Poškození integrovaných obvodů (IO) vlivem elektrostatického výboje

Datum: 25.06.2017

Kategorie: Účinky statické elektřiny v elektronickém průmyslu

Vlivem elektrostatického výboje může docházet k různým typům poškození integrovaných obvodů. Nejčastějším následkem poškození je zvětšený svodový proud (leakage) nebo zkrat některých vstupních a výstupních pinů. Dalšími poruchami jsou nadměrný napájecí proud, funkční poruchy nebo občas i odpojené vývody. Selhání integrovaných obvodů jde těžko odhalit. Výjimkou může být poškození pinů, které se zjišťuje měřením voltampérových charakteristik. Skryté vady mohou ovlivnit spolehlivost a životnost zařízení.

Vznik elektrostatického náboje a elektrostatického výboje (ESD)

Elektrostatický náboj vznikne například při vzájemném tření dvou izolačních ploch. Tím se na jedné z ploch hromadí elektrony a na druhé se uvolňují. Obě plochy vykazují jiný potenciál. Pokud tyto plochy přiblížíme k sobě, dojde při určité vzdálenosti k elektrostatickému výboji. ESD je možné popsat jako záblesk elektrostatického náboje, který přechází z jedné desky na druhou. Podmínkou je dostatečně velké elektrostatické napětí, aby byla překročena dialektrická pevnost materiálu (v našem případě vzduchu), který odděluje jednotlivé plochy od sebe. Nebezpečný elektrický proud, který poškodí polovodičový obvod, vzniká právě při přechodu elektrostatického náboje z jedné plochy na druhou.

Obecně může k ektrostatickému výboji dojít následovně:

Pokud jsme elektrostaticky nabiti a dotkneme se polovodičových vývodů.
Pokud se nabitý polovodičový obvod dotkne například uzemněné plochy.
Dotkneme-li se polovodičového obvodu například nabitým nářadím.
Ocitne-li se obvod náhodou v elektrostatickém poli.

Konkrétní poškození IO můžeme rozdělit na:

roztavení vodivých spojů nebo rezistorů,
poškození polovodičových přechodů nebo kontaktů,
poškození dielektrické izolace.

Rozdělení poškození podle příčiny:

poškození vlivem velkého proudu (patří sem konkrétní poškození 1 a 2),
poškození vlivem velkého napětí (průraz dielektrické izolace).

Roztavení vodivých spojů nebo rezistorů

Příčinou roztavení vodivých spojů nebo rezistorů je zvýšený proud z elektrostatického výboje. Tento proud prochází tenkými spoji nebo rezistory na IO, a dochází k ohřívání těchto vodičů. K poškození dochází, je-li překročena teplota tavení křemíku nebo vodiče. Ohrožené jsou hlavně tenké kovové spoje, tenkovrstvé nebo tlustovrstvé rezistory a křemíkové polykrystalické rezistory a spoje.

Poškození polovodičových přechodů nebo kontaktů

K takovým poškozením dochází u mělkých polovodičových přechodů PN (např. přechod emitor-báze u bipolárních tranzistorů nebo přechod drain-source u tranzistorů MOS), když se dostanou do lavinového průrazu. Průraz nastane po prudkém nárůstu proudu. Průběh poškození je většinou následující (citace Dr. Ing. Pavel Horský, "Elektrostatický výboj a jeho vliv na spolehlivost integrovaných obvodů (1. část)" ):

napětí na závěrně polarizovaném přechodu PN překročí napětí lavinového průrazu,
druhý průraz může nastat tehdy, ohřeje-li se vlivem průchodu proudu přechod PN na teplotu, při níž tepelná generace nosičů náboje překročí generaci nosičů náboje způsobenou lavinovým průrazem,
místem druhého průrazu protéká velmi velký proud a způsobuje velmi lokální zahřívání materiálu,
lokální zahřívání urychluje termální generaci nosičů náboje a to způsobuje další lokální růst proudu, tedy kladnou zpětnou vazbu; vyvrcholením je roztavení křemíku, když teplota překročí 1 415 °C,
je-li teplota dostatečná k roztavení kovového vodiče v oblasti kontaktu mezi kovovým vodičem a křemíkem, elektrické pole může způsobit, že se roztavený kov dostane do oblasti polovodičového přechodu a způsobí odporový zkrat polovodičového přechodu.

Po následném ochlazení a ztuhnutí materiálu, je poškozen polovodičový přechod a může dojít i ke změně krystalické mřížky křemíku. To vše způsobí snížení napětí přechodu PN. Projevit se můžou různá poškození: zvýšení svodového proudu, až nefunkčnost IO. Nefunkčnost IO může být také způsobena tím, že se kov v přilehlé oblasti kontaktu mezi polovodičem a spojem roztavil a migroval do oblasti polovodičového přechodu. Vznikne tak odporový zkrat.

Průraz dielektrika

Dielektrická izolace ja např. z nitridu křemíku nebo oxidu křemíku. K průrazu dielektrika dojde, pokud napětí na dielektrické izolaci během elektrostatického výboje překročí dielektrickou pevnost.

Průběh průrazu dielektrika:

je překročeno závěrné napětí dielektrika,
tímto bodem proteče relativně velký proud, který vyvolá lokální přehřátí,
v tomto místě se vytvoří přetavený amorfní nebo polykrystalický křemík.

Nejčastěji dochází k elektrostatickému výboji, když je integrovaný obvod mimo cílovou aplikaci, tedy při nesprávné manipulaci. Elektrostatický výboj je otázkou zlomku vteřiny (kratší než 250 ns). Proud může prakticky neomezeně téci do čipu, dokud nenarazí na nějaký odpor.

Informace o technologických postupech v SMT, o pouzdrech SMD, pájení, čištění, opravách apod. naleznete na www.smtcentrum.cz