關(guān)于如何規(guī)避PCB測試點(diǎn)對半導(dǎo)體器件靜電損傷的隱患

作者 方玉胡 格力電器(合肥)有限公司(安徽 合肥 230088)

方玉胡(1984-)，男，助理工程師，研究方向：半導(dǎo)體失效分析。

摘要：本文主要對控制器在靜電損傷故障中，關(guān)于設(shè)計(jì)方面，如何規(guī)避靜電損傷問題，從PCB的特殊部位入手，通過設(shè)計(jì)上的改進(jìn)，規(guī)避控制器因半導(dǎo)體器件的布局不合理，進(jìn)而導(dǎo)致主板半導(dǎo)體失效的問題。從PCB設(shè)計(jì)著手，通過結(jié)合生產(chǎn)流程、安裝流程、設(shè)備工裝等影響因素，從實(shí)際出發(fā)，大幅減少控制器制造過程中的ESD和EOS問題。

前言

　　目前，電子行業(yè)中出現(xiàn)的失效故障主要為半導(dǎo)體靜電損傷故障，靜電放電(ESD)的方法來自人體、環(huán)境，甚至電子設(shè)備內(nèi)部的靜電，對精密的半導(dǎo)體芯片會造成各種損傷，例如穿透元器件內(nèi)部薄的絕緣層，損毀MOST和CMOS元器件的柵極，CMOS器件中的觸發(fā)器鎖死，短路反偏的PN結(jié)，融化有源器件內(nèi)部的焊接線或鋁線。為了釋放靜電放電(ESD)的電子設(shè)備的干擾和破壞，需要采取多種技術(shù)手段進(jìn)行防護(hù)。

　　由于靜電發(fā)生情況非常隨機(jī)，不僅在成品主板裝配過程中和主板裝配完成后的周轉(zhuǎn)運(yùn)輸容易出現(xiàn)，在裝配整機(jī)過程中也容易出現(xiàn)。然而實(shí)際生產(chǎn)過程中，主板裝配后的防護(hù)并不能防護(hù)到主板本身裝配過程中經(jīng)典損傷的隱患，所以除了生產(chǎn)過程中的防靜電措施，設(shè)計(jì)方面的規(guī)避就顯得尤為重要。在質(zhì)量控制過程中分事前控制、過程控制和事后控制。其中事前控制成本小、效果好，是質(zhì)量預(yù)防控制的最佳手段。所以對于PCB設(shè)計(jì)過程中如何規(guī)避靜電損傷設(shè)計(jì)就顯得尤為關(guān)鍵。

1 設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的典型缺陷導(dǎo)致元件失效的案例

1.1 PCB設(shè)計(jì)時(shí)在員工操作區(qū)域設(shè)置電源過孔和芯片功能腳測試過孔，導(dǎo)致芯片損傷

　　案例一：如圖1所示，該故障是主板芯片周圍測試點(diǎn)暴露在員工操作區(qū)域內(nèi)，員工手接觸到的過孔恰好連接芯片，造成極大的靜電損傷隱患，故障比例高達(dá)0.5%，損傷后，主芯片出現(xiàn)明顯損傷，在X光下觀察到明顯的噴金現(xiàn)象，如圖1(a)所示。

　　出現(xiàn)故障的主板與其他未出現(xiàn)故障而且使用同款芯片的主板相比，與故障主板3.3V線路相連的線路暴露在員工操作區(qū)域內(nèi)(員工操作過程中需要接線位置)，員工操作時(shí)容易觸碰到該區(qū)域，如有靜電，就會直接傳導(dǎo)至主芯片，圖1(b)、(c)所示標(biāo)示區(qū)域(其中1區(qū)為程序校驗(yàn)口，2區(qū)為指示燈電源口)由于主板接線工序可能貫穿整個生產(chǎn)過程，在非控制器生產(chǎn)區(qū)域沒有良好的防靜電環(huán)境中，操作此工序有極大的靜電損傷隱患。

　　出現(xiàn)故障的主板與其他未出現(xiàn)故障的主板相比，3.3V電源距離主芯片長度長約1cm，出現(xiàn)故障主板芯片距離3.3V距離較遠(yuǎn)有3cm，正常板只有2cm，暴露的距離更長，連接芯片沒有限流電阻保護(hù)更容易受到靜電的侵害。

　　故設(shè)計(jì)PCB過程中需要暴露的測試點(diǎn)和過孔等，需要顧及到后續(xù)操作工位的分布情況，避免在員工操作區(qū)域設(shè)置測試點(diǎn)及過孔，減少靜電損傷發(fā)生的可能性。

1.2 PCB設(shè)計(jì)過程中，將過孔設(shè)計(jì)在板邊，導(dǎo)致過主板孔接觸設(shè)備，被設(shè)備感應(yīng)電損傷

　　案例二：如圖2所示，此PCB過孔靠近板邊，在放置在生產(chǎn)線上后，生產(chǎn)線連接到電機(jī)的鏈條，恰好與PCB的過孔重合，造成設(shè)備與主板內(nèi)電路直接接觸，此種現(xiàn)象對主板損傷隱患很大，造成該種主板生產(chǎn)過程中，對應(yīng)芯片存在0.1%的故障率。

　　生產(chǎn)設(shè)備大多功率較大，運(yùn)行過程中在設(shè)備表面容易產(chǎn)生感應(yīng)電，感應(yīng)電的電量雖然較小，但是對于功率極小的電子元器件仍然相對較大，有較大的EOS損傷隱患。

　　生產(chǎn)設(shè)備和主板接觸的另外一種失效模式如圖3所示。電子元件如果與金屬設(shè)備直接接觸，若其中一方帶靜電電荷，就會發(fā)生放電現(xiàn)象，這就是為什么對于電子元件的車間的工作臺面需要包裹防靜電膠墊進(jìn)行離子風(fēng)扇消除靜電等措施。

　　過孔位置與生產(chǎn)線插件段傳遞鏈條有直接接觸，根據(jù)此現(xiàn)象現(xiàn)場測試，測試出生產(chǎn)線帶20V交流感應(yīng)電，對電子元器件有嚴(yán)重隱患，可使用生產(chǎn)線鐵鏈條更改為塑料鏈條和清查靜電接地線連接情況等措施達(dá)到解決問題目的，但從源頭上講，可以增加工藝邊，更改過孔點(diǎn)或者增加涂覆層等方式進(jìn)行更改。

2 PCB設(shè)計(jì)對于防靜電應(yīng)規(guī)避事項(xiàng)

2.1 布線過程中如何規(guī)避靜電問題

　　布線是整個PCB設(shè)計(jì)中最重要的工序，直接影響著PCB的性能，同樣對于防靜電設(shè)計(jì)上有著決定性影響。

　　對于布線，首先應(yīng)當(dāng)盡量避免跳線，就是要將線路布通、布順暢，如果跳線過多，就是增加了線路裸露部分，若是裸露部分連接芯片則增加芯片被靜電損傷的隱患。

　　其次，布線的簡潔，對于PCB的布線，需要強(qiáng)調(diào)布線以短、直為準(zhǔn)，避免線路被拉長，被兜圈。線路本身也是電子器件，線路太長，容易受到電磁干擾的影響，甚至?xí)咕€路本身的性能發(fā)生改變，如電感量發(fā)生變化等。

　　最后為保護(hù)電路，因?yàn)殪o電的隨機(jī)性，任何的靜電防護(hù)措施也不能絕對的對原價(jià)進(jìn)行防護(hù)，所以對于關(guān)鍵性能器件和耐靜電等級較低的器件，需要增加靜電防護(hù)電路，即增加限流電阻在芯片引腳處，防止外部靜電損傷，同時(shí)增加芯片口對地的電容濾波，可將小電量的雜波濾除。

2.2 PCB結(jié)構(gòu)上的分布

　　對PCB的結(jié)構(gòu)分布，除了強(qiáng)電、弱電分布需要設(shè)立區(qū)域外，還需要將靜電敏感區(qū)域和需要人員后工序操作的操作區(qū)域進(jìn)行區(qū)分，用于防止生產(chǎn)過程中因員工靜電防護(hù)不到位而造成的靜電損傷，同時(shí)應(yīng)該將芯片集中放置，減少芯片間的線路距離，減少靜電損傷隱患，同時(shí)在設(shè)計(jì)允許的條件下，應(yīng)盡可能地使用硅膠電子密封膠等防護(hù)措施，將主IC和敏感IC進(jìn)行密封，更進(jìn)一步地防護(hù)靜電。

3 結(jié)論

　　防靜電工作一直是半導(dǎo)體行業(yè)的大課題，在很多程度上決定一個行業(yè)，一個品牌的健康發(fā)展，從質(zhì)量控制的角度來講，從源頭防治靜電損傷問題有很多方法，如消除靜電源，控制物料環(huán)境產(chǎn)生靜電的可能性等，從PCB的設(shè)計(jì)方面規(guī)避靜電發(fā)生的可能性也是必不可少的一環(huán)，此點(diǎn)可以從概率上大幅降低，因設(shè)計(jì)考慮不周導(dǎo)致的靜電損傷，形成規(guī)范就會對產(chǎn)品的可靠性提高一個層次。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第12期第56頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。