關(guān)于如何規避PCB測試點(diǎn)對半導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)于設計方面，如何規避靜電損傷問(wèn)題，從PCB的特殊部位入手，通過(guò)設計上的改進(jìn)，規避控制器因半導體器件的布局不合理，進(jìn)而導致主板半導體失效的問(wèn)題。從PCB設計著(zhù)手，通過(guò)結合生產(chǎn)流程、安裝流程、設備工裝等影響因素，從實(shí)際出發(fā)，大幅減少控制器制造過(guò)程中的ESD和EOS問(wèn)題。

前言

　　目前，電子行業(yè)中出現的失效故障主要為半導體靜電損傷故障，靜電放電(ESD)的方法來(lái)自人體、環(huán)境，甚至電子設備內部的靜電，對精密的半導體芯片會(huì )造成各種損傷，例如穿透元器件內部薄的絕緣層，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，融化有源器件內部的焊接線(xiàn)或鋁線(xiàn)。為了釋放靜電放電(ESD)的電子設備的干擾和破壞，需要采取多種技術(shù)手段進(jìn)行防護。

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

1 設計中出現的典型缺陷導致元件失效的案例

1.1 PCB設計時(shí)在員工操作區域設置電源過(guò)孔和芯片功能腳測試過(guò)孔，導致芯片損傷

　　案例一：如圖1所示，該故障是主板芯片周?chē)鷾y試點(diǎn)暴露在員工操作區域內，員工手接觸到的過(guò)孔恰好連接芯片，造成極大的靜電損傷隱患，故障比例高達0.5%，損傷后，主芯片出現明顯損傷，在X光下觀(guān)察到明顯的噴金現象，如圖1(a)所示。

　　出現故障的主板與其他未出現故障而且使用同款芯片的主板相比，與故障主板3.3V線(xiàn)路相連的線(xiàn)路暴露在員工操作區域內(員工操作過(guò)程中需要接線(xiàn)位置)，員工操作時(shí)容易觸碰到該區域，如有靜電，就會(huì )直接傳導至主芯片，圖1(b)、(c)所示標示區域(其中1區為程序校驗口，2區為指示燈電源口)由于主板接線(xiàn)工序可能貫穿整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，在非控制器生產(chǎn)區域沒(méi)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。

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

　　故設計PCB過(guò)程中需要暴露的測試點(diǎn)和過(guò)孔等，需要顧及到后續操作工位的分布情況，避免在員工操作區域設置測試點(diǎn)及過(guò)孔，減少靜電損傷發(fā)生的可能性。

1.2 PCB設計過(guò)程中，將過(guò)孔設計在板邊，導致過(guò)主板孔接觸設備，被設備感應電損傷

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

　　生產(chǎn)設備大多功率較大，運行過(guò)程中在設備表面容易產(chǎn)生感應電，感應電的電量雖然較小，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備直接接觸，若其中一方帶靜電電荷，就會(huì )發(fā)生放電現象，這就是為什么對于電子元件的車(chē)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(guò)孔位置與生產(chǎn)線(xiàn)插件段傳遞鏈條有直接接觸，根據此現象現場(chǎng)測試，測試出生產(chǎn)線(xiàn)帶20V交流感應電，對電子元器件有嚴重隱患，可使用生產(chǎn)線(xiàn)鐵鏈條更改為塑料鏈條和清查靜電接地線(xiàn)連接情況等措施達到解決問(wèn)題目的，但從源頭上講，可以增加工藝邊，更改過(guò)孔點(diǎn)或者增加涂覆層等方式進(jìn)行更改。

2 PCB設計對于防靜電應規避事項

2.1 布線(xiàn)過(guò)程中如何規避靜電問(wèn)題

　　布線(xiàn)是整個(gè)PCB設計中最重要的工序，直接影響著(zhù)PCB的性能，同樣對于防靜電設計上有著(zhù)決定性影響。

　　對于布線(xiàn)，首先應當盡量避免跳線(xiàn)，就是要將線(xiàn)路布通、布順暢，如果跳線(xiàn)過(guò)多，就是增加了線(xiàn)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(xiàn)的簡(jiǎn)潔，對于PCB的布線(xiàn)，需要強調布線(xiàn)以短、直為準，避免線(xiàn)路被拉長(cháng)，被兜圈。線(xiàn)路本身也是電子器件，線(xiàn)路太長(cháng)，容易受到電磁干擾的影響，甚至會(huì )使線(xiàn)路本身的性能發(fā)生改變，如電感量發(fā)生變化等。

　　最后為保護電路，因為靜電的隨機性，任何的靜電防護措施也不能絕對的對原價(jià)進(jìn)行防護，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結構上的分布

　　對PCB的結構分布，除了強電、弱電分布需要設立區域外，還需要將靜電敏感區域和需要人員后工序操作的操作區域進(jìn)行區分，用于防止生產(chǎn)過(guò)程中因員工靜電防護不到位而造成的靜電損傷，同時(shí)應該將芯片集中放置，減少芯片間的線(xiàn)路距離，減少靜電損傷隱患，同時(shí)在設計允許的條件下，應盡可能地使用硅膠電子密封膠等防護措施，將主IC和敏感IC進(jìn)行密封，更進(jìn)一步地防護靜電。

3 結論

　　防靜電工作一直是半導體行業(yè)的大課題，在很多程度上決定一個(gè)行業(yè)，一個(gè)品牌的健康發(fā)展，從質(zhì)量控制的角度來(lái)講，從源頭防治靜電損傷問(wèn)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的設計方面規避靜電發(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，因設計考慮不周導致的靜電損傷，形成規范就會(huì )對產(chǎn)品的可靠性提高一個(gè)層次。

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