元器件應(yīng)用中的靜電防護(hù)
西安微電子技術(shù)研究所? 曹宏斌?? （西安710054）
中圖分類號：TN409文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1563－4795(2000)11－35－03
1概述
一般人認(rèn)為，敏感器件在工業(yè)應(yīng)用中，只要在防靜電區(qū)內(nèi)穿戴一套（工作服、防靜電鞋、帽）防靜電工作衣，在防靜電區(qū)內(nèi)鋪設(shè)防靜電桌、地墊，工作時(shí)戴防靜電腕帶就起到了防靜電作用。但實(shí)際情況并不是那么簡單，防靜電技術(shù)是一門系統(tǒng)工程，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的疏忽，就會引起敏感器件的損傷。本文通過幾個(gè)事例來說明防靜電技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用中常出現(xiàn)的幾個(gè)誤區(qū)。
2誤區(qū)之一
敏感器件的隨意包裝引起的靜電損傷
器件包裝形式多種多樣,有黑色的永久性的防靜電包裝管，有噴涂一層抗靜電劑的白色透明防靜電塑料管。前一種防靜電包裝管價(jià)格昂貴，可以反復(fù)使用。而后一種防靜電包裝管價(jià)格便宜，為一次性使用品。后一種防靜電包裝管使用前未經(jīng)測量不得使用，否則會引起包裝管內(nèi)的器件失效。
白色透明防靜電塑料管是用聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯為材料制成的，在塑料管上浸泡或噴涂一層HZ－1抗靜電液劑，涼干后成為防靜電包裝管。它的防靜電能力取決于抗靜電劑的涂層厚度及管子的保存環(huán)境。一般防靜電包裝管表面電阻為106Ω～109Ω。使用壽命一般為三個(gè)月至一年。隨著保存時(shí)間的延長，包裝管表面電阻會逐漸增大，成為絕緣材料，即表面電阻大于1012Ω。
大部分進(jìn)口電路均采用白色透明防靜電包裝管包裝器件。雖然包裝管標(biāo)有防靜電標(biāo)識，但隨著出廠日期的延長，白色透明防靜電包裝管逐漸退化為絕緣材料。使用者并不知道包裝管的退化情況，有時(shí)繼續(xù)反復(fù)使用。實(shí)際上防靜電包裝管已失去防靜電作用。這樣，包裝管內(nèi)的器件很容易受到靜電損傷。包裝管的防靜電標(biāo)識只是起到操作中的警示作用。
如某研究所從國外買回一批CMOS電路，要求在上機(jī)前必須經(jīng)過二次篩選、老煉以及粗、細(xì)檢漏。在上述試驗(yàn)過程中出現(xiàn)了13%的電路失效，懷疑上述過程防靜電措施有紕漏。他們花了大量的人力、物力經(jīng)過詳細(xì)檢查、取證，未發(fā)現(xiàn)防靜電措施有不完善之處。
最后不得不懷疑白色透明防靜電包裝管，截取一段防靜電包裝管進(jìn)行表面電阻測試，發(fā)現(xiàn)防靜電包裝管表面電阻已退化為1012Ω，即為絕緣材料。初步認(rèn)為：
（1）性能退化的防靜電包裝管損壞了該批CMOS電路。
（2）該批電路的防靜電能力不高。
為了證實(shí)以上結(jié)論，組織專業(yè)部門進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。
（1）把剛測試合格的幾塊CMOS電路裝入已失效的防靜電包裝管中，并使CMOS電路在包裝管中來回晃動幾下，再取出包裝管中的電路進(jìn)行測試，出現(xiàn)了失效的電路。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，出現(xiàn)重復(fù)性；
（2）拿幾塊合格的CMOS電路進(jìn)行抗靜電能力測試。測試結(jié)果為一級（0～1999）V。實(shí)測試結(jié)果，該批CMOS電路的抗靜電能力為（600～1100）V。
　　分析：
1）絕緣材料的防靜電原理與導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料的防靜電原理有所不同。
2）導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料上的靜電積累電荷，靠防靜電桌、地墊向地緩慢泄放(防靜電地線串有1MΩ的電阻)。
3）絕緣材料上的靜電積累電荷不能靠防靜電桌、地墊向地緩慢泄放,因?yàn)榻^緣材料上的積累電荷不能移動,只能靠靜電中和法或噴涂法中和絕緣材料上的積累電荷。
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圖1高速數(shù)據(jù)保護(hù)
　　因此,把防靜電能力已退化的絕緣材料作為包裝管,將使器件容易受到靜電損傷。
結(jié)論：
　　1）白色透明防靜電包裝管為一次性的包裝管。最好不要反復(fù)使用。使用時(shí)間較長的白色透明防靜電包裝管容易退化為絕緣材料。
　　2）白色透明防靜電包裝管在使用壽命期內(nèi)，一般在使用前要經(jīng)過表面電阻測試。
　　3）裝入防靜電包裝管內(nèi)的器件不能晃動，在傳遞、運(yùn)輸中嚴(yán)禁管內(nèi)器件摩擦生電。
　　4）白色透明防靜電包裝管的防靜電標(biāo)識只能作為操作中的防靜電警示語，不能保證包裝管出廠后的防靜電能力退化情況。
　　5）建議采用黑色永久性的防靜電包裝管或盒子包裝敏感器件。
3誤區(qū)之二
　　芯片盒的隨意使用引起芯片表面鏡檢合格率下降
　　軍用集成電路的芯片一般都要進(jìn)行嚴(yán)格的芯片表面鏡檢，以剔除芯片表面缺陷和顆粒塵埃。芯片包裝盒應(yīng)該使用永久性的防靜電包裝盒，包裝盒內(nèi)有錫箔薄膜復(fù)蓋，作為芯片靜電屏蔽。實(shí)驗(yàn)證明，采用有機(jī)玻璃盒或透明塑料盒易產(chǎn)生靜電電場，特別是當(dāng)盒子被打開的一瞬間，盒、蓋的靜電電場的重新分布，可以看到微小的芯片會在盒內(nèi)豎立起來，并使靜電電場吸收空氣中的顆粒塵埃，使合格的芯片受到二次顆粒塵埃污染。即使剛剛鏡檢通過的合格芯片可能出現(xiàn)不合格，使芯片表面鏡檢合格率下降。
　　因此，有機(jī)玻璃盒或透明塑料芯片盒應(yīng)該禁用。噴涂一層抗靜電劑的塑料芯片盒，雖然具有防靜電功能，但噴涂抗靜電劑的防靜電盒隨保存時(shí)間的延長，環(huán)境溫度、濕度的變化，較長期的使用，壽命很難保證，不能保證不出問題。
4誤區(qū)之三
抗靜電能力低的器件如何使用
對于器件的用戶來講，抗靜電能力高的器件總比抗靜電能力低的器件受歡迎。但隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，采用了按比例縮小的設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、功耗小、集成度高，解決器件的高性能、高可靠、低投入、高產(chǎn)出、快周轉(zhuǎn)等方面的優(yōu)勢。在制造工藝中普遍采用了淺結(jié)、薄氧化層等一系列的微細(xì)加工技術(shù)，器件的抗靜電能力越來越差。
　　器件的抗靜電能力又因器件的設(shè)計(jì)、制造工藝而有所不同。比如，CMOS，與PMOS、NMOS器件比較，雖然抗靜電能力在同一數(shù)量級，但CMOS器件比PMOS、NMOS器件的抗靜電能力略高幾百伏。
　　用戶提出抗靜電能力高的器件要求，在某種程度上來說，不太現(xiàn)實(shí)。第一，抗靜電能力高的器件在設(shè)計(jì)、制造工藝中比較復(fù)雜，成本較高。第二，抗靜電能力高的器件價(jià)格昂貴，整機(jī)成本上升。
　　鑒于以上情況，建議設(shè)計(jì)整機(jī)時(shí)，在抗靜電能力低的敏感器件中的輸入/輸出端加一個(gè)防雷擊、防過壓、防靜電、抗干擾的一種瞬態(tài)電壓抑制電路（TVS），可有效地提高整機(jī)的抗靜電能力。瞬態(tài)電壓抑制電路在通訊、計(jì)算機(jī)、I/O端口、信號的輸入/輸出保護(hù)等其它高科技領(lǐng)域已獲得廣泛的應(yīng)用。
　　瞬態(tài)電壓抑制電路（TVS）是一種高效能的保護(hù)器件。當(dāng)瞬態(tài)電壓保護(hù)二極管受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它以1×10－12s量級的速度，將其兩極間的高阻抗變成低阻抗。吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值，有效地保護(hù)了電子線路的敏感元件，免受各種浪涌脈沖的損傷。該器件具有響應(yīng)時(shí)間快、瞬態(tài)功率大、漏電流低、箝位電壓易控制、沒有損傷極限、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域已得到廣泛的應(yīng)用。
下面為瞬態(tài)電壓保護(hù)二極管在敏感器件上的應(yīng)用事例。
5誤區(qū)之四
　　敏感器件的接口方式
　　在整機(jī)電子線路設(shè)計(jì)中，敏感器件作為整機(jī)界面輸入/輸出端使用時(shí)，連接器的接口形式相當(dāng)重要，用圓形或線簧連接器針座會引起敏感器件靜電損傷。圓形或線簧連接器針座的引出端易受觸摸而帶靜電，當(dāng)靜電積累達(dá)到敏感器件某一閾值時(shí)，器件就會受靜電損傷。連接器的接口使用圓形或線簧連接器孔座（未有引線暴露在外面）就可以避免上述情況發(fā)生。
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圖2典型微處理機(jī)保護(hù)
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圖3感應(yīng)轉(zhuǎn)換或負(fù)載保護(hù)
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圖4運(yùn)算放大器保護(hù)
6誤區(qū)之五
穿防靜電工作衣必需與地保持同電位
在IC芯片生產(chǎn)中，一定要穿連體防靜電工作衣，它的目的有二條：
　　（1）避免塵埃移動，影響產(chǎn)品質(zhì)量；
　?。?）不易產(chǎn)生靜電積累，有效保護(hù)器件不受傷損。
　　眾所周知，人體帶電與身穿衣料、走路快慢、身體肥胖有關(guān)。當(dāng)兩人攜帶不同電位的電荷，相距某一距離時(shí)，異性（正、負(fù)）電荷就會吸引，同性電荷就會排除，如下所示。?? 　　這種吸引、排除力F與距離r2成反比，與Q1、Q2電荷量成正比。如下式所示： 這種異、同性電荷受吸引、排除力時(shí)會攜帶塵埃顆粒移動，以達(dá)到電平衡。在IC芯片制造中，穿連體防靜電工作衣第一是屏蔽自身衣料攜帶的電荷不能向外傳遞。第二是連體防靜電工作衣通過地墊把靜電泄放，使人體與地同電位。同電位的電荷就不會傳遞、移動。不僅保證了凈化廠房干凈，而且保證了產(chǎn)品質(zhì)量不受二次微小塵埃顆粒污染。
　　比如，在IC制造業(yè)中，當(dāng)剛剛清洗完一批硅片（假如硅片上的自然氧化層為零），硅片表面形成了許多懸掛鍵，這種懸掛鍵失去了電平衡，它千方百計(jì)地吸收外界電荷塵埃顆粒，以達(dá)到電平衡。大面積拋光硅片很難清洗的原因是：
　　1）拋光硅片在清洗時(shí)隨時(shí)隨地會吸收化學(xué)試劑中的微小顆粒；
2）暴露在空氣中的拋光硅片，由于懸掛鍵作用，會吸收空氣中的微小塵埃顆粒。
　　如果每個(gè)人都穿連體防靜電工作衣，并與大地保持同電位，沒有電位差存在，空氣中就沒有塵埃顆粒移動。拋光的硅片至少不會受空氣中的塵埃污染，確保了產(chǎn)品質(zhì)量。
　　在整機(jī)裝配、裝連、調(diào)試中，工作人員常常穿防靜電白大褂，與大地不可能保持同電位，存在著電位差，空氣中就有可能出現(xiàn)塵埃顆粒移動。在整機(jī)方面這不是主要矛盾，主要矛盾是在整機(jī)裝配、裝連、調(diào)試中對敏感器件進(jìn)行靜電保護(hù)。因此，在整機(jī)裝配、裝連、調(diào)試中，必需配帶防靜電腕帶，使靜電積累通過腕帶泄放于大地，不至于因靜電損壞敏感器件。