静电放电模型及其失效特征分析

王斌+朱薇+陈业刚

摘 要：该文通过从理论入手，分析了3种静电放电模型，即：人体模型、机器模型及带电器件模型，找出3种静电放电模型所导致的器件失效特征，进而更加有效地帮助企业找出静电放电的根源，从而加强改进静电防护措施，减少因静电放电引起的不必要损失，提高产品可靠性。

关键词：人体模型 机器模型 带电器件模型 静电防护

中图分类号：TN406 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（b）-0057-02

作为近场自然危害源的一种，静电给现代生活已经造成了巨大损失和严重危害。近年来，随着微型电子领域的飞速发展，电子产品的更新速率越来越快，集成化程度越来越高。这些高度集成化的电子元器件和集成电路在流通和使用的过程中非常容易受到来自人体和外界环境中的静电源干扰，如不采取静电防护措施，将会损失惨重。作为随机过程的一种，静电放电过程复杂且多变，静电放电的形式各种各样，同一种静电源对不同的物体发生静电放电时导致的结果也不尽相同。温度、湿度等环境条件对静电放电影响严重，这就导致很难得到具有重复性的放电结果，难以有效地对ESD静电放电效应和危害进行正确的评估。因此，根据理论分析和讨论不同场合下静电放电的特点并建立相对应的ESD放电模型很有必要。

1 静电放电模型

根据放电源和放电形式的不同，可以建立起多种静电放电模型，用来分析静电放电的主要特征。在微电子领域，有以下3种静电放电模型经常被用来讨论。

1.1 人体放电模型（HBM）

人的身体作为产生静电危害的最主要的根源之一，其接触或摩擦材料（例如人体服装）所产生的静电荷很容易传输到皮肤的导电汗层使人体带电。人体静电放电模型是根据带静电的人体与电子元器件的外引脚接触，通过电子元器件对地放电，致使元器件失效而建立的。人体作为一个优良导体，能储存一定量的静电电荷。目前较广泛使用的人体静电模型等效电路如图1所示。测试电路是将人体等效成电阻和电容大小分别为1 500 Ω和100 pF。

1.2 机器模型（MM）

机器模型是来模拟带电的物体对电子元器件发生静电放电的情形，机器模型又可以称作金属模型。机器模型的等效电路是采用电容值为200 pF的电容直接地对电子元器件进行放电。机器模型是模拟导体带电后对电子元器件的作用，例如我们常见的自动流水装配线上的电子元器件遭受来自带电金属构件对器件的静电放电，机器模型同样也可以用来模拟带电的工具和测试夹具等对器件的放电[1]。机器模型典型模拟电路如图2所示。

1.3 带电器件模型（CDM）

在加工﹑运输﹑储存等过程中电子元器件自身与操作台面或者包装材料等物体接触摩擦导致物体带电。此时，若带电的电子元器件靠近或接触导体便会发生静电放电现象[2]。通常，带电元器件在带电时，在金属管脚上集中大量的静电电荷，仅有很少的静电电荷集中在非金属的封装上。由于带电器件模型的电阻值R非常小，在静电放电的过程中管脚的电感L对放电的影响不可忽视，因而带电器件放电模型的等效电路可以看作是一个串联的RLC的谐振电路。

2 电子元器件ESD失效类型与失效机理

2.1 失效类型

ESD失效类型基本上可分为两类：一类称为软失效（间歇、翻转失效），另一类可称为硬失效（击穿、破坏失效）。

软失效通常的表现形式是信息的丢失或者功能的短暂消失或变坏，硬件并没有发生损坏。软失效的具体表现形式是在静电放电期间，性能降级是允许的。然后在放电之后，工作状态不应改变，存储的数据不应丢失。

硬失效是指由于ESD引起电子元器件电气超载的结果。也有可能一次ESD并未引起硬失效，但多次ESD发生后却引起了硬失效，原因可能是在一定程度上受损的ESDS元器件，需要工作应力和时间来引起性能进一步退化，并最终使其遭受致命性失效。

2.2 失效机理

ESD失效机理主要包括：热二次击穿、金属化熔融、介质击穿、气体电弧放电、体积穿等。下面分别介绍。

（1）热二次击穿：热二次击穿是指半导体材料的热时间常数一般比ESD脉冲的瞬变时间大得多，从产品的散热区域有一些热扩散出来，形成很大的温度差在器件表面。这个巨大的温度差接近材料的融化温度，从而导致器件因融解引起设备故障并导致短路。

（2）金属化熔融：静电放电发生时，瞬时的大电流和能量导致元器件的温度快速升高，这个快速的升温能够熔化金属化层或使引线烧熔。金属化熔融与面积大小、电流的持续时间有关。

（3）介质击穿：当在绝缘区两端施加的电压超过该区域固有的击穿电压特性时，将会发生介质击穿。

（4）气体电弧放电：当元器件中未被钝化的薄层电极之间间距很小时，气体电弧放电能使其性能退化。电弧放电会引起汽化而且使金属常常离开电板而移动。

（5）体积穿：在结区，由于局部高温，使结的参数变化，引起体积穿。

3 静电放电模型失效特征分析

3.1 人体静电模型的ESD失效特征

人体静电放电导致的元器件失效有多种表现形式，比如输入/输出管脚漏电、电源脚漏电、功能失效和降低的反向击穿电压。人体静电模型导致的失效，如果是物理性损伤主要是位于输入/输出脚的静电放电保护电路里；如果是元器件表现为电源脚漏电或者功能性失效，物理损伤也可能位于器件的核心电路里[3]。

3.2 机器模型的ESD失效特征

机器模型的ESD失效特征表现在，失效元器件的电学特征和器件的损伤形貌及位置和人体静电模型的ESD失效类似。

3.3 带电器件模型的ESD失效特征

带电器件模型的ESD失效特征主要表现在，失效器件的损伤位置不在ESD保护电路里而是发生在第一个输入缓冲级。损伤表现形式主要是多晶硅损伤或多晶硅栅边缘下的栅氧化层击穿，无电弧击穿。

4 结语

静电放电是高电位、强电场、瞬时大电流的过程。由于ESD的多样性，使得难以有效地对ESD的危害及其应用进行有效的评估。通过静电放电试验模型的讨论，能夠对ESD实际产生的危害进行深入研究。尽管放电是不可避免的，但是可以通过人为采取有效的措施得到预防和控制。

参考文献

[1] 孙可平，Albert Kow.静电放电防护与控制技术[M].大连海事大学出版社，2007.

[2] 刘尚合，武占成.静电放电及危害防护[M].北京邮电大学出版社，2004.

[3] 王俊涛.人体ESD模拟器的研究[D].北京：北京邮电大学，2008.