管价格昂贵，可以反复使用。而后一种防静电包装管价格便宜，为一次性使用品。后一种防静电包装管使用前未经测量不得使用，否则会引起包装管内的器件失效。
白色透明防静电塑料管是用聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯为材料制成的，在塑料管上浸泡或喷涂一层HZ－1抗静电液剂，凉干后成为防静电包装管。它的防静电能力取决于抗静电剂的涂层厚度及管子的保存环境。一般防静电包装管表面电阻为106Ω～109Ω。使用寿命一般为三个月至一年。随着保存时间的延长，包装管表面电阻会逐渐增大，成为绝缘材料，即表面电阻大于1012Ω。
大部分进口电路均采用白色透明防静电包装管包装器件。虽然包装管标有防静电标识，但随着出厂日期的延长，白色透明防静电包装管逐渐退化为绝缘材料。使用者并不知道包装管的退化情况，有时继续反复使用。实际上防静电包装管已失去防静电作用。这样，包装管内的器件很容易受到静电损伤。包装管的防静电标识只是起到操作中的警示作用。
如某研究所从国外买回一批CMOS电路，要求在上机前必须经过二次筛选、老炼以及粗、细检漏。在上述试验过程中出现了13%的电路失效，怀疑上述过程防静电措施有纰漏。他们花了大量的人力、物力经过详细检查、取证，未发现防静电措施有不完善之处。
最后不得不怀疑白色透明防静电包装管，截取一段防静电包装管进行表面电阻测试，发现防静电包装管表面电阻已退化为1012Ω，即为绝缘材料。初步认为：
（1）性能退化的防静电包装管损坏了该批CMOS电路。
（2）该批电路的防静电能力不高。
为了证实以上结论，组织专业部门进行了模拟试验。
（1）把刚测试合格的几块CMOS电路装入已失效的防静电包装管中，并使CMOS电路在包装管中来回晃动几下，再取出包装管中的电路进行测试，出现了失效的电路。经过反复试验，出现重复性；
（2）拿几块合格的CMOS电路进行抗静电能力测试。测试结果为一级（0～1999）V。实测试结果，该批CMOS电路的抗静电能力为（600～1100）V。
　　分析：
1）绝缘材料的防静电原理与导体或半导体材料的防静电原理有所不同。
2）导体或半导体材料上的静电积累电荷，靠防静电桌、地垫向地缓慢泄放(防静电地线串有1MΩ的电阻)。
3）绝缘材料上的静电积累电荷不能靠防静电桌、地垫向地缓慢泄放,因为绝缘材料上的积累电荷不能移动,只能靠静电中和法或喷涂法中和绝缘材料上的积累电荷。
 
图1高速数据保护
　　因此,把防静电能力已退化的绝缘材料作为包装管,将使器件容易受到静电损伤。
结论：
　　1）白色透明防静电包装管为一次性的包装管。最好不要反复使用。使用时间较长的白色透明防静电包装管容易退化为绝缘材料。
　　2）白色透明防静电包装管在使用寿命期内，一般在使用前要经过表面电阻测试。
　　3）装入防静电包装管内的器件不能晃动，在传递、运输中严禁管内器件摩擦生电。
　　4）白色透明防静电包装管的防静电标识只能作为操作中的防静电警示语，不能保证包装管出厂后的防静电能力退化情况。
　　5）建议采用黑色永久性的防静电包装管或盒子包装敏感器件。
3误区之二
　　芯片盒的随意使用引起芯片表面镜检合格率下降
　　军用集成电路的芯片一般都要进行严格的芯片表面镜检，以剔除芯片表面缺陷和颗粒尘埃。芯片包装盒应该使用永久性的防静电包装盒，包装盒内有锡箔薄膜复盖，作为芯片静电屏蔽。实验证明，采用有机玻璃盒或透明塑料盒易产生静电电场，特别是当盒子被打开的一瞬间，盒、盖的静电电场的重新分布，可以看到微小的芯片会在盒内竖立起来，并使静电电场吸收空气中的颗粒尘埃，使合格的芯片受到二次颗粒尘埃污染。即使刚刚镜检通过的合格芯片可能出现不合格，使芯片表面镜检合格率下降。
　　因此，有机玻璃盒或透明塑料芯片盒应该禁用。喷涂一层抗静电剂的塑料芯片盒，虽然具有防静电功能，但喷涂抗静电剂的防静电盒随保存时间的延长，环境温度、湿度的变化，较长期的使用，寿命很难保证，不能保证不出问题。
4误区之三
抗静电能力低的器件如何使用
对于器件的用户来讲，抗静电能力高的器件总比抗静电能力低的器件受欢迎。但随着超大规模集成电路的发展，采用了按比例缩小的设计，以实现体积小、重量轻、功耗小、集成度高，解决器件的高性能、高可靠、低投入、高产出、快周转等方面的优势。在制造工艺中普遍采用了浅结、薄氧化层等一系列的微细加工技术，器件的抗静电能力越来越差。
　　器件的抗静电能力又因器件的设计、制造工艺而有所不同。比如，CMOS，与PMOS、NMOS器件比较，虽然抗静电能力在同一数量级，但CMOS器件比PMOS、NMOS器件的抗静电能力略高几百伏。
　　用户提出抗静电能力高的器件要求，在某种程度上来说，不太现实。第一，抗静电能力高的器件在设计、制造工艺中比较复杂，成本较高。第二，抗静电能力高的器件价格昂贵，整机成本上升。
　　鉴于以上情况，建议设计整机时，在抗静电能力低的敏感器件中的输入/输出端加一个防雷击、防过压、防静电、抗干扰的一种瞬态电压抑制电路（TVS），可有效地提高整机的抗静电能力。瞬态电压抑制电路在通讯、计算机、I/O端口、信号的输入/输出保护等其它高科技领域已获得广泛的应用。
　　瞬态电压抑制电路（TVS）是一种高效能的保护器件。当瞬态电压保护二极管受到反向瞬态高能量冲击时，它以1×10－12s量级的速度，将其两极间的高阻抗变成低阻抗。吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，有效地保护了电子线路的敏感元件，免受各种浪涌脉冲的损伤。该器件具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低、箝位电压易控制、没有损伤极限、体积小等优点，在各个领域已得到广泛的应用。
下面为瞬态电压保护二极管在敏感器件上的应用事例。
5误区之四
　　敏感器件的接口方式
　　在整机电子线路设计中，敏感器件作为整机界面输入/输出端使用时，连接器的接口形式相当重要，用圆形或线簧连接器针座会引起敏感器件静电损伤。圆形或线簧连接器针座的引出端易受触摸而带静电，当静电积累达到敏感器件某一阈值时，器件就会受静电损伤。连接器的接口使用圆形或线簧连接器孔座（未有引线暴露在外面）就可以避免上述情况发生。
 
图2典型微处理机保护
 
图3感应转换或负载保护
 
图4运算放大器保护
6误区之五
穿防静电工作衣必需与地保持同电位
在IC芯片生产中，一定要穿连体防静电工作衣，它的目的有二条：
　　（1）避免尘埃移动，影响产品质量；
　　（2）不易产生静电积累，有效保护器件不受伤损。
　　众所周知，人体带电与身穿衣料、走路快慢、身体肥胖有关。当两人携带不同电位的电荷，相距某一距离时，异性（正、负）电荷就会吸引，同性电荷就会排除，如下所示。   　　这种吸引、排除力F与距离r2成反比，与Q1、Q2电荷量成正比。如下式所示： 这种异、同性电荷受吸引、排除力时会携带尘埃颗粒移动，以达到电平衡。在IC芯片制造中，穿连体防静电工作衣第一是屏蔽自身衣料携带的电荷不能向外传递。第二是连体防静电工作衣通过地垫把静电泄放，使人体与地同电位。同电位的电荷就不会传递、移动。不仅保证了净化厂房干净，而且保证了产品质量不受二次微小尘埃颗粒污染。
　　比如，在IC制造业中，当刚刚清洗完一批硅片（假如硅片上的自然氧化层为零），硅片表面形成了许多悬挂键，这种悬挂键失去了电平衡，它千方百计地吸收外界电荷尘埃颗粒，以达到电平衡。大面积抛光硅片很难清洗的原因是：
　　1）抛光硅片在清洗时随时随地会吸收化学试剂中的微小颗粒；
2）暴露在空气中的抛光硅片，由于悬挂键作用，会吸收空气中的微小尘埃颗粒。
　　如果每个人都穿连体防静电工作衣，并与大地保持同电位，没有电位差存在，空气中就没有尘埃颗粒移动。抛光的硅片至少不会受空气中的尘埃污染，确保了产品质量。
　　在整机装配、装连、调试中，工作人员常常穿防静电白大褂，与大地不可能保持同电位，存在着电位差，空气中就有可能出现尘埃颗粒移动。在整机方面这不是主要矛盾，主要矛盾是在整机装配、装连、调试中对敏感器件进行静电保护。因此，在整机装配、装连、调试中，必需配带防静电腕带，使静电积累通过腕带泄放于大地，不至于因静电损坏敏感器件。