是什么導(dǎo)致半導(dǎo)體器件發(fā)生故障？第二部分

半導(dǎo)體設(shè)備應(yīng)在設(shè)備制造商規(guī)定的電壓、電流和功率限制范圍內(nèi)運(yùn)行。這些限制適用于設(shè)備的電源和 I/O 連接。當(dāng)設(shè)備在此“安全工作區(qū)”(SOA) 之外運(yùn)行時(shí)，電氣過(guò)應(yīng)力 (EOS) 會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部電壓擊穿，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)部損壞，從而毀壞設(shè)備。如果 EOS 產(chǎn)生更高的電流，則設(shè)備也會(huì)過(guò)熱，從而導(dǎo)致故障原因增加熱過(guò)應(yīng)力。增加的熱應(yīng)力導(dǎo)致二次模式故障，之所以命名是因?yàn)闊釕?yīng)力來(lái)自主 EOS。

雙極晶體管的內(nèi)部視圖顯示了施加到晶體管基極的高壓瞬變（EOS）如何通過(guò)創(chuàng)建基極-發(fā)射極短路來(lái)?yè)p壞器件。設(shè)備失敗。

電路設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)正確指定組件并降低其規(guī)格來(lái)最大程度地減少 EOS 故障。他們還可以在設(shè)計(jì)中包含必要的保護(hù)器件，例如齊納二極管、鐵氧體磁珠、濾波器、壓敏電阻等，以防止電應(yīng)力到達(dá)關(guān)鍵器件。芯片設(shè)計(jì)人員可以在他們的 IC 上加入保護(hù)裝置。此外，測(cè)試工程師必須確保測(cè)試人員不會(huì)在產(chǎn)品經(jīng)過(guò)測(cè)試步驟或老化時(shí)對(duì)設(shè)備造成過(guò)度應(yīng)力。測(cè)試電路應(yīng)提供與產(chǎn)品內(nèi)部電路相同類型的保護(hù)。

靜電放電 (ESD) 是 EOS 類別的一個(gè)子集。ESD 可在任何階段影響電子設(shè)備的功能——在設(shè)備制造、測(cè)試、處理、組裝、生產(chǎn)或現(xiàn)場(chǎng)使用期間。1,2,3 當(dāng)電荷因任何原因積聚在表面上時(shí)，就會(huì)發(fā)生 ESD。由于摩擦起電，在地毯上行走的人會(huì)產(chǎn)生高達(dá) 20 kV 的靜態(tài)電壓。此外，使用塑料部件的機(jī)器會(huì)產(chǎn)生靜電荷。顯然，將這種電荷耗散到半導(dǎo)體中會(huì)損壞器件。 

ESD 不一定會(huì)立即導(dǎo)致組件故障；它可能會(huì)導(dǎo)致組件中的潛在缺陷在常規(guī)測(cè)試期間無(wú)法檢測(cè)到。當(dāng)系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)的非實(shí)驗(yàn)室條件下運(yùn)行時(shí)，這種“弱化”的組件更有可能在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障。

通常，ESD 損壞通過(guò)以下方式表現(xiàn)出來(lái)：

· 放電或電過(guò)應(yīng)力會(huì)損壞設(shè)備。損壞會(huì)導(dǎo)致高于正常的電流流動(dòng)，從而導(dǎo)致熱過(guò)應(yīng)力。熱過(guò)應(yīng)力熔化金屬互連并損壞結(jié)。

· 強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致結(jié)和薄氧化層的擊穿。

· ESD 感應(yīng)場(chǎng)可耦合到 PCB 走線并產(chǎn)生可熔化半導(dǎo)體結(jié)的高電流。

· 由于可控硅整流器 (SCR) 的觸發(fā)，放電會(huì)導(dǎo)致 CMOS 器件中的“閂鎖”。 

我們可以在 CMOS RS-232C 收發(fā)器 IC 的顯微照片中看到 ESD 損壞的影響。分析表明，ESD 瞬態(tài)引起的閂鎖是IC 器件故障的原因。由于器件中的寄生 pnpn 結(jié)構(gòu)，CMOS 集成電路特別容易出現(xiàn) ESD 和閂鎖問題。 

這些結(jié)構(gòu)形成 SCR，當(dāng)任何引腳放電觸發(fā)時(shí)，SCR 將繼續(xù)導(dǎo)通，就像器件的 VDD 和 VSS 引腳之間的短路一樣。閉鎖不可避免地會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱和設(shè)備故障。在嚴(yán)重的情況下，由于設(shè)備在自身?yè)p壞之前產(chǎn)生的高溫，設(shè)備會(huì)被燒焦（圖2）。在另一個(gè)發(fā)生故障的器件中，來(lái)自 ESD 的能量通過(guò)氧化層燒毀了一個(gè)微小的孔，這導(dǎo)致了隨后的故障。 

當(dāng)我們檢測(cè)到由 ESD 引起的故障時(shí)，請(qǐng)?zhí)嵝盐覀?span>公司的工程師、技術(shù)人員和其他員工在存儲(chǔ)、處理、組裝和測(cè)試過(guò)程中采取一些簡(jiǎn)單的預(yù)防措施，以最大程度地減少 ESD 造成的損壞影響。標(biāo)準(zhǔn)預(yù)防措施包括：

· 將電子元件存放在消散靜電的管和箱中；

· 組裝時(shí)佩戴腕帶；

· 手工焊接時(shí)，使用接地端焊接設(shè)備；

· 使用防靜電工作臺(tái)和地板；和

· 將組件包裝在消散靜電的袋子中。

組件故障分為兩個(gè)子組：一批組件中通過(guò)初始測(cè)試的問題，以及組件設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題。

有時(shí)，一批組件中會(huì)出現(xiàn)多于正常數(shù)量的故障。這些組件通過(guò)了最初的生產(chǎn)測(cè)試，然后處理不當(dāng)、包裝技術(shù)不佳以及組裝、測(cè)試和運(yùn)輸過(guò)程中的問題通過(guò)導(dǎo)致僅在最終組裝后才出現(xiàn)的潛在缺陷“削弱”了組件。根據(jù)我們的分析，我們可能需要重新評(píng)估我們的傳入測(cè)試和處理流程。我們可能需要與供應(yīng)商合作以“收緊”產(chǎn)品規(guī)格。

一個(gè)組件中的小但非致命故障可能會(huì)級(jí)聯(lián)并導(dǎo)致其他組件中的破壞性故障。考慮開關(guān)電源中的變壓器的情況。漏感等寄生效應(yīng)會(huì)引起電壓尖峰，進(jìn)而導(dǎo)致開關(guān)晶體管擊穿。我們可能必須隔離故障并回溯以找到主要原因。然后，我們需要與制造商和 QA 人員合作，以確保我們獲得的產(chǎn)品符合我們所需的嚴(yán)格公差。