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EOS和ESD失效分析

在大多數(shù)的失效分析案例中電子子元件內(nèi)部電路與地（GND）或不同電位貼之簡(jiǎn)形成短路，產(chǎn)生過點(diǎn)流而造成原件損壞為大多數(shù)電子元件失效的主要因素。靜電可以定義為累積在材料表面的固定電荷。靜電荷之間的相互作用（稱為靜電）導(dǎo)致兩個(gè)關(guān)鍵問題：靜電過應(yīng)力（EOS）和靜電放電（ESD）。

通常，ESD會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體行業(yè)中超過三分之一的現(xiàn)場(chǎng)故障。ESD引起的半導(dǎo)體故障可以通過泄漏，短路，燒毀，接觸損壞，柵極氧化物破裂以及電阻器-金屬界面損壞的形式看到。EOS是一個(gè)術(shù)語，用于描述當(dāng)IC承受超過器件數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格限制的電流或電壓時(shí)可能發(fā)生的熱損壞。EOS事件可能會(huì)使IC降級(jí)或?qū)е掠谰眯怨δ芄收?。EOS比ESD慢得多，但是相關(guān)能量很高。

熱損壞是EOS事件期間產(chǎn)生的過多熱量的結(jié)果。EOS事件中的高電流會(huì)在低電阻路徑中產(chǎn)生局部高溫。高溫會(huì)損壞器件材料，例如柵極氧化物和互連，導(dǎo)致金屬燒壞。由于EOS和ESD故障模式的相似性，EOS和ESD通常歸類為單項(xiàng)故障機(jī)制，即“ ESD和EOS”。

關(guān)于應(yīng)力事件，ESD和EOS相似，但電流或電壓以及時(shí)間應(yīng)力條件不同。ESD是一個(gè)非常高的電壓（> 500 V）和中等的峰值電流（?1 A至10 A）事件，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生。EOS是發(fā)生在較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的低電壓（<100 V）和大峰值電流（> 10 A）事件。如果長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)，閂鎖也會(huì)導(dǎo)致EOS損壞。

靜電放電

ESD是兩個(gè)物體之間通過直接接觸或感應(yīng)電場(chǎng)以不同的靜電勢(shì)瞬時(shí)釋放靜電荷的過程。這是帶靜電的物體的結(jié)果。通過IC釋放靜電荷會(huì)產(chǎn)生大電流并耗散能量，從而損壞IC。任何材料表面的電荷通常是中性的。當(dāng)能量傳遞給它時(shí)，會(huì)發(fā)生電荷不平衡。

由于導(dǎo)電表面中的高電子遷移率，導(dǎo)體不易通過摩擦來充電，因此會(huì)發(fā)生電荷復(fù)合并保留中性表面。另一方面，絕緣子可以容易地通過摩擦來充電。將能量傳遞給不導(dǎo)電的材料會(huì)導(dǎo)致大量的局部堆積電荷，直到它通過外部路徑放電為止。靜電的主要來源包括絕緣體，例如塑料表面，絕緣鞋，木質(zhì)材料和氣泡包裝。由于絕緣體中的電荷分布不均勻，這些源所產(chǎn)生的電壓電平可能會(huì)很高，達(dá)到總計(jì)千伏。

IC中的ESD損壞也可能來自熱現(xiàn)象。局部體積中會(huì)以非?？斓乃俾十a(chǎn)生大量熱量，而這太快了，無法去除。因此，IC會(huì)以金屬互連燒壞，多晶硅損壞，柵氧化層破裂或擊穿，接觸尖峰或結(jié)擊穿的形式損壞。

當(dāng)人們?cè)诤铣傻匕迳闲凶邥r(shí)，它們可以累積高達(dá)20 kV的電壓。在干燥的空氣中摩擦（摩擦）尼龍和聚酯可產(chǎn)生25 kV。當(dāng)人觸摸接地物體時(shí)，電荷會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)（1到100 ns）從人移動(dòng)到物體。放電時(shí)間和電流取決于時(shí)間常數(shù)。

放電電流總計(jì)約為1 A至10A。從工廠到現(xiàn)場(chǎng)的任何地方都可能對(duì)電子設(shè)備造成靜電損壞。半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)用于ESD保護(hù)，可在短時(shí)間內(nèi)承受高電流。

例如，如果某個(gè)設(shè)備符合ESD-HBM的規(guī)定，可以承受2kV的指定電壓，則該設(shè)備可以以1.3ns的上升時(shí)間和10ns的下降時(shí)間承載1.3A電流。但是，該同一設(shè)備在幾毫秒內(nèi)無法傳輸100 mA的電流。如果設(shè)備暴露于弱ESD脈沖中并受到部分損壞，則它可能會(huì)繼續(xù)發(fā)揮足夠的作用，并通過符合數(shù)據(jù)表規(guī)格的生產(chǎn)自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備（ATE）測(cè)試。

然后，該缺陷可能會(huì)隨著時(shí)間的流逝而擴(kuò)展，并且?guī)讉€(gè)小時(shí)后設(shè)備就會(huì)發(fā)生故障。這些類型的缺陷稱為潛在缺陷，而故障稱為潛在的ESD故障。潛在缺陷很難檢測(cè)到，尤其是在將設(shè)備組裝成最終產(chǎn)品之后。從概念上講，ESD（Electro-Static discharge），靜電釋放，EOS （Electrical Over Stress），電氣過應(yīng)力。廣義上講ESD也屬于EOS，為了便于分析，這里將靜電導(dǎo)致的應(yīng)力失效認(rèn)為是ESD失效，其余電氣應(yīng)力失效認(rèn)為是EOS失效。

有統(tǒng)計(jì)表明，ESD和EOS失效比例分別占3%和97%。

ESD是兩種材料互相位移，導(dǎo)致靜電釋放，ESD事件需要滿足下列條件：

（1）大電壓，＞500V，峰值電流不高；（2）低能量，放電曲線是脈沖型，時(shí)間作用時(shí)間短，小于1μs。

ESD失效通常在顯微鏡下能觀測(cè)到穿孔，如下圖：

EOS失效是在EOS事件發(fā)生后，由于過熱導(dǎo)致芯片失效。過熱是芯片內(nèi)部連接電阻發(fā)熱的結(jié)果。在低電阻路徑中，在EOS事件期間經(jīng)歷的高電流會(huì)產(chǎn)生局部的高溫，從而對(duì)芯片結(jié)構(gòu)造成破壞性損壞。

EOS事件需要滿足下列條件：（1）低電壓，＜100V，峰值電流高；（2）高能量，事件作用時(shí)間通常大于1ms。

EOS失效顯微鏡下觀測(cè)如下：  

ESD防護(hù)方法：

（1）做好接地，在生產(chǎn)過程中注意帶防靜電手腕及工作表面接地；

（2）芯片在儲(chǔ)存或運(yùn)輸過程中，用靜電屏蔽袋作為保護(hù)；

（3）芯片焊接時(shí)，盡量使用離子風(fēng)機(jī)，離子氣槍；

（4）PCB增加保護(hù)器件。

治理EOS事件時(shí)，首先需要明白多數(shù)EOS事件最終并未得到解決。EOS關(guān)鍵是注意芯片規(guī)格書的極值范圍，治理方法可以通過下列：

（1） 測(cè)試設(shè)備有無接地不良；

（2） 接地回路電流是否過大；

（3） 是否存在高電感/電容負(fù)載；

（4） 是否存在交流電源線浪涌（大開關(guān)電流）；

（5） 是否將長(zhǎng)電纜連接到有源電路。

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