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
Inhalt 1 Einleitung 1 1.1 Geschichte der Elektrostatik 1 1.2 Definition 2 1.3 ESD - Geschichte 3 1.4 Kostenfaktor ESD 4 1.5 ESD - Problematik 6 1.6 Weitere Informationsquellen 7 2 Elektrostatische Aufladung 9 2.1 Physik der Aufladung 9 2.1.1 Erste Phase: Kontakt 9 2.1.2 Zweite Phase: Trennung 13 2.1.3 Einflußgrößen 14 2.1.4 Meßtechnik 19 2.2 Meßergebnisse 21 3 ESD - Modelle 27 3.1 Natürliche Entladungsvorgänge 27 3.1.1 Personenentladung 27 3.1.2 Objektentladung 30 3.2 Übersicht über die Modelle 32 3.2.1 Test von Bauelementen 3 2 3.2.2 Test von Geräten 33 3.3 Human-Body-Model (HBM) 33 3.3.1 Standard 33 3.3.2 Vergleich mit einer natürlichen Personenentladung 34 3.3.3 Entwicklung eines HBM-Testgerätes 34 3.3.3.1 Anforderungen 34 3.3.3.2 Lösungskonzepte 3 5 3.3.3.3 Aufbau mit Halbleiter-Schalter 37
Inhalt 3.3.3.4 Ergebnisse 38 3.3.3.5 Bestimmung des Ersatzschaltbildes mit einer 40 PSPICE-Simulation 3.3.4 Vergleich von HBM-Testgeräten 42 3.3.4.1 Ziele 42 3.3.4.2 Versuchsaufbau und -durchführung 42 3.3.4.3 Meßergebnisse und Diskussion 43 3.3.4.4 Erweiterung des MIL-STD 49 3.3.5 Vergleich der Ausfallgrenzen eines ICs mit verschiedenen 50 HBM-Testgeräten 3.3.5.1 Testbauelement 5 0 3.3.5.2 Testablauf 50 3.3.5.3 Ergebnisse 51 3.3.5.4 Diskussion 51 3.3.6 Vergleich der Ausfallgrenzen mit diskreten Testboard- 51 kapazitäten 3.3.6.1 Beschreibung der Schutzstrukturen 51 3.3.6.2 Versuchsaufbau und -durchführung 5 3 3.3.6.3 Ergebnisse 53 3.3.6.4 Diskussion 55 3.4 Weitere Modelle 55 3.4.1 Machine Model 55 3.4.1.1 Standard 55 3.4.1.2 Testerkorrelation 5 6 3.4.2 Charged Device Model 58 3.4.2.1 Natürliche "charged device" Entladung 59 3.4.2.2 Standard 61 3.4.2.3 Bewertung und Vergleich der Konzepte 63 3.4.2.4 Testerkorrelation 66 3.5 Vergleich der ESD-Modelle 67 3.6 Test von Geräten 68
Inhalt, VU_ 3.6.1 Definition des Testsignals 69 3.6.2 Testbedingungen 71 3.6.3 Probleme 73 4 Entladung: Totalausfall 77 4.1 pn-übergang in Sperrichtung 79 4.1.1 Elektrische Kennlinie 79 4.1.2 Wunsch-Beil Modell für die thermische Zerstörung 83 4.1.3 Verbessertes Modell nach Tasca 84 4.1.4 Erweiterung auch rechteckförmiger Volumen 85 4.1.5 Vergleich der Modelle 88 4.1.6 Übertragung auf beliebige Pulsformen 88 4.1.7 Ausfallgrenze für einen HBM-Puls 90 4.2 pn-übergang in Durchlaßrichtung 92 4.3 Metallisierung 93 4.3.1 Experimentelle Ergebnisse 93 4.3.2 Theoretische Abschätzung der Ausfallgrenze 94 4.4 Isolator 96 4.4.1 Zeitlich konstantes elektrisches Feld 96 4.4.2 ESD-Puls 98 4.5 Verbindungshalbleiter 99 4.6 Skalierung der ESD-Empfindlichkeit 101 4.6.1 MOSFET-Skalierung 102 4.6.2 ESD-Skalierung 102 4.7 Vergleich der Ausfallgrenzen 104 4.8 Gemessene Ausfallgrenzen 105 4.8.1 Ergebnisse 105 4.8.2 Ursachen der Streuung 109 4.9 Ausfallwahrscheinlichkeit 115
VIII 5 Entladung: Degradation (H. Baumgärtner) 5.1 Definition 5.2 Physik der Schadensmechanismen 5.2.1 Elektromigration 5.2.2 Heiße Elektronen 5.2.3 Ladungsinjektion durch hohe Oxidfeldstärken 5.2.4 Auswirkungen auf die Kennlinien 5.3 Bestimmung der Lebensdauer 5.3.1 Definitionen 5.3.2 Meßmethoden 5.4 Meßergebnisse 5.4.1 Elektrische Eigenschaften 5.4.1.1 Heiße Elektronen 5.4.1.2 Ladungsinjektion durch hohe Oxidfeldstärken 5.4.1.3 Degradation der Schutzschaltung 5.4.1.4 pn-übergang 5.4.2 Lebensdauer 5.4.2.1 Heißer Elektronen Test 5.4.2.2 Lagertest 5.4.2.3 Betriebstest 5.5 Modell für einen Degradationstest 5.5.1 Ergebnisse 5.5.2 Statistische Ausfallanalyse 5.5.3 Degradationsmodell 6 ESD-Schutzeinrichtungen (R. Gärtner) 6.1 Messung des spez. Oberflächenwiderstandes 6.2 Probleme bei der Messung des Erdableit-widerstandes 6.2.1 Einfluß der Meßelektrode 6.2.2 Einfluß des Kontaktmateriales 121 121 123 124 126 132 136 138 138 138 140 140 140 144 147 149 151 151 152 152 155 156 157 158 165 167 170 171 173
Inhalt IX 6.2.3 Einfluß der Meßspannung 174 6.3 Ausstattung einer ESD-Schutzzone 176 6.3.1 Raumausstattung 176 6.3.1.1 Kennzeichnung 176 6.3.1.2 Arbeits- und Ablageflächen 179 6.3.1.3 Fußböden 180 6.3.1.4 Schuhwerk- und Handgelenkerdungsbandtester 180 6.3.1.5 Sitzgelegenheit 182 6.3.1.6 Werkzeuge 183 6.3.1.7 Ionisatoren 184 6.3.2 Personenausstattung 184 6.3.2.1 Handgelenkerdungsband 184 6.3.2.2 Ableitfähiges Schuhwerk 185 6.3.2.3 Kleidung 186 6.3.3 Elektrostatische Felder 188 7 ESD-Schutzverpackung (R. Gärtner) 191 7.1 Verpackungscharakteristik 192 7.2 Anforderungen an ESD-Schutzverpackungen 197 7.2.1 Schutzwirkung gegen triboelektrische Aufladung 197 7.2.2 Schutzwirkung gegen elektrostatische Entladung 199 7.2.3 Kontrollierter Ladungsabbau 202 7.2.3.1 Aufladung durch Corona 203 7.2.3.2 Aufladung durch eine Kontaktplatte 204 Register 207