摘 要：隨著現代科學技術的發(fā)展，電子、通訊等高新技術產業(yè)也在迅速崛起，電子儀器和電子設備正在朝著小型化、智能化、多功能化方面發(fā)展，而微電子器件成為當下電子產品實現小型化、智能化、多功能的必要原件。這種微電子器件具有外部結構簡單、集成度高、功率低的特點，這些特點導致了這種微電子器件對靜電比較敏感。本文立足于微電子器件特征和靜電放電特點，通過實驗分析出靜電放電對微電子器件的影響，并提出相應的防護措施。

關鍵詞：微電子器件；靜電損傷；放電模型

中圖分類號：TN406 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）08-0066-03

Abstract：With the development of modern science and technology，the high and new technology industries such as electronic and communication are rising rapidly. Electronic instruments and electronic equipment are developing towards miniaturization，intellectualization and multi-function. Microelectronic devices have become the necessary original parts for the realization of the miniaturization，intellectualization and multi-function of electronic products. This kind of microelectronic device has the characteristic of simple external structure，high integration and low power. These characteristics make the microelectronic devices more sensitive to static electricity. In this paper，based on the characteristics of microelectronic devices and the characteristics of electrostatic discharge，the effects of electrostatic discharge on microelectronic devices are analyzed by experiments，and the corresponding protective measures are put forward.

Keywords：microelectronic devices；electrostatic damage；discharge model

0 引 言

微電子器件業(yè)內稱之為靜電敏感器件，一般而言，場效應器件、雙極器件等微電子器件的抗靜電能力更加弱，人體或者器件本身的靜電都足以對器件造成損傷，如果不加以防護，微電子器件很可能因為靜電受損，導致器件失去本身的功能，影響了產品的質量。因此，提高微電子器件在包裝、運輸、儲存、使用等方面的防靜電措施至關重要。

1 靜電放電特性

1.1 靜電放電類型

靜電放電（ESD）在本質上是一種電磁兼容問題，通常情況下，靜電放電所釋放的能量比較小，是一種常溫狀態(tài)下對氣體的擊穿現象。從靜電放電類型上進行分析，可大致分為三種不同類型：（1）電暈放電，這是一種氣體放電的形式，多發(fā)生在電極相距比較遠，同時帶電物體和接地表面有突出的地方。這種地方易形成較強的電場強度，使氣體發(fā)生電離現象，并伴有“嘶嘶”聲音，這種情況稱之為電暈放電。（2）刷形放電。當兩個電極之間存在的氣體為非均勻介子，在電極的作用下形成通路，形成的靜電放電不集中在某一點上，而是形成很多分叉。刷形放電伴有發(fā)聲、發(fā)光形象，易發(fā)生在絕緣體上。（3）火花放電。不同于刷形放電，火花放電有明顯的放電集中點，兩極之間的氣體被擊穿，伴有短時間的爆裂聲，危險性比較大。

1.2 靜電放電失效敏感電壓

所謂的靜電放電失效敏感電壓是指電器所能夠抗受最大的靜電電壓，也被稱之為靜電放電敏感度（ESDS）。所產生的靜電一旦觸碰到微電子器件的敏感部位，在瞬間最大電流可達到10A，這個電流值，極易導致電器失效或者受損。據統(tǒng)計，因靜電受損的電子器件，10%會立即失效，90%為潛在性損失。潛在性損失雖然不會使器件立刻失效，但是會引起器件參數變化，影響產品的穩(wěn)定性，也降低了器件抗過電應力的能力。

1.3 靜電放電模型

靜電放電模型共有四種，分別為人體模型、場感應模型、帶電器件模型和傳輸線模型。人體模型引起的靜電損傷一般比較嚴重，研究表明，人體可攜帶20-30MJ的靜電能量，放電時間極為短暫，只有幾微秒，但其最高峰值電壓可達到15～20kV，流量可達到10A。場感應模型中，半導體場效應晶體管等電子器件當處于強帶電環(huán)境中，器件的柵極就會感應到電壓的存在，場感應電壓達到一定數值時，會發(fā)生器件的柵源和柵漏間擊穿現狀，使器件受損失效。傳輸線模型的原理，傳輸線網絡可獲得很高的峰值電壓，在器件與網絡匹配的情況下，器件上的電壓可躍變?yōu)樽畲?，當此峰值電壓足夠高時也可使器件失效。帶電器件模型，半導體器件獲取的電荷大部分都附在表面，如果相鄰的金屬線條靠得比較近，就會引起靜電放電現象，導致器件時效。目前，我國對電子器件的靜電放電失效敏感電壓的測試采用的方式是人體模型。

2 實驗

2.1 原理與方法

對微電子器件靜電損傷測試的時候，采用的方法是注入法。具體原理是將電磁能量通過特定的電子裝置注入到微電子器件相應的管腳上，通過對管腳的測量，可以比較精準地得知損傷閾值。此次實驗需要用到的裝置有：ESS-200AX型ESD模擬器、TDS680B數字存儲示波器、Tek P6041（5mV/mA，25kHz～1GHz，匹配電阻50Ω）電流探頭。

2.2 CG392實驗結果

通常情況下，微電子器件對靜電放電是非常敏感的，由于體積小，在外觀上很難判斷微電子器件是否失效，唯一的方式就是通過技術測量，檢測其具體的參與，判斷微電子器件是否完好。本次實驗測量的對象為晶體三極管，在測量過程中，所需要的設備有XJ4810晶體管特性圖示儀、8970B噪聲系數測試儀、CTG-1型高頻C-V特性電容測試儀和漏電流測試儀等。

首先對三極管進行分析。三極管具有放大、調制、諧振、開關等作用，共有3個管腳，分別為基極（B）、發(fā)射機（E）、集電極（C），放電途徑也是三個管腳之間的相互組合，對三極管測量判斷是否受到靜電放電損傷，其依照的標準是《半導體分立器件總規(guī)范》中對有關數值的規(guī)定。通常的情況下，如果器件的敏感參數的變化起伏比比較大，超過實驗前的數值的20%，就可以判斷此微電子器件有損傷。或者在實驗后其數值也超過了所規(guī)定的范圍值，也可以判定為損傷。

實驗的具體過程：此次實驗將每三個器件分為一組，其中器件是否損傷未知，也不做標明。在實驗中，會選取不同的三極管，同時選取三極管中相同的管腳，對所選用的管腳做一次靜電放電。實驗需要對每個管腳做三次放電，每次放電所采用的電壓是不一樣的。在本次實驗中，我們采用了800V、1200V和1600V三個電壓。在每次靜電放電結束后，都要認真分析關鍵測量的數值。在程序上，首先判斷800V靜電放電后的結構，結果如果一組內的三個器件所呈現的靜電放電失效敏感電壓均在標準的范圍，那么就采用1200V電壓進行實驗，直到出現某一個器件損傷或者失效，則此器件放電結束，停止對該管腳繼續(xù)靜電放電。

實驗結果如下：一是本次實驗中所采用的樣本三極管，均通過了800V的注入電壓，這也就意味著800V電壓下的靜電放電對器件的損傷很小，可以忽略。二是對其中一組進行1200V電壓注入實驗中，在對其中一個三極管CB結反向注入時，測量數字超過標準范圍，該器件出現損傷情況，該組中的其他兩個三極管順利通過。再重新測量一組器件，仍然會有一個器件出現損傷。由此可見，CB結對靜電產生的電壓更加敏感，也更加容易出現損傷。三是對同一個結來說，注入方式對結果也是有影響的，具體而言，正向注入靜電和反向注入靜電對器件的損傷閾值是不同的，前者要高于后者。四是當注入端對為CB結時，對應的敏感參數包括集電極-發(fā)射極之間的擊穿電壓和三極管直流電流放大系數（hFE）。對于反向擊穿電壓來說，主要表現為數值下降及出現軟擊穿情況；而對于正向直流傳輸比hFE來說，表現為數值下降和曲線的畸變。

2.3 其他三極管實驗結果

為了讓實驗結果更加精準，本次實驗采用了步進法。所謂的步進法，就是將步驟分為三個部分，分別為部進點、動作和轉移條件，隨后再依照原來的動作順序串接起來，完成整個過程。具體而言，此次實驗的器件樣本數量在20個以上，注入的電壓步長數值比較穩(wěn)定，通過對其他三極管實驗得出以下結論：（1）器件的結構、質量、工藝影響器件本身對抗靜電的能力。（2）在器件不變的情況下，不同的靜電放電模型，對其靜電敏感度也會有所不同。（3）對于3358（F32）、2SC3356等高頻低噪聲晶體管來說，反向CB結的靜電敏感度要高于反向EB結的靜電敏感度。

3 靜電損傷防護措施

3.1 提高器件抗靜電干擾能力

提高器件的抗靜電能力，其最主要的辦法就是增加器件本身的抗干擾能力。例如針對MOS器件，為了增加該器件的抗靜電干擾能力，通常會在輸入端增加一個防靜電的保護網，根據器件的不同，其保護網作用的結構也不同，可以是二極管保護、擴散電阻保護、薄柵MOS管保護等。除此以外，通常還會采用增加器件柵的總寬度，這樣也可以提高器件的抗靜電能力。

3.2 建立無靜電的工作環(huán)境

電子產品在生產和使用的過程中，經常會遭遇靜電，實際上，很多靜電的產生是可以避免的。例如，微電子器件在制造的過程中，工作人員可以通過設備儀器消除或者減少身體上的靜電，在進入工作區(qū)內，要隨時對溫度、濕度、靜電電壓進行檢測，工作區(qū)內埋設底線等。

3.3 器件在包裝、運輸和儲存過程中采取周密的防靜電措施

器件在包裝、運輸和儲存過程中也是極容易遭遇到靜電的。因此必須采取措施，減少靜電給微電子器件帶來的影響。在包裝過程中，器件切勿堆放，不要隨意拆除，拆裝時不要在靜電的環(huán)境下。在運輸的過程中，將器件裝包裝盒內，避免與包裝盒接觸摩擦等，儲存的環(huán)境最宜在5℃～30℃。

4 結 論

本文重點研究微靜電放電對微電子器件的損傷，通過實驗，在不同的靜電放電模型下，測量了幾種較為常見和使用的微電子器件，旨在研究器件的靜電敏感端對應的靜電放電情況和靈敏參數。實驗證明，不同的器件由于其結構、材料、外部環(huán)境的不同，其對抗靜電放電的能力也是不同的。通過實驗可知，反向CB結的靜電敏感度要高于反向EB結的靜電敏感度，注入器件不同端對時，靈敏參數一般包括反向擊穿電壓、直流電流放大系數和反向漏電流，而極間電容和噪聲系數對靜電不敏感。

參考文獻：

[1] EN 61340-3-1-2002，Electrostatics-Part3-1：methods for simulation of electrostatic effects-Human body model（HBM）-component testing [S].2002.

[2] GJB 33A-1997半導體分立器件總規(guī)范 [S].機械電子工業(yè)部電子標準化研究所，1997.

[3] 楊士亮.半導體器件電磁脈沖效應實驗研究 [D].石家莊：軍械工程學院，2005.

作者簡介：楊嗣帥（1991-），男，漢族，安徽淮北人，本科。研究方向：微電子科學與工程。