静电放电（ESD）是半导体行业最隐蔽、最致命的失效模式之一。一次看不见的放电即可击穿栅氧，导致芯片永久失效。
本文系统分析ESD失效原因、检测方法与预防策略，帮助工程师彻底解决这一痛点。
ESD失效为何如此常见？
据JEDEC统计，约35%的芯片现场失效与ESD相关。先进制程（7nm以下）栅氧厚度仅1–2nm，耐压不足5V，人体行走即可产生数千伏静电，ESD风险成倍放大。
ESD三大经典失效模型
| 模型 | 放电路径 | 典型电压 | 失效特征 |
|---|---|---|---|
| HBM | 人体→芯片 | 2–8kV | 栅氧击穿、熔丝断开 |
| MM | 金属物体→芯片 | 200–800V | 寄生晶体管误触发 |
| CDM | 芯片自身带电→对地放电 | 500–2000V | 内部多点击穿，最隐蔽 |
其中CDM已成为3nm/5nm时代的主导模式，占先进节点ESD失效70%以上。
ESD失效的典型表征
电性特征
- IV曲线异常（漏电流激增10⁶倍）
- 功能丢失但低倍显微镜看不出损伤
- 阈值电压漂移或完全失效
物理特征（需高端设备）
- 栅氧熔融小坑（EOP，发光显微）
- 金属熔断或喷铝（SEM）
- 多晶硅熔断痕迹（TEM切片）
ESD失效检测全流程
第一步：快速电性定位
使用高精度ATE+曲线追踪仪，测量关键管脚漏电流。漏电流>1μA即可判定疑似ESD。
第二步：发光显微定位（EMMI）
开盖后在偏置状态下使用InGaAs相机，捕捉ESD击穿点发光，定位精度达亚微米级。
第三步：物理分析确认
- OBIRCH热定位（辅助判断熔断点）
- SEM/TEM切片观察实际损伤形貌
- FIB精准开窗验证
检测设备推荐表
| 步骤 | 设备 | 作用 |
|---|---|---|
| 电性筛选 | ATE+曲线追踪仪 | 快速判断ESD嫌疑 |
| 发光定位 | EMMI/PHEMOS | 精确定位损伤点 |
| 物理验证 | FIB-SEM/TEM | 观察栅氧击穿形貌 |
ESD失效预防的5层防护体系
1. 芯片设计阶段
- 增加GGNMOS、SCR等ESD保护电路
- 采用双二极管+电源钳位结构
- 布局优化：保护器件靠近PAD
2. 制造阶段
- 全程离子风中和+防静电地板
- 关键工站强制接地监测
- 晶圆盒、载具使用导电材料
3. 测试阶段
- 测试座、探针卡加ESD保护二极管
- Handler机械手接地电阻<1Ω
- 使用离子风机+湿度控制（40–60%RH）
4. 封装与运输阶段
- 符合IPC/JEDEC J-STD-033防潮包装
- 使用防静电托盘、气泡袋
- 贴ESD敏感标识
5. 客户端防护
- 提供ESD控制手册
- 推荐客户使用防静电工作台
- 建议整机加TVS保护
真实案例剖析
案例：某5G射频芯片量产初期良率仅82%
失效分析发现90%为CDM模式栅氧击穿。
原因：探针卡未加保护二极管，带电芯片接触探针瞬间放电。
解决：探针卡加TVS二极管+离子风机，良率提升至99.3%。
常见问题解答
Q1：如何判断是ESD还是EOS？
A：ESD损伤点小且集中，EOS常伴随大面积熔融与碳化。
Q2：CDM测试一定要做吗？
A：7nm及以下工艺必须做，传统HBM已无法覆盖真实风险。
Q3：客户退货疑似ESD，如何举证？
A：保留发光照片+TEM切片+全流程ESD监控记录。
结语
ESD失效虽隐蔽，但通过系统化的设计、制造、测试防护体系，完全可以降到万分之一以下。掌握科学的失效分析与预防方法，是提升芯片可靠性的必经之路。
上海德垲检测技术有限公司拥有PHEMOS-1000发光显微系统、双束FIB-SEM、TLP/CDM测试仪等国际一流设备，可提供从ESD快速筛查到TEM物理分析的全流程失效分析服务，助力客户彻底解决ESD难题。