在半导体制造领域,电气过应力(EOS)和静电放电(ESD)是导致芯片失效的两大主要因素,约占现场失效器件总数的50%。它们不仅直接造成器件损坏,还会引发长期性能衰退和可靠性问题,对生产效率与产品质量构成严重威胁。
关于ESD
ESD(Electrostatic Discharge) 即静电放电,指物体因接触摩擦积累电荷后,与导体接近或接触时发生的瞬间电子转移现象。放电电压可达数千伏,能直接击穿敏感的半导体结构。
其产生方式主要包括:人体放电模型(HBM)——人体静电经芯片引脚放电;机器放电模型(MM)——自动化设备累积静电传导至芯片;元件充电模型(CDM)——带电芯片引脚接触接地体时内部电荷释放;电场感应模型(FIM)——外部电场变化引发芯片内部电荷重分布。
ESD的危害呈现多重性:一是直接造成晶体管击穿、金属连线断裂等物理损坏;二是引发阈值电压漂移等参数退化,导致性能不稳定;三是形成微观损伤,降低器件长期可靠性;四是导致数据丢失或误操作,威胁系统安全。其隐蔽性和随机性进一步增加了防控难度。
关于ESD的防护需采取综合措施:
耗散:使用表面电阻为10⁵–10¹¹Ω的防静电台垫、地板等材料;
泄放:通过接地导线、防静电手环/服装/鞋实现人员与设备接地;
中和:在难以接地的区域采用离子风机中和电荷;
屏蔽:利用法拉第笼原理对静电源或产品进行主动/被动屏蔽;
增湿:提高环境湿度作为辅助手段;
电路设计:在敏感元器件集成防静电电路,但需注意其防护能力存在上限。
关于EOS
EOS(Electrical Over Stress) 指芯片承受的电压或电流超过其耐受极限,通常由持续数微秒至数秒的过载引发。
主要诱因包括:电源电压瞬变(如浪涌、纹波)、测试程序热切换导致的瞬态电流、雷电耦合、电磁干扰(EMI)、接地点反跳(接地不足引发高压)、测试设计缺陷(如上电时序错误)及其他设备脉冲干扰。
EOS的失效特征以热损伤为主:过载电流在局部产生高热,导致金属连线大面积熔融、封装体碳化焦糊,甚至金/铜键合线烧毁。即使未造成物理破坏,也可能因热效应诱发材料特性衰退,表现为参数漂移或功能异常。更严重的是,EOS损伤会显著降低芯片的长期可靠性,增加后期故障率。
EOS防护的核心是限制能量注入:
阻容抑制:串联电阻限制进入芯片的能量;
TVS二极管:并联瞬态电压抑制器疏导过压能量,建议搭配电阻使用以分担浪涌冲击;
材料防护:采用静电屏蔽包装和抗静电材料;
工作环境:使用防脉冲干扰的安全工作台,定期检查无静电材料污染;
设计加固:优化芯片耐压结构及布局走线,减少电磁干扰影响。
芯片级保护器
为应对ESD/EOS威胁,需在电路中增设专用保护器件:
ESD保护器:吸收并分散静电放电的高能量,防止瞬时高压脉冲损伤核心芯片,作用类似"防护罩"。
EOS保护器:限制过电压幅值,通过疏导能量充当"安全阀",避免持续过应力导致热积累。
不同应用场景对保护器参数要求各异:
汽车领域:需耐受-55℃~150℃极端温度、36V高电压及300A浪涌电流,符合AEC-Q101认证;
工业与物联网:要求-40℃~85℃工作范围及±15kV ESD防护能力,通过JEDEC标准;
消费电子:侧重低结电容(0.1pF~2000pF)和±8kV ESD防护,适应2.5V~30V电压环境。
保护器通常置于信号线/电源线与核心IC之间,确保过电压在到达敏感元件前被拦截,显著提升系统鲁棒性。
失效分析与防控策略
区分ESD与EOS失效是诊断的关键:ESD因纳秒级高压放电,多表现为衬底击穿、多晶硅熔融等点状损伤;而EOS因持续热效应,常引发氧化层/金属层大面积熔融或封装碳化。但短脉冲EOS与ESD损伤形态相似,且ESD可能诱发后续EOS,此时需通过模拟测试复现失效:对芯片施加HBM/MM/CDM模型(ESD)或毫秒级过电应力(EOS),对比实际失效特征以确定根源。
产线改良需针对性施策:
加强ESD防护:检查人员接地设备、工作台防静电材料有效性,控制环境湿度;
抑制电气干扰:为电源增加过压保护及噪声滤波装置,避免热插拔操作;
优化接地设计:杜绝接地点反跳(电流转换引发高压);
规范操作流程:严格执行上电时序,隔离外部脉冲干扰源。
Previous:使用电阻前,需要了解哪些需求参数
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model | brand | Quote |
---|---|---|
MC33074DR2G | onsemi | |
TL431ACLPR | Texas Instruments | |
CDZVT2R20B | ROHM Semiconductor | |
RB751G-40T2R | ROHM Semiconductor | |
BD71847AMWV-E2 | ROHM Semiconductor |
model | brand | To snap up |
---|---|---|
TPS63050YFFR | Texas Instruments | |
ESR03EZPJ151 | ROHM Semiconductor | |
IPZ40N04S5L4R8ATMA1 | Infineon Technologies | |
BU33JA2MNVX-CTL | ROHM Semiconductor | |
BP3621 | ROHM Semiconductor | |
STM32F429IGT6 | STMicroelectronics |
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