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EOS和ESD失效分析

在大多數的失效分析案例中電子子元件內部電路與地（GND）或不同電位貼之簡形成短路，產生過點流而造成原件損壞為大多數電子元件失效的主要因素。靜電可以定義為累積在材料表面的固定電荷。靜電荷之間的相互作用（稱為靜電）導致兩個關鍵問題：靜電過應力（EOS）和靜電放電（ESD）。

通常，ESD會導致半導體行業中超過三分之一的現場故障。ESD引起的半導體故障可以通過泄漏，短路，燒毀，接觸損壞，柵極氧化物破裂以及電阻器-金屬界面損壞的形式看到。EOS是一個術語，用于描述當IC承受超過器件數據手冊規格限制的電流或電壓時可能發生的熱損壞。EOS事件可能會使IC降級或導致永久性功能故障。EOS比ESD慢得多，但是相關能量很高。

熱損壞是EOS事件期間產生的過多熱量的結果。EOS事件中的高電流會在低電阻路徑中產生局部高溫。高溫會損壞器件材料，例如柵極氧化物和互連，導致金屬燒壞。由于EOS和ESD故障模式的相似性，EOS和ESD通常歸類為單項故障機制，即“ ESD和EOS”。

關于應力事件，ESD和EOS相似，但電流或電壓以及時間應力條件不同。ESD是一個非常高的電壓（> 500 V）和中等的峰值電流（?1 A至10 A）事件，在短時間內發生。EOS是發生在較長時間范圍內的低電壓（<100 V）和大峰值電流（> 10 A）事件。如果長時間持續，閂鎖也會導致EOS損壞。

靜電放電

ESD是兩個物體之間通過直接接觸或感應電場以不同的靜電勢瞬時釋放靜電荷的過程。這是帶靜電的物體的結果。通過IC釋放靜電荷會產生大電流并耗散能量，從而損壞IC。任何材料表面的電荷通常是中性的。當能量傳遞給它時，會發生電荷不平衡。

由于導電表面中的高電子遷移率，導體不易通過摩擦來充電，因此會發生電荷復合并保留中性表面。另一方面，絕緣子可以容易地通過摩擦來充電。將能量傳遞給不導電的材料會導致大量的局部堆積電荷，直到它通過外部路徑放電為止。靜電的主要來源包括絕緣體，例如塑料表面，絕緣鞋，木質材料和氣泡包裝。由于絕緣體中的電荷分布不均勻，這些源所產生的電壓電平可能會很高，達到總計千伏。

IC中的ESD損壞也可能來自熱現象。局部體積中會以非常快的速率產生大量熱量，而這太快了，無法去除。因此，IC會以金屬互連燒壞，多晶硅損壞，柵氧化層破裂或擊穿，接觸尖峰或結擊穿的形式損壞。

當人們在合成地板上行走時，它們可以累積高達20 kV的電壓。在干燥的空氣中摩擦（摩擦）尼龍和聚酯可產生25 kV。當人觸摸接地物體時，電荷會在很短的時間內（1到100 ns）從人移動到物體。放電時間和電流取決于時間常數。

放電電流總計約為1 A至10A。從工廠到現場的任何地方都可能對電子設備造成靜電損壞。半導體器件設計用于ESD保護，可在短時間內承受高電流。

例如，如果某個設備符合ESD-HBM的規定，可以承受2kV的指定電壓，則該設備可以以1.3ns的上升時間和10ns的下降時間承載1.3A電流。但是，該同一設備在幾毫秒內無法傳輸100 mA的電流。如果設備暴露于弱ESD脈沖中并受到部分損壞，則它可能會繼續發揮足夠的作用，并通過符合數據表規格的生產自動化測試設備（ATE）測試。

然后，該缺陷可能會隨著時間的流逝而擴展，并且幾個小時后設備就會發生故障。這些類型的缺陷稱為潛在缺陷，而故障稱為潛在的ESD故障。潛在缺陷很難檢測到，尤其是在將設備組裝成最終產品之后。從概念上講，ESD（Electro-Static discharge），靜電釋放，EOS （Electrical Over Stress），電氣過應力。廣義上講ESD也屬于EOS，為了便于分析，這里將靜電導致的應力失效認為是ESD失效，其余電氣應力失效認為是EOS失效。

有統計表明，ESD和EOS失效比例分別占3%和97%。

ESD是兩種材料互相位移，導致靜電釋放，ESD事件需要滿足下列條件：

（1）大電壓，＞500V，峰值電流不高；（2）低能量，放電曲線是脈沖型，時間作用時間短，小于1μs。

ESD失效通常在顯微鏡下能觀測到穿孔，如下圖：

EOS失效是在EOS事件發生后，由于過熱導致芯片失效。過熱是芯片內部連接電阻發熱的結果。在低電阻路徑中，在EOS事件期間經歷的高電流會產生局部的高溫，從而對芯片結構造成破壞性損壞。

EOS事件需要滿足下列條件：（1）低電壓，＜100V，峰值電流高；（2）高能量，事件作用時間通常大于1ms。

EOS失效顯微鏡下觀測如下：  

ESD防護方法：

（1）做好接地，在生產過程中注意帶防靜電手腕及工作表面接地；

（2）芯片在儲存或運輸過程中，用靜電屏蔽袋作為保護；

（3）芯片焊接時，盡量使用離子風機，離子氣槍；

（4）PCB增加保護器件。

治理EOS事件時，首先需要明白多數EOS事件最終并未得到解決。EOS關鍵是注意芯片規格書的極值范圍，治理方法可以通過下列：

（1） 測試設備有無接地不良；

（2） 接地回路電流是否過大；

（3） 是否存在高電感/電容負載；

（4） 是否存在交流電源線浪涌（大開關電流）；

（5） 是否將長電纜連接到有源電路。

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