Статья: Статическое электричество и полупроводниковая электроника
Расплавление металлизации происходит, если разряд обладает достаточной мощностью для расплавления металла соединительных дорожек, так как толщина, а зачастую и ширина металлизированных дорожек настолько малы, что металл расплавляется, как у плавких предохранителей под действием повышенного значения тока.
Объемный пробой возникает в результате изменения параметров перехода из-за воздействия высоких температур под влиянием тока разряда, что приводит в конце концов к быстрой диффузии примесей и замыканию переходов в объеме (рис.4, 5).
Пробой диэлектрика возникает тогда, когда значение электрического поля превышает значение поля, связывающего электроны с ядрами атомов. Освобожденные электроны формируют внутренний ток, который дает лавинный эффект, разрушающий диэлектрик, - в нем образуется отверстие.
Поверхностный пробой, как следует из названия, реализуется на поверхности; он зависит от целого ряда параметров поверхности кристалла изделия. Явление закономерно приводит к утечке на переходе.
Газовый дуговой разряд аналогичен газовому разряду в вакуумных лампах; в конечном счете он вызывает испарение металлических частей изделия.
В большинстве случаев отказы приборов под воздействием разряда происходят не по одной из перечисленных причин, а от совокупности нескольких. Разрушение перехода носит очень сложный характер, и ни напряжение, ни ток по отдельности не играют решающей роли. Их совместное действие влияет на переход, изменяя его состояние, что, в свою очередь, сопровождается воздействием на ток и напряжение. В результате возникает точечное повышение температуры и расплавление кремния.
Анализ биполярных ИС, получивших повреждение из-за разряда, показывает, что у 90% схем были повреждены переходы, у остальных 10% была повреждена металлизация. Одновременно у 27% схем имел место пробой диэлектрика.
Скрытые угрозы
При разряде возможно также возникновение небольшого повреждения, которое тем не менее приводит к отказу устройства при эксплуатации в начальный период. Испытания на принудительный отказ (например, электротермотренировка) не исключают возникновения “электростатических” отказов. Дополнительные манипуляции с изделием при проведении испытаний на принудительный отказ способны увеличить число ранних отказов, если не приняты соответствующие меры для предотвращения возникновения статического электричества. Скрытые дефекты могут проявиться не сразу после воздействия разряда, а спустя месяцы или годы. Их можно разбить на три категории:
- нанесенный ущерб настолько мал, что прибор полностью соответствует паспортным характеристикам. Вероятность безотказной работы в течение всего срока службы высока;
- поврежденный элемент прибора по параметрам слегка выходит за установленные пределы и вполне способен выполнять свои функции в системе. Однако имеется достаточная вероятность преждевременного отказа;
- прибор работоспособен, но не отвечает всем предъявляемым к нему требованиям. Надежность прибора существенно ослаблена.
По физическому принципу скрытые дефекты делятся тоже на три группы.
Дефекты оксида. Прежде всего это проколы, приводящие обычно либо к закороткам, либо к образованию паразитных диодов. В некоторых случаях подобные дефекты могут долго оставаться незамеченными и начинают сказываться лишь при значительном повышении температуры.
Дефекты металлизации, проявляющиеся в виде выброса металла. В результате таких дефектов возрастают токи утечки либо появляются закоротки. Зачастую возникающие проводящие перемычки не влиют на нормальную работу схемы и даже исчезают (плавятся) при перегрузках по напряжению. Но все же считается, что дефекты подобного рода сокращают срок службы: они, в частности, делают приборы более восприимчивыми к импульсным перегрузкам в процессе эксплуатации.
Дефекты, связанные с расплавлением объемных участков кремния, не влияющие на выходные параметры изделия. Пример - пробой диффузионного резистора в месте соединения с алюминиевой дорожкой. Импульс разряда может проплавить дорожку из алюминия через диффузионный резистор.
Испытания на прочность
В отечественной практике устойчивость полупроводниковых устройств к воздействию разряда принято характеризовать опасным (критическим) потенциалом и допустимым потенциалом [1].
Опасный потенциал - это потенциал разряда, при котором происходит отказ изделия, т.е. выход параметров за нормы, указанные в технических условиях (ТУ). В зарубежной технической литературе данный параметр называется порогом чувствительности или напряжением повреждения.
Допустимый потенциал - это потенциал разряда, не превышающий половины опасного, причем он выбирается равным ближайшему из меньших значений: 10; 30; 100; 200; 500; 1000; 2000 В.
Искомые потенциалы находят в две стадии. На первой стадии определяется предварительное значение опасного потенциала. Для каждого типа изделия перед началом эксперимента находят наиболее уязвимое место и электрические параметры, его характеризующие. Перед началом работы измеряют основные электрические параметры, а также специфические для уязвимого места. Далее на испытуемый прибор воздействуют импульсами напряжения, и после каждого воздействия разряда снова проводят электрические измерения. Величина минимального потенциала воздействующего разряда и последовательность его увеличения для каждого типа изделия устанавливаются индивидуально. За опасный потенциал принимается такое значение, при котором у 50% выборки параметры выходят за нормы ТУ.
На второй стадии окончательное значение допустимого потенциала устанавливают после испытаний на надежность, в которых участвуют две партии изделий. Одна из партий перед испытанием подвергается воздействию предполагаемого допустимого потенциала, вторая является контрольной. После работы приборов при повышенной температуре в течение 100 ч сравнивается количество отказов в обеих партиях: число отказов в испытуемой партии не должно превышать число отказов контрольной.
Известно, что отрицательное влияние разряда в первую очередь сказывается на структурах типа металл-оксид-полупроводник (МОП) - устройствах, в которых “работают” носители одной полярности. Однако перечень изделий, особо чувствительных к воздействию разряда, не ограничивается указанными типами. Некоторые биполярные приборы также могут повреждаться разрядами. Например, по этой причине в цифровых ИС наблюдалась деградация входных диодов. Пороги чувствительности некоторых полупроводниковых приборов и ИС приведены в табл.4.
Большие разбросы по порогу чувствительности объясняются зависимостью последнего от размеров испытуемых элементов устройства, его конструкции и технологии изготовления, выбора параметров, характеризующих годность прибора, и от величин последних. Подобные испытания позволяют отбирать более надежные конструктивно-технологические решения. Так, при исследовании двух модификаций цифровых биполярных ИС транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) - с изоляцией р-n-переходом (серия 133) и оксидом (серия 106) - выяснилось, что схемы с диэлектрической изоляцией обладают большей стойкостью к разрядам (табл.5). Удается найти слабые места и в сложной радиоэлектронной аппаратуре. Остановимся на одном, близком всем, примере.
Почему ломаются видеомагнитофоны?
В процессе производства и эксплуатации бытовых видеомагнитофонов “Электроника ВМ-12” выяснилось, что одна из причин выхода их из строя - поломка блока “ТАЙМЕР” (Т) при воздействии разряда. При этом происходит сбой или погасание временного индикатора. Когда стали проверять установленные в блоке полупроводниковые устройства, обнаружились пробой переходов диодов, транзисторов и ИС, перегорание и испарение металлизации на кристалле, а также изменение электрических параметров. Встал вопрос, какой по величине потенциал приводит к параметрическим и катастрофическим отказам составляющих блока Т.
Блок Т выполнен на базе микроЭВМ (БИС типа КР1005ВИ1) и содержит еще 15 диодов, шесть транзисторов и одну гибридную ИС. Испытания осуществлялись по программе, включающей воздействие на каждое изделие блока Т пяти разрядов как положительной, так и отрицательной полярности при различных значениях напряжения (табл.6).
Потенциалы, при которых начинались заметные изменения вольтамперных характеристик (ВАХ), имеют значительно меньшие величины, чем потенциалы, приводящие к катастрофическим отказам приборов. Наиболее чувствительным к разряду элементом блока Т оказалась БИС типа КР1005ВИ1. Потенциалы статического заряда +500 В и -700 В относительно “земляного” вывода ИС способны приводить к существенному изменению ВАХ. Под действием разряда порядка 1000 В независимо от знака практически любой р-n-переход БИС может быть выведен из строя.
