PCBA板上元器件易受靜電擊穿分析
發(fā)布時間:2018-05-08 點擊量:2840
PCBA加工過程中,一些靜電敏感型元器件容易受到靜電的擊穿而產(chǎn)生失效,為提高產(chǎn)品品質(zhì),對元器件受到靜電的擊穿及對靜電預(yù)防進行分析,顯得尤為重要。
一、靜電擊穿分析
MOS管一個ESD敏感器件,它本身的輸入電阻很高,而柵-源極間電容又非常小,所以極易受外界電磁場或靜電的感應(yīng)而帶電(少量電荷就可能在極間電容上形成相當高的電壓(想想U=Q/C)將管子損壞),又因在靜電較強的場合難于泄放電荷,容易引起靜電擊穿。靜電擊穿有兩種方式:一是電壓型,即柵極的薄氧化層發(fā)生擊穿,使柵極和源極間短路,或者使柵極和漏極間短路;二是功率型,即金屬化薄膜鋁條被熔斷,造成柵極開路或者是源極開路。JFET管和MOS管一樣,有很高的輸入電阻,只是MOS管的輸入電阻更高。
靜電放電形成的是短時大電流,放電脈沖的時間常數(shù)遠小于器件散熱的時間常數(shù)。因此,當靜電放電電流通過面積很小的pn結(jié)或肖特基結(jié)時,將產(chǎn)生很大的瞬間功率密度,形成局部過熱,有可能使局部結(jié)溫達到甚至超過材料的本征溫度(如硅的熔點1415℃),使結(jié)區(qū)局部或多處熔化導致pn結(jié)短路,器件徹底失效。這種失效的發(fā)生與否,主要取決于器件內(nèi)部區(qū)域的功率密度,功率密度越小,說明器件越不易受到損傷。
反偏pn結(jié)比正偏pn結(jié)更容易發(fā)生熱致失效,在反偏條件下使結(jié)損壞所需要的能量只有正偏條件下的十分之一左右。這是因為反偏時,大部分功率消耗在結(jié)區(qū)中心,而正偏時,則多消耗在結(jié)區(qū)外的體電阻上。對于雙極器件,通常發(fā)射結(jié)的面積比其它結(jié)的面積都小,而且結(jié)面也比其它結(jié)更靠近表面,所以常常觀察到的是發(fā)射結(jié)的退化。此外,擊穿電壓高于100V或漏電流小于1nA的pn結(jié)(如JFET的柵結(jié)),比類似尺寸的常規(guī)pn結(jié)對靜電放電更加敏感。
所有的東西是相對的,不是絕對的,MOS管只是相對其它的器件要敏感些,ESD有一個很大的特點就是隨機性,并不是沒有碰到MOS管都能夠把它擊穿。另外,就算是產(chǎn)生ESD,也不一定會把管子擊穿。靜電的基本物理特征為:(1)有吸引或排斥的力量;(2)有電場存在,與大地有電位差;(3)會產(chǎn)生放電電流。這三種情形即ESD一般會對電子元件造成以下三種情形的影響:(1)元件吸附灰塵,改變線路間的阻抗,影響元件的功能和壽命;(2)因電場或電流破壞元件絕緣層和導體,使元件不能工作(完全破壞);(3)因瞬間的電場軟擊穿或電流產(chǎn)生過熱,使元件受傷,雖然仍能工作,但是壽命受損。所以ESD對MOS管的損壞可能是一,三兩種情況,并不一定每次都是第二種情況。上述這三種情況中,如果元件完全破壞,必能在生產(chǎn)及品質(zhì)測試中被察覺而排除,影響較少。如果元件輕微受損,在正常測試中不易被發(fā)現(xiàn),在這種情形下,常會因經(jīng)過多次加工,甚至已在使用時,才被發(fā)現(xiàn)破壞,不但檢查不易,而且損失亦難以預(yù)測。靜電對電子元件產(chǎn)生的危害不亞于嚴重火災(zāi)和爆炸事故的損失。
二、靜電的預(yù)防
PCBA板在什么情況下會遭受靜電破壞?可以這么說:電子產(chǎn)品從生產(chǎn)到使用的全過程都遭受靜電破壞的威脅。從器件制造到插件裝焊、整機裝聯(lián)、包裝運輸直至產(chǎn)品應(yīng)用,都在靜電的威脅之下。在整個電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中,每一個階段中的每一個小步驟,靜電敏感元件都可能遭受靜電的影響或受到破壞,而實際上最主要而又容易疏忽的一點卻是在元件的傳送與運輸?shù)倪^程。在這個過程中,運輸因移動容易暴露在外界電場(如經(jīng)過高壓設(shè)備附近、工人移動頻繁、車輛迅速移動等)產(chǎn)生靜電而受到破壞,所以傳送與運輸過程需要特別注意,以減少損失,避免無所謂的糾紛。防護的話加齊納穩(wěn)壓管保護。
第一、MOS管本身的輸入電阻很高,而柵源極間電容又非常小,所以極易受外界電磁場或靜電的感應(yīng)而帶電,而少量電荷就可在極間電容上形成相當高的電壓(U=Q/C),將管子損壞。雖然MOS輸入端有抗靜電的保護措施,但仍需小心對待,在存儲和運輸中最好用金屬容器或者導電材料包裝,不要放在易產(chǎn)生靜電高壓的化工材料或化纖織物中。組裝、調(diào)試時,工具、儀表、工作臺等均應(yīng)良好接地。要防止操作人員的靜電干擾造成的損壞,如不宜穿尼龍、化纖衣服,手或工具在接觸集成塊前最好先接一下地。對器件引線矯直彎曲或人工焊接時,使用的設(shè)備必須良好接地。
第二、MOS電路輸入端的保護二極管,其導通時電流容限一般為1mA,在可能出現(xiàn)過大瞬態(tài)輸入電流(超過10mA)時,應(yīng)串接輸入保護電阻。因此應(yīng)用時可選擇一個內(nèi)部有保護電阻的MOS管應(yīng)。還有由于保護電路吸收的瞬間能量有限,太大的瞬間信號和過高的靜電電壓將使保護電路失去作用。所以焊接時電烙鐵必須可靠接地,以防漏電擊穿器件輸入端,一般使用時,可斷電后利用電烙鐵的余熱進行焊接,并先焊其接地管腳。
現(xiàn)在的MOS管沒有那么容易被擊穿,尤其是是大功率的VMOS,主要是不少都有二極管保護。VMOS柵極電容大,感應(yīng)不出高壓。與干燥的北方不同,南方潮濕不易產(chǎn)生靜電。還有就是現(xiàn)在大多數(shù)CMOS器件內(nèi)部已經(jīng)增加了IO口保護。但用手直接接觸CMOS器件管腳不是好習慣。至少使管腳可焊性變差。
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