ESD故障模式分析

按一下以編輯母片標題樣式,按一下以編輯母片文字樣式,第二層,第三層,第四層,第五層,*,*,靜電如何形成,靜電是史載最早發現的一種電, 靜電其實是自從有人類以來，就影響著人類的生活, 西元前 640年， 希臘哲學家 THACES,把琥珀(Amber),摩擦後發現可以吸附毛髮，而開始知道靜電的存在,靜電的形成,導 體 具有可移動的電子或價電子 (Valence Electrons) 在原子,結構的最外層，亦即受原子核 (Nuclei) 的束縛最小，當受到外來電場的吸引而移動 (產生電流) ，此類物質稱為導體,絕緣體 缺乏上述可移動的電子或價電子的物質，稱為絕緣体,2,IPQC ESD,訓練教材(,二),1,以物体抗靜導電性來區分材質, 導電性 (Conductive)材質: 表面店電阻係數在 10,5,/square 以下, 靜電衰減性(Static Dissipative)材質:表面電阻係數介於10,5, 10,12, /square, 抗靜電性(Anti-Static)材質:表面電阻係數介於10,9, 10,12, /square, 絕緣体(Insulator)材質:表面電阻係數介於 10,12, /square以上,摩擦生電,3,7P,+,7P,+,7P,+,7P,+,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,平衡原子 1,e,-,平衡原子 2,帶負電原子,帶正電原子,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,摩,擦,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,e,-,IPQC ESD,訓練教材,(,二,),2, 半導體產品抗靜電能力,抗靜電能力之量測(Human Body Model),依 MIL-STD-883，Method 3015， 測試線路圖 ：,1. Input (A) , Common (B) 2. Output (B) , Common (A),3. Input (A) , Output (B) 4. V,+,(A) , Common (B),5. V,+,(B) , Common (A),8,IPQC ESD,訓練教材(二),3,各類半導體材料抗靜電能力之比較(NEPCON/ WEST Report),晶片種類,靜電破壞電壓(Volts),MOSFET 100200,EPROM 100,JFET 1407,000,Op-Amp 1902,500,CMOS 2503,000,SCHOTTKY DIODE 3002,500,TTL 3002,500,Bipolar Transistor 3807,000,ECL 500,SCR 68010,000,9,IPQC ESD,訓練教材(二),4,11,ESD 對人体會造成傷害嗎？,家中的110V、240V,常常因為使用不慎造成傷亡，那動輒幾之ESD呢？是否會對人體造成傷害呢？,造成肌肉或心臟麻痺主要的是電流，尤其是交流電流。,電流對人體傷害分析表 (MIL-STD-454) 。,電 流 大 (毫安培 、mA),AC (60Hz,),DC,結 果,0-1 0-1 有知覺,1-4 4-15 感到驚訝,4-21 15-80 有反射動作,21-40 80-160 肌肉麻痺,40-100 160-300 休克,100,以上 300 以上 立即死亡,IPQC ESD,訓練教材(二),5,12,ESD,的影響品質方式,1. 人體放電模式(Human Body Model , HBM), 顧名思義知道此為借由人體於走動摩擦產生靜電，而影響,到元件的模式,人 體,元 件,( HBM ),-,-,IPQC ESD,訓練教材(二),6,C.N. Tsai, 99/01/11,13,2. 電場感應模式(Field Induced Model , FIM), 指由於外來電場感應產生電荷，巧遇機緣而將電荷引導接,地引起的模式,3. 充電元件模式(Charged Device Mode,CDM), 上述FIM模式中當元件被移離開電場或接地時，就變成,CDM模式,元 件,外在電場感應電荷,接地造成ESD放電 (FIM),(Field),E,(Grounded),元 件,接地消失,移離電場,(CDM),(Field),IPQC ESD,訓練教材(二),7,14,元件被ESD,破壞之原因及型態,ESD破壞之原因：,1. 功率產生：如熱崩潰、 金屬被熔融,2. 電壓產生：如介電質崩潰、表面崩潰,3. 潛在性故障：如功能劣化、降級,IPQC ESD,訓練教材(二),8,15,ESD破壞之型態,1. 接面崩熔（Junction Burnout）,過大的電流通過接面時，產生極大的熱量，使得接面崩熔。此種破壞是屬於接面短路，並有二個特性,A.即使ESD的能量未能打穿接面（Junction Burnout），也能造成元件的失效,B. 正向偏壓的ESD破壞能量是負向偏壓的515倍,2. 氧化層貫穿針引線（Oxide Punch Through）,通常在金屬氧化層半導體（MOS）上可以發現此類型之破壞，這是由於外加的靜電壓超過了氧化層的崩潰電壓所致。其現象亦是短路。,E,B,C,E,B,C,IPQC ESD,訓練教材(二),9,16,3. 金屬層崩熔（Metalization Burnout）,由於過大的電流流經金屬層，並在較脆弱的地方產生，由於此種破經常是伴隨著接面短路或是氧化層短路之後發生故屬於所謂的二次崩潰（Secondary Breakdown）。而其現象為斷路,。,IPQC ESD,訓練教材(二),10,17,靜電的累積破壞 負傷而行,接面崩熔（Walking Wounded） 許多實驗證實靜電能使半導體負傷，但不玫立即完全破壞其功能，而且有多數這些負傷而行的元件都能通過測試直到這些元件送到客戶之後，隨時會從負傷而行變成完全失效。,下面是一ESD,累積破壞的試驗：,應用前述HBM接線方式（僅略去人體的電阻R2=1.5K）來,量測54S163IC,試驗條件：試驗結果：,材料：54s163測試前I=2.883APASS,人體電容：100pf第一次I=2.883A,PASS,每次放電：50V,第二次,I=2.890A PASS,放電次數：5次第三次I=2.890A PASS,測試點：Vin=Pin2 (A)第四次I=1.872mA FAIL GND=Pin8 (B)第五次I=2.147mA FAIL,IPQC ESD,訓練教材(二),11,18,ESD破壞分析,找出PCB上之故障元件,對故障元件進行基本電性量測, 功能測試, 參數測試,X-ray做表層分析,去封膠（Decapsulate）檢視內部,去除各層（玻璃層、鋁層）層層檢視,幾種遭ESD破壞案例參考,IPQC ESD,訓練教材(二),12,19,去 鋁 層 之 後 的 接 合 窗,接合窗放大10,000之後可見貫穿現象,A金屬接合窗,橫 切 面 放 大 (2,000),橫 切 面 放 大 (10,000),IPQC ESD,訓練教材(二),13,20,靜電防護,晶片設計的靜電防護(治本方法),本方法乃是靜電防護最好的辦法，但在設計半導體的抗靜電電路時，必須考慮到電路產生熱的影響、反應時間、 最大電壓、 能量傳導、 寄生電容等等因子，故並非隨心所欲可以辦到。因此靜電防護仍必須靠一些治標的方法。,靜電防護的基本原則,1. 避免靜電產生,2. 疏導或中和所產生之靜電,3. 摒蔽靜電場,逐一介紹說明如下：,IPQC ESD,訓練教材(二),14,21,1. 避免靜電產生,(A) 潮溼法(,Moisturing,)水氣本身會有導電現象，故可降低絕綠體表面電阻，達到靜電防護目的,(B) 抗靜電塗佈法(,Anti-Static Coating,) ,有部份溶液可噴灑於綠體青面降低物體表面電阻，達到靜電防護的目的。但此種塗層，日久會脫落而漸漸失去其效果，故必須考慮其有效期。,(C) 內部靜電劑法(,Imbeded Anfi-Static Agent,) 這是在材料中加入具有導電性或吸溼性的物質，使其外層具有輕微導電性,。此方法可以不必考慮有效期，但成本較高。,2. 疏導或中和靜電法,(A) 疏導法(,Bleed-Off,),典型的疏導法就是配帶靜電環(,Wrist Strap,)，是將人體產生之靜電電荷，藉由導線將所產生之電荷傳導出去,。通常靜電環中會接一1M之接地電阻，以保護人員工作之安全。,IPQC ESD,訓練教材(二),15,22,(B) 中和法(Neutralization),利用靜電消除器(Ionizer)來釋出正、負離子以中和消除靜電效應。目前常用的靜電消除器有下列幾種：,a. 放射性靜電消除器 使用放射性物質釙或元素之輻射能來撞擊空氣使之分裂成等量的正、負離子。使用此Ionizer必須加防護結構。其優點是不需電源容易裝置，具有防炸功能；缺點是使用壽命短(每年更換)，必須離使用遇火警時極危險。,b. 高壓靜電效應消除器 利用針點高壓(5KV左右)尖端放電來電離空氣分子。此種裝置具有高效率及高安全性之特點，所產生之電流僅幾微安培(A)，不會產生電擊。,c. 感應靜電效應消除器 這是利用帶電物質之高電壓(對接地點)來電離空氣離子,IPQC ESD,訓練教材(二),16,23,3. 摒蔽靜電場（Field Shielding）,此種方法乃利用Farady Cage 之原理使靜電場被摒蔽在容器之外圍。左圖是5KV電場下各種容器內測得的靜電場，右圖是一摒蔽電場之模型,電場無法貫穿僅分佈表面,電 壓,(kv),時間 (秒),0,1.0,2.0,3.0,1.0,2.0,3.0,導電袋,防靜電袋,一般PE袋,金 屬 容 器,IPQC ESD,訓練教材(二),17,24,各類常用靜電防護材料,1. 靜電環 由伸縮拉環，內含1Mega 10%,電阻之導線及接頭所構成。 配帶靜電環時必須注意到：,(a)靜電環必須與手緊密接觸， 不可鬆脫或套於衣袖上,(b)與接地之間必須保持1M 10%之電阻,(c)接頭必須固定妥當， 當接頭未接地妥當時，不得碰觸材料,2.抗靜電材料(袋、管、管塞、盒等) 在材料上塗佈抗靜電液，,使材料不會產生靜電荷，或僅產生微量的靜電荷(通常在100V以下)。此類材料表面電阻要求在10,12,/square以下，靜電消散時間2sec。使用此材料應：,(a)此材料僅能防止本身產生靜電，而卻無法防止靜電場破壞,(b)表面塗層必須考慮其有效期,(c)一般工業界會將此類產品製成粉紅色,IPQC ESD,訓練教材(二),18,25,3.,靜電遮蔽材料(袋、管、管塞、盒等) 此種材料一般含有二或三層，上下(或外)層是抗張力強的抗靜電化學合成物質(R10,12,/square，靜電,消散時間2sec),，中間(或內)層是一層薄薄的金屬箔(,10,5 ,R,10,9,/square)。使用時需注意：,(a) 避免使用尖銳物品刮壞金屬層,(b)封閉的導電袋或容器才有完全之保護,4.靜電消除器 利用儀器所產生的大量離子，將絕緣體表面的靜電予以中和。使用靜電消除器必須注意：,(a)靜電消除器必須在工作範圍45呎內方為有效區域,(b)靜電消除器必須定期清理所積聚之灰塵，至少3個月內清理一次,(c)靜電消除器必須定期檢查其離子是否平衡,(d)靜電消除器會產生臭氧(O,3,),對人體無害(有益),，但臭氧濃度不可超過0.,1DPP M,，否則其異味會使人難以忍受,IPQC ESD,訓練教材(二),19,28,各種靜電標示警告,A.,對ESD敏感,標示：C.,保護,+外弧去斜線之標示：,適用於告知電子零組件對ESD 用於工具或材料上已具有控制ESD,極為敏感，易遭ESD破壞。之功效。,B.,對ESD敏感,+警語之標示： D.,對ESD敏感,標示亦可用：,適用於防靜電包裝袋上。,IPQC ESD,訓練教材(二),20,