保护IGBT和MOSFET免受ESD损坏

摘要

功率MOSFET用户都非常熟悉“静电敏感器件”警告标志。然而，越熟悉越容易大意。从统计的角度来看，单个MOSFET不太可能被静电放电（ESD)损坏。然而，在处理成千上万个MOSFET时，极小的故障都可能带来极大的影响。

一个有效的ESD防控方案必定是详尽而具体的。但它的基本概念可概括为下列10条：

1. 确保使用封闭的导电容器储存并运输MOSFET。
2. 仅在静电控制工作站接地后才从容器中移走MOSFET。
3. 处理功率MOSFET的工作人员应穿戴防静电服，并始终接地。
4. 地板应铺设接地的防静电地毯或进行静电耗散处理。
5. 桌子应铺设接地的静电耗散桌布。
6. 避免使用任何类型的绝缘材料。
7. 仅在一次性应用中使用防静电材料。
8. 务必使用接地烙铁安装MOSFET。
9. 仅在静电控制工作站测试MOSFET。
10. 同时采取上述所有防护措施，并确保工作人员经过培训。

什么是ESD？

ESD是静电放电。静电是指一个表面相对于另一个表面或地产生的电子过量或不足。电子过量的表面带负电，电子不足的表面带正电。静电的电压（伏特）和电荷（库伦）是可测量的。

物体上的静电荷会导致电子分布的不平衡。当电子从一个物体向另一个电压电势不同的物体转移而尝试重新建立平衡时，发生静电放电（ESD）。静电敏感器件（如功率MOSFET)成为放电路径的一部分，或者位于静电场范围内时，它可能被永久性损坏。

静电的产生

摩擦起电是最常见的静电起电方式。摩擦两种材料，即，两种材料接触后再分离会产生摩擦起电。两个物体互相摩擦时，因为不同物体的原子核束缚核外电子的本领不同，所以其中必定有一个物体失去一些电子，另一个物体得到多余的电子。异质材料，尤其是表面电阻率高的材料对摩擦起电特别敏感。

感应起电是另外一种静电起电方式。当一个物体接近带高强电荷的物体或高能量的ESD时发生感应起电。

ESD对功率MOSFET的危害

故障模式

功率MOSFET最大的运行优势之一是：当达到ESD超高输入电阻时（典型值> 4 x 109 ohms)，它会关闭。功率MOSFET的栅极可以视为一个低电压（HEXFET器件电压为+ 20V）低泄露的电容。如图1所示，电容器极板主要由硅栅极和源极金属化形成。电容器介质是氧化硅栅极绝缘。

图 1. HEXFET 基本结构

当栅源电压高到跨过栅介质时，MOSFET发生ESD损坏。此时栅氧化层上的微孔被烧坏，器件永久性损坏。如同任何电容，必须给功率MOSFET的栅极充电以便达到特定的电压。更大的器件有更大的电容，电压每上升一伏也需要更多的电荷，因此比较小的MOSFET更不容易遭受ESD损坏。同样，静电放电一般不会产生突发性失效，除非栅源电压超出额定最大值的2到3倍。

图2a是典型的ESD损伤场景。这个场景是将人体模型（HBM)充电到700V，然后再放电到器件的栅极所产生的损伤。在将裸片表层从多晶硅剥离后，用扫描电子显微镜放大5000倍拍摄了该照片。图2b显示在剥离之前，裸片表面无任何可视性损伤。图2a的实际损伤直径仅为8微米。ESD损伤表现出的电气症状是栅极和源极之间的低电阻或齐纳效应，施加的电压小于±20伏。

造成ESD损伤所需的电压至少为1000 V（具体大小取决于芯片尺寸）。这是由于承载电荷的体二极管的电容大大低于MOSFET的Ciss，因此当电荷转移时，所产生的电压就会远低于原始电压。

静电场也会损坏功率MOSFET。虽然故障模式是ESD，但MOSFET的损坏是因为将FET的未保护栅极放置在电晕放电路径中引起的。电晕放电由带正或负电荷的表面向空气中的小离子分子放电而(CO2+, H+, O2-, Oh-)引起。

ESD是问题吗？

如前所述，在处理少量MOSFET时，ESD可能不是一个问题。此时也可能产生极少数无法解释的故障。当处理大量的MOSFET时，尤其质量是第一要素时，ESD就成为一个问题。

ESD控制的材料和方法

直接保护法

保护功率MOSFET不受ESD或其它任何过度的栅极电压损伤，首要目标是保持栅源电压不超出最大规定值（HEXFET为±20）。这一点同时适用于电路内部和外部。

直接保护MOSFET的方法包括缩短栅极和源极间的距离，或者是在栅源之间施加一个齐纳保护。直接保护法在内部电路和少数器件的应用中有效，但在生产环节由于涉及了大量的MOSFET就不是很实际。

图 2a. 典型ESD故障

图 2b. 剥离前，ESD损伤的器件在低放大倍数下的效果图

功率MOSFET静电保护的基本概念是尽可能防止静电积聚，并快速有效地去除已有电荷。

环境中的材料可以帮助或阻碍静电控制。这些材料可根据表面电阻率划分成4类：绝缘(>1014 ohms/Sq.*)，防静电(109-1014 ohms/Sq.*)，静电耗散(105-109 ohms/Sq.*)，和导电（理想状态下，为了保护HEXFET，在设施中应该只有接地的导电体。）此外，所有参与生产的人员都应硬接地。不幸的是，参与生产的这些人员极易受到故障电气设备的电击。同样，长距离移动时，也很难保持接地。因此，应根据现实情况选择保护材料和方法。

绝缘材料

由于这类材料易于储存静电电荷并难以放电，如果可能的话，功率MOSFET及其整体环境需远离该类材料。由于绝缘体不导电，因此绝缘体与地之间的电气连接无法控制静电电荷。

绝缘材料包括：聚乙烯（普通塑料袋材质），聚苯乙烯（ 泡沫塑料杯和打包用塑料泡沫），迈拉，硬质橡胶，乙烯基，云母陶瓷，多数其它塑料，以及一些有机材料。

必须在功率MOSFET处理设施中使用塑料产品时，只能使用浸渍了导电材料和/或用防静电化合物处理过的物品。

防静电材料

防静电材料阻碍摩擦电荷的生成，但是无法屏蔽电场。

电晕放电会直接穿过防静电外壳，可能破坏内部任意MOSFET。

由于这类材料表面电阻率极高，因此接地时并不能有效地移除电荷。

一些塑料绝缘体可以用抗静电剂处理。抗静电剂化学地降低它们对摩擦生电的敏感性并降低它们的表面电阻率。大多数抗静电剂在相对湿度（RH）高时才有效。

因此，处理功率MOSFET的设施的相对湿度（RH)应保持在40％以上。此外，抗静电剂在一段时间后会渐渐磨损，并且大多数还使用了对金属具有腐蚀性的反应性离子化学品。防静电塑料（如Dl P和TO-3管和运输包装材料）应限于短期的一次性使用。

备注：尺寸不影响表面电阻率。