電 話：+86-755-83867315| [封裝失效分析系列四]ESD:失效分析,模型驗證與靜電源探測 |
原創(chuàng) 2017-07-31 一刀 IC封裝設(shè)計 文中縮寫： ESD，Electric-static Discharge，靜電放電 HBM，Human-body Model，人體放電模型 MM，Machine Model，機(jī)器放電模型 CDM，Charged Device Model，帶電器件放電模型
前言 多年以來，我們對于靜電是既熟悉又陌生。初中時就學(xué)過，絲綢摩擦玻璃棒，玻璃棒帶正電，毛皮摩擦橡膠棒，橡膠棒帶負(fù)電。筆者作為一個北方人，幾乎每年冬天都會親身體驗靜電放電，特別是摸門把手和晚上脫毛衣的時候。不過產(chǎn)線上的靜電放電一般都是看不見摸不著的，低于5kV的放電甚至連聲音都沒有(人耳聽不見的頻率)。本文的初衷是從工程實用的角度出發(fā)，兼顧ESD知識的普及，爭取做到深入淺出，希望可以對大家的工作實踐起到一些幫助。 首先提出幾個問題，大家可以帶著這些問題來閱讀本文，可以幫助大家理解靜電到底是怎么回事。 1. 什么是靜電？ 2. 靜電電荷是從哪里來的？ 3. 什么是靜電充電和靜電放電？ 4. 靜電失效如何判斷？ 5. 靜電失效現(xiàn)象一定是在表面嗎？ 6. 靜電放電通常在哪里發(fā)生以及如何找到靜電源？ 首先介紹一些靜電的基本概念。任意材料之間的接觸分離，相互摩擦或感應(yīng)都會產(chǎn)生電荷。對于絕緣體來說，產(chǎn)生的電荷無法在其表面移動或者移動十分緩慢，是為靜電。靜電電荷的積累與相對濕度有很大關(guān)系，如下圖所示，濕度越低，越容易產(chǎn)生靜電，靜電放電的電壓也越高。
每年的六七月份和十二月份是失效分析工程師們比較忙碌的時節(jié)，因為六七月份比較潮濕，容易發(fā)生分層(Delamination)，而一月和十二月份比較干燥，容易發(fā)生靜電失效。近幾年又多一個霧霾，每年十一月份北方開始供暖后，空氣中的PM2.5/PM10增多，導(dǎo)致化學(xué)過濾器壽命降低，劈刀堵塞，污染案例增多，產(chǎn)線上的不良率也隨之上升。所以失效分析工程師是最盼著空氣質(zhì)量變好的。 繼續(xù)說靜電。靜電放電一般有三種模式，HBM，MM和CDM。HBM一般是隨機(jī)性的，只要做好產(chǎn)線人員的教育及靜電防護(hù)措施的管理即可控制的很好，同時器件對于HBM放電的防護(hù)水平通常也較高(≥2000V)，而MM和CDM一般都在固定位置發(fā)生且容易反復(fù)出現(xiàn)，同時由于放電模式的特殊性，且防靜電電路設(shè)計具有一定局限性，通常器件本身防CDM放電的能力較弱，是特別需要關(guān)注的對象。 靜電相關(guān)的失效分析 靜電失效的分析流程與一般的失效分析并無二致，通常為Short或Leakage fail，熱點通常位于Fail Pin Pad附近。下圖給出了不同放電模型可能的失效位置[1]。 HBM/MM一般會造成片上靜電保護(hù)電路(On-chip ESD Protection Circuit)燒毀，而CDM造成的失效則一般位于Output buffer/input buffer的位置[2]。但是要想給出靜電放電損傷的結(jié)論，必須要進(jìn)行靜電放電模式的驗證。
靜電放電模式驗證 靜電放電模式驗證與靜電防護(hù)等級評價的方法基本一致，因此首先介紹一下芯片或顆粒靜電防護(hù)等級的評價方法。 1. HBM/MM防護(hù)等級評價方法 HBM和MM的評價方法是一樣的，即Pin to Power/GND放電，Pin to Pin放電，Power to GND放電，再算上放電電壓極性又可分為正電和負(fù)電，總共有8種測試模式[3]。下圖給出了其中四種，以供參考。放電電壓由低到高增加，每次放電之后對芯片/顆粒進(jìn)行測試，如果測試通過則繼續(xù)提高放電電壓，一旦出現(xiàn)失效或低于標(biāo)準(zhǔn)值則將上一個測試電壓定為產(chǎn)品的靜電防護(hù)等級。判斷依據(jù)通常為以下五種[4]，① 絕對漏電流，② 相對電壓漂移，③ 短開路測試，④ 相對I/V漂移，⑤功能測試法。
2. CDM防護(hù)等級評價方法 CDM的評價方法如下圖所示[1]，將待測的Unit置于充電板上，Pin腳朝上，通過一個接地的探針來對其中一個Pin放電。每次一根Pin，放電之后進(jìn)行測試。需要指出的是，無論是HBM/MM，還是CDM，產(chǎn)品的靜電防護(hù)等級取決于所有Pin中最低的電壓。
3. 靜電失效重現(xiàn) 靜電失效重現(xiàn)的辦法與放電方法基本一致，根據(jù)失效現(xiàn)象，懷疑是哪種放電模式，就用哪種模式放電。上面介紹的ESD評價方法中隱含了一個非常重要的信息，即HBM/MM放電至少需要兩個Pin，而CDM放電只需要一個Pin，也就是說CDM放電比HBM/MM放電容易的多。結(jié)合前面說過的，HBM/MM防護(hù)能力本來就強(qiáng)，而CDM防護(hù)能力本來就弱，因此CDM的危害性要比HBM/MM大很多。
CDM有四種放電模式，如下圖所示， 根據(jù)放電極性的不同有兩種電流方向，由內(nèi)向外和由外向內(nèi)，分別對應(yīng)兩種失效現(xiàn)象。前者在表面的失效較輕，在內(nèi)部的失效較嚴(yán)重，如a), d)；后者在表面的失效較嚴(yán)重，在內(nèi)部的失效較輕，如b), c)。放電模式的不同可能來自不同的工藝，比如Back Grinding之后去藍(lán)膜和D/A Process，底膜一般帶負(fù)電，硅片一般帶正電。
ESD發(fā)生源探測 其實發(fā)現(xiàn)ESD失效現(xiàn)象和確認(rèn)ESD放電模式都不是最終的目的，能夠在產(chǎn)線找到靜電源即靜電發(fā)生位置并將其消除才是最重要的?？墒荅SD既看不見也摸不著，怎么辦？這就要借助某些工具。這里介紹兩個比較常用的，1. ESD Event Detector[5], 2. 高頻示波器+天線[6,7]。 ESD Event Detector是靜電事件計數(shù)器，簡單易用，發(fā)生一次靜電放電，就記一次數(shù)。ESD Event Detector體積很小，使用比較方便，懷疑哪里有靜電放電，就把它貼在哪里。
不過ESD Event Detector只能探測到靜電放電，并不能給出靜電放電的具體位置。這時候就要用到高頻示波器和天線。其大致使用方法如下圖所示，將天線貼在疑似有靜電放電的地方，一旦有靜電放電發(fā)生，示波器就會捕捉到波形[8]。
而如果配上兩個兩根天線，就有些意思了。以下圖為例[6]，首先將兩根天線固定，比如安裝在一把兩米長的直尺兩端。如果靜電源位于Impulse1，則ESD發(fā)射的電磁波會先到達(dá)Antenna1(天線1)，后到達(dá)Antenna2(天線2)，在示波器上就會看到如下的波形，即天線1的波形(紫色)在前，天線2的波形(黃色)在后，簡單來說，靜電源就在靠近天線1的地方。左右移動直尺，直到兩根天線的波形重合，這時候靜電源即位于兩根天線的中軸線上(Impulase2)。
已知光速約為30cm/ns，如果示波器的采樣率為4GS/s，那么空間分辨率可以達(dá)到7.5cm。如果用更高采樣率的示波器，比如20GS/s，輔以三根甚或四根天線，根據(jù)類似GPS或者室內(nèi)WiFi定位的算法，不用移動天線就可直接計算出靜電源的大致位置，理論上空間分辨率可達(dá)1.5cm。 結(jié)語
最后總結(jié)一下ESD事件的處理流程： 對于量產(chǎn)來說，靜電不良占總不良的比例雖然不高[9]，卻往往是致命的。分工程來看，有些受靜電影響較大，需要重點關(guān)注，比如Die Attach和Ink Mark等。
題外話 靜電問題從半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)誕生的那天開始就如附骨之疽，人人都聞之色變。多年來，無數(shù)的工程師和科學(xué)家都在與靜電做斗爭，比如設(shè)計片上靜電防護(hù)電路并努力提高其防護(hù)能力，在工程上大量應(yīng)用靜電耗散材料，低起電材料和靜電屏蔽材料?？蔁o論大家再怎么努力，都無法將靜電完全消除，片上靜電防護(hù)電路本身也有著非均勻開啟等問題。誠然，芯片的整體設(shè)計是一個系統(tǒng)工程，ESD防護(hù)電路只是其中的一環(huán)，既要兼顧版圖面積又要保證防護(hù)能力，沒有辦法做到盡善盡美也是可以理解的。近些年隨著系統(tǒng)級封裝(SIP)和晶圓級封裝(WLP)的普及，由于器件本身的電容增加，其更易在組裝過程中積累電荷，從而導(dǎo)致靜電放電的發(fā)生。這已經(jīng)不是簡單的增加幾個離子風(fēng)機(jī)就能解決的問題，而是從封裝設(shè)計上就要考慮，如何選擇不易積累電荷的堆疊結(jié)構(gòu)，如何在基板上添加靜電泄放路經(jīng)等等。 本篇是封裝失效分析系列文章的收尾之作，內(nèi)容上已經(jīng)超出FA的范疇。整個封裝級別失效分析的文章也將告一段落。這一系列文章其實是筆者對自己做失效分析并承擔(dān)失效分析培訓(xùn)以來的一個總結(jié)。文中不免存在一些錯誤，權(quán)當(dāng)拋磚引玉，也歡迎大家批評指正。
[1] https://ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/80068/1/750701.pdf [2] http://incompliancemag.com/article/discontinuing-use-of-the-machine-model-for-device-esd-qualification/ [3] http://www.ics.ee.nctu.edu.tw/~mdker/group%20paper%20abstract/2005-04%20Wen-Yi%20Chen.pdf [4] https://wenku.baidu.com/view/495c0320b80d6c85ec3a87c24028915f804d840e.html [5] http://www.pro-pack.com.sg/em_aware_tng.html [6] http://www.emcesd.com/tt2004/tt120104.htm [7] https://www.intel.com/content/www/us/en/quality/esd-detection-antenna-and-oscilloscope-video.html [8] http://www.esdindustrycouncil.org/ic/docs/IndustryCouncil White Paper 2 Rev2 Apr 2010.pdf [9] http://www.emc-esd.nl/wp-content/uploads/sites/42/2014/08/1.-ESD-NL-Amsterdam-failuremech2014vy-short-version.pdf
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作者：一刀，哈工大，材料學(xué)博士。精通各種失效分析技術(shù)，及封裝失效分析實驗室的搭建和管理經(jīng)驗。作者在工程一線從事失效分析多年，專注于封裝級別的失效分析，精通存儲芯片的失效分析與工藝改進(jìn)，尤其對ESD相關(guān)的失效現(xiàn)象分析和定位有獨到見解。 |
