h1_key

  保護IGBT和MOSFET免受ESD損壞，功率MOSFET用戶都很熟悉“靜電敏感器件”警告標志。但是，越熟悉越容易疏忽。從統計的角度來看，單個MOSFET靜電放電不太可能(ESD)損壞。然而，在成千上萬的處理中MOSFET極小的故障可能會產生很大的影響。

  一個有效的ESD防控方案必定是詳盡而具體的。但它的基本概念可概括為下列10條：

  1. 確保使用封閉的導電容器儲存并運輸MOSFET。

  2. 僅在靜電控制工作站接地后才從容器中移走MOSFET。

  3. 處理功率MOSFET的工作人員應穿戴防靜電服，并始終接地。

  4. 地板應鋪設接地的防靜電地毯或進行靜電耗散處理。

  5. 桌子應鋪設接地的靜電耗散桌布。

  6. 避免使用任何類型的絕緣材料。

  7. 僅在一次性應用中使用防靜電材料。

  8. 務必使用接地烙鐵安裝MOSFET。

  9. 僅在靜電控制工作站測試MOSFET。

  10. 同時采取上述所有防護措施，并確保工作人員經過培訓。

  什么是ESD?

  ESD是靜電放電。靜電是指一個表面相對于另一個表面或地產生的電子過量或不足。電子過量的表面帶負電，電子不足的表面帶正電。靜電的電壓(伏特)和電荷(庫倫)是可測量的。

  物體上的靜電荷會導致電子分布的不平衡。當電子從一個物體向另一個電壓電勢不同的物體轉移而嘗試重新建立平衡時，發(fā)生靜電放電(ESD)。靜電敏感器件(如功率MOSFET)成為放電路徑的一部分，或者位于靜電場范圍內時，它可能被永久性損壞。

  靜電的產生

  摩擦起電是最常見的靜電起電方式。摩擦兩種材料，即，兩種材料接觸后再分離會產生摩擦起電。兩個物體互相摩擦時，因為不同物體的原子核束縛核外電子的本領不同，所以其中必定有一個物體失去一些電子，另一個物體得到多余的電子。異質材料，尤其是表面電阻率高的材料對摩擦起電特別敏感。

  感應起電是另外一種靜電起電方式。當一個物體接近帶高強電荷的物體或高能量的ESD時發(fā)生感應起電。

  ESD對功率MOSFET的危害

  故障模式

  功率MOSFET最大的運行優(yōu)勢之一是：當達到ESD超高輸入電阻時(典型值> 4 x 109 ohms)，它會關閉。功率MOSFET的柵極可以視為一個低電壓(HEXFET器件電壓為+ 20V)低泄露的電容。如圖1所示，電容器極板主要由硅柵極和源極金屬化形成。電容器介質是氧化硅柵極絕緣。

  圖 1.HEXFET 基本結構

  當柵源電壓高到跨過柵介質時，MOSFET發(fā)生ESD損壞。此時柵氧化層上的微孔被燒壞，器件永久性損壞。如同任何電容，必須給功率MOSFET的柵極充電以便達到特定的電壓。更大的器件有更大的電容，電壓每上升一伏也需要更多的電荷，因此比較小的MOSFET更不容易遭受ESD損壞。同樣，靜電放電一般不會產生突發(fā)性失效，直至柵源電壓超出額定最大值的2到3倍。

  圖2a是典型的ESD損傷場景。這個場景是將人體模型(HBM)充電到700V，然后再放電到器件的柵極所產生的損傷。在將裸片表層從多晶硅剝離后，用掃描電子顯微鏡放大5000倍拍攝了該照片。圖2b顯示在剝離之前，裸片表面無任何可視性損傷。圖2a的實際損傷直徑僅為8微米。ESD損傷表現出的電氣癥狀是柵極和源極之間的低電阻或齊納效應，施加的電壓小于±20伏。

  造成ESD損傷所需的電壓至少為1000 V(具體大小取決于芯片尺寸)。這是由于承載電荷的體二極管的電容大大低于MOSFET的Ciss，因此當電荷轉移時，所產生的電壓就會遠低于原始電壓。

  靜電場也會損壞功率MOSFET。雖然故障模式是ESD，但MOSFET的損壞是因為將FET的未保護柵極放置在電暈放電路徑中引起的。電暈放電由帶正或負電荷的表面向空氣中的小離子分子放電而(CO2+, H+, O2-, Oh-)引起。

  ESD是問題嗎?

  如前所述，在處理少數MOSFET時，ESD可能不是一個問題。此時也可能產生極少數無法解釋的故障。當處理大量的MOSFET時，尤其質量是第一要素時，ESD就成為一個問題。

  ESD控制的材料和方法。

  直接保護法

  保護功率MOSFET不受ESD或其它任何過度的柵極電壓損傷，首要目標是保持柵源電壓不超出最大規(guī)定值(HEXFET為±20)。這一點同時適用于電路內部和外部。

  直接保護MOSFET的方法包括縮短柵極和源極間的距離，或者是在柵源之間施加一個齊納保護。直接保護法在內部電路和少數器件的應用中有效，但在生產環(huán)節(jié)由于涉及了大量的MOSFET就不是很實際。

  圖 2a.典型ESD故障

  圖 2b.剝離前，ESD損傷的器件在低放大倍數下的效果圖

  功率MOSFET靜電保護的基本概念是盡可能防止靜電積聚，并快速有效地去除已有電荷。

  環(huán)境中的材料可以幫助或阻礙靜電控制。這些材料可根據表面電阻率劃分成4類：絕緣(>1014 ohms/Sq.*)，防靜電(109-1014 ohms/Sq.*)，靜電耗散(105-109 ohms/Sq.*)，和導電(理想狀態(tài)下，為了保護HEXFET，在設施中應該只有接地的導電體。)此外，所有參與生產的人員都應硬接地。不幸的是，參與生產的這些人員極易受到故障電氣設備的電擊。同樣，長距離移動時，也很難保持接地。因此，應根據現實情況選擇保護材料和方法。

  絕緣材料

  由于這類材料易于儲存靜電電荷并難以放電，如果可能的話，功率MOSFET及其整體環(huán)境需遠離該類材料。由于絕緣體不導電，因此絕緣體與地之間的電氣連接無法控制靜電電荷。

  絕緣材料包括：聚乙烯(普通塑料袋材質)，聚苯乙烯( 泡沫塑料杯和打包用塑料泡沫)，邁拉，硬質橡膠，乙烯基，云母陶瓷，多數其它塑料，以及一些有機材料。

  必須在功率MOSFET處理設施中使用塑料產品時，只能使用浸漬了導電材料和/或用防靜電化合物處理過的物品。

  防靜電材料

  防靜電材料阻礙摩擦電荷的生成，但是無法屏蔽電場。

  電暈放電會直接穿過防靜電外殼，可能破壞內部任意MOSFET。

  由于這類材料表面電阻率極高，因此接地時并不能有效地移除電荷。

  一些塑料絕緣體可以用抗靜電劑處理?？轨o電劑化學地降低了它們對摩擦電的敏感性，并降低了它們的表面電阻率。大多數抗靜電劑在相對濕度下(RH)大時才有效。

  因此，處理功率MOSFET設施的相對濕度(RH)保持在40%以上。此外，抗靜電劑在一段時間后會逐漸損壞，大部分還使用對金屬有腐蝕性的反應性離子化學品。防靜電塑料(如DlP和TO-管道和包裝材料的運輸)應限于短期一次性使用。