ESD- Elektrostatische Entladungen

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1 ESD- Elektrostatische Entladungen Ein Zuverlässigkeitsproblem in der Elektronikindustrie von Dr. habil. Hermann Baumgärtner Dipl.-Phys. Reinhold Gärtner mit 113 Bildern und 24 Tabellen ** * III Bibliothek V R. Oldenbourg Verlag München Wien 1997

2 Inhalt 1 Einleitung Geschichte der Elektrostatik Definition ESD - Geschichte Kostenfaktor ESD ESD - Problematik Weitere Informationsquellen 7 2 Elektrostatische Aufladung Physik der Aufladung Erste Phase: Kontakt Zweite Phase: Trennung Einflußgrößen Meßtechnik Meßergebnisse 21 3 ESD - Modelle Natürliche Entladungsvorgänge Personenentladung Objektentladung Übersicht über die Modelle Test von Bauelementen Test von Geräten Human-Body-Model (HBM) Standard Vergleich mit einer natürlichen Personenentladung Entwicklung eines HBM-Testgerätes Anforderungen Lösungskonzepte Aufbau mit Halbleiter-Schalter 37

3 Inhalt Ergebnisse Bestimmung des Ersatzschaltbildes mit einer 40 PSPICE-Simulation Vergleich von HBM-Testgeräten Ziele Versuchsaufbau und -durchführung Meßergebnisse und Diskussion Erweiterung des MIL-STD Vergleich der Ausfallgrenzen eines ICs mit verschiedenen 50 HBM-Testgeräten Testbauelement Testablauf Ergebnisse Diskussion Vergleich der Ausfallgrenzen mit diskreten Testboard- 51 kapazitäten Beschreibung der Schutzstrukturen Versuchsaufbau und -durchführung Ergebnisse Diskussion Weitere Modelle Machine Model Standard Testerkorrelation Charged Device Model Natürliche "charged device" Entladung Standard Bewertung und Vergleich der Konzepte Testerkorrelation Vergleich der ESD-Modelle Test von Geräten 68

4 Inhalt, VU_ Definition des Testsignals Testbedingungen Probleme 73 4 Entladung: Totalausfall pn-übergang in Sperrichtung Elektrische Kennlinie Wunsch-Beil Modell für die thermische Zerstörung Verbessertes Modell nach Tasca Erweiterung auch rechteckförmiger Volumen Vergleich der Modelle Übertragung auf beliebige Pulsformen Ausfallgrenze für einen HBM-Puls pn-übergang in Durchlaßrichtung Metallisierung Experimentelle Ergebnisse Theoretische Abschätzung der Ausfallgrenze Isolator Zeitlich konstantes elektrisches Feld ESD-Puls Verbindungshalbleiter Skalierung der ESD-Empfindlichkeit MOSFET-Skalierung ESD-Skalierung Vergleich der Ausfallgrenzen Gemessene Ausfallgrenzen Ergebnisse Ursachen der Streuung Ausfallwahrscheinlichkeit 115

5 VIII 5 Entladung: Degradation (H. Baumgärtner) 5.1 Definition 5.2 Physik der Schadensmechanismen Elektromigration Heiße Elektronen Ladungsinjektion durch hohe Oxidfeldstärken Auswirkungen auf die Kennlinien 5.3 Bestimmung der Lebensdauer Definitionen Meßmethoden 5.4 Meßergebnisse Elektrische Eigenschaften Heiße Elektronen Ladungsinjektion durch hohe Oxidfeldstärken Degradation der Schutzschaltung pn-übergang Lebensdauer Heißer Elektronen Test Lagertest Betriebstest 5.5 Modell für einen Degradationstest Ergebnisse Statistische Ausfallanalyse Degradationsmodell 6 ESD-Schutzeinrichtungen (R. Gärtner) 6.1 Messung des spez. Oberflächenwiderstandes 6.2 Probleme bei der Messung des Erdableit-widerstandes Einfluß der Meßelektrode Einfluß des Kontaktmateriales

6 Inhalt IX Einfluß der Meßspannung Ausstattung einer ESD-Schutzzone Raumausstattung Kennzeichnung Arbeits- und Ablageflächen Fußböden Schuhwerk- und Handgelenkerdungsbandtester Sitzgelegenheit Werkzeuge Ionisatoren Personenausstattung Handgelenkerdungsband Ableitfähiges Schuhwerk Kleidung Elektrostatische Felder ESD-Schutzverpackung (R. Gärtner) Verpackungscharakteristik Anforderungen an ESD-Schutzverpackungen Schutzwirkung gegen triboelektrische Aufladung Schutzwirkung gegen elektrostatische Entladung Kontrollierter Ladungsabbau Aufladung durch Corona Aufladung durch eine Kontaktplatte 204 Register 207