保護(hù)IGBT和MOSFET免受ESD損壞

功率MOSFET用戶都非常熟悉“靜電敏感器件”警告標(biāo)志。然而，越熟悉越容易大意。從統(tǒng)計(jì)的角度來看，單個(gè)MOSFET不太可能被靜電放電（ESD)損壞。然而，在處理成千上萬個(gè)MOSFET時(shí)，極小的故障都可能帶來極大的影響。

一個(gè)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(dǎo)電容器儲(chǔ)存并運(yùn)輸MOSFET。

2. 僅在靜電控制工作站接地后才從容器中移走M(jìn)OSFET。

3. 處理功率MOSFET的工作人員應(yīng)穿戴防靜電服，并始終接地。

4. 地板應(yīng)鋪設(shè)接地的防靜電地毯或進(jìn)行靜電耗散處理。

5. 桌子應(yīng)鋪設(shè)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(yīng)用中使用防靜電材料。

8. 務(wù)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(shí)采取上述所有防護(hù)措施，并確保工作人員經(jīng)過培訓(xùn)。

什么是ESD？

ESD是靜電放電。靜電是指一個(gè)表面相對(duì)于另一個(gè)表面或地產(chǎn)生的電子過量或不足。電子過量的表面帶負(fù)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(huì)導(dǎo)致電子分布的不平衡。當(dāng)電子從一個(gè)物體向另一個(gè)電壓電勢不同的物體轉(zhuǎn)移而嘗試重新建立平衡時(shí)，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(nèi)時(shí)，它可能被永久性損壞。

靜電的產(chǎn)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(huì)產(chǎn)生摩擦起電。兩個(gè)物體互相摩擦?xí)r，因?yàn)椴煌矬w的原子核束縛核外電子的本領(lǐng)不同，所以其中必定有一個(gè)物體失去一些電子，另一個(gè)物體得到多余的電子。異質(zhì)材料，尤其是表面電阻率高的材料對(duì)摩擦起電特別敏感。

感應(yīng)起電是另外一種靜電起電方式。當(dāng)一個(gè)物體接近帶高強(qiáng)電荷的物體或高能量的ESD時(shí)發(fā)生感應(yīng)起電。

ESD對(duì)功率MOSFET的危害

故障模式

功率MOSFET最大的運(yùn)行優(yōu)勢之一是：當(dāng)達(dá)到ESD超高輸入電阻時(shí)（典型值> 4 x 109 ohms)，它會(huì)關(guān)閉。功率MOSFET的柵極可以視為一個(gè)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(zhì)是氧化硅柵極絕緣。

圖 1.HEXFET 基本結(jié)構(gòu)

當(dāng)柵源電壓高到跨過柵介質(zhì)時(shí)，MOSFET發(fā)生ESD損壞。此時(shí)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(dá)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(huì)產(chǎn)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(gè)場景是將人體模型（找元器件現(xiàn)貨上唯樣商城）（HBM)充電到700V，然后再放電到器件的柵極所產(chǎn)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(shí)際損傷直徑僅為8微米。ESD損傷表現(xiàn)出的電氣癥狀是柵極和源極之間的低電阻或齊納效應(yīng)，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(dāng)電荷轉(zhuǎn)移時(shí)，所產(chǎn)生的電壓就會(huì)遠(yuǎn)低于原始電壓。

靜電場也會(huì)損壞功率MOSFET。雖然故障模式是ESD，但MOSFET的損壞是因?yàn)閷ET的未保護(hù)柵極放置在電暈放電路徑中引起的。電暈放電由帶正或負(fù)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(shù)MOSFET時(shí)，ESD可能不是一個(gè)問題。此時(shí)也可能產(chǎn)生極少數(shù)無法解釋的故障。當(dāng)處理大量的MOSFET時(shí)，尤其質(zhì)量是第一要素時(shí)，ESD就成為一個(gè)問題。

ESD控制的材料和方法

直接保護(hù)法

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

直接保護(hù)MOSFET的方法包括縮短?hào)艠O和源極間的距離，或者是在柵源之間施加一個(gè)齊納保護(hù)。直接保護(hù)法在內(nèi)部電路和少數(shù)器件的應(yīng)用中有效，但在生產(chǎn)環(huán)節(jié)由于涉及了大量的MOSFET就不是很實(shí)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(shù)下的效果圖

功率MOSFET靜電保護(hù)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(jù)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(dǎo)電（理想狀態(tài)下，為了保護(hù)HEXFET，在設(shè)施中應(yīng)該只有接地的導(dǎo)電體。）此外，所有參與生產(chǎn)的人員都應(yīng)硬接地。不幸的是，參與生產(chǎn)的這些人員極易受到故障電氣設(shè)備的電擊。同樣，長距離移動(dòng)時(shí)，也很難保持接地。因此，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況選擇保護(hù)材料和方法。

絕緣材料

由于這類材料易于儲(chǔ)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(yuǎn)離該類材料。由于絕緣體不導(dǎo)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(zhì)），聚苯乙烯（ 泡沫塑料杯和打包用塑料泡沫），邁拉，硬質(zhì)橡膠，乙烯基，云母陶瓷，多數(shù)其它塑料，以及一些有機(jī)材料。

必須在功率MOSFET處理設(shè)施中使用塑料產(chǎn)品時(shí)，只能使用浸漬了導(dǎo)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(huì)直接穿過防靜電外殼，可能破壞內(nèi)部任意MOSFET。

由于這類材料表面電阻率極高，因此接地時(shí)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(xué)地降低它們對(duì)摩擦生電的敏感性并降低它們的表面電阻率。大多數(shù)抗靜電劑在相對(duì)濕度（RH）高時(shí)才有效。

因此，處理功率MOSFET的設(shè)施的相對(duì)濕度（RH)應(yīng)保持在40％以上。此外，抗靜電劑在一段時(shí)間后會(huì)漸漸磨損，并且大多數(shù)還使用了對(duì)金屬具有腐蝕性的反應(yīng)性離子化學(xué)品。防靜電塑料（如Dl P和TO-3管和運(yùn)輸包裝材料）應(yīng)限于短期的一次性使用。

審核編輯：湯梓紅