在電子器件組裝過(guò)程中，EOS(Electrical Over Stress)與 ESD（Electrical Static Discharge）造成的集成電路失效約占現(xiàn)場(chǎng)失效器件總數(shù)的50%，且通常伴隨較高不良率以及潛在可靠性問(wèn)題，是產(chǎn)線一大殺手。

    當(dāng)問(wèn)題發(fā)生時(shí)，應(yīng)該如何查找真因、尋找解決方案，一直以來(lái)都是工程師的難題。闊智通測(cè)集成電路失效分析實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)多年的行業(yè)積累，總結(jié)出一套相對(duì)完整的針對(duì)EOS/ESD的分析方法，通過(guò)失效分析、模擬驗(yàn)證等手段，可以更好地協(xié)助工程師提升產(chǎn)線良率及IC的可靠性。

? 故障概念明晰

   EOS全稱(chēng)電氣過(guò)應(yīng)力（Electrical Over Stress），其表現(xiàn)方式是過(guò)壓或者過(guò)流產(chǎn)生大量的熱能，燒壞元器件內(nèi)部。EOS可指所有的過(guò)度電型故障，也包括下面要介紹的ESD。

    ESD全稱(chēng)靜電放電（Electrical Static Discharge），特指因靜電造成的瞬時(shí)燒壞元器件的故障。我們知道靜電雖然持續(xù)時(shí)間極短，但卻可以產(chǎn)生巨大的電流和電壓，這足以破壞元器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。按照定義，ESD本質(zhì)上仍是電氣過(guò)應(yīng)力故障，故而它可以看做EOS的特例。

? 產(chǎn)線失效到底是由EOS還是ESD引起？

    做失效分析時(shí)，最希望知道root cause是EOS還是ESD，確認(rèn)失效機(jī)理及真因，是改善良率的第一步，也是非常關(guān)鍵的一步。我們區(qū)分EOS還是ESD會(huì)首先通過(guò)失效分析手法挖掘IC的物理失效現(xiàn)象，然后從現(xiàn)象上去區(qū)分。

① EOS的概念核心是電氣過(guò)應(yīng)力，是長(zhǎng)時(shí)間（幾微秒到幾秒）持續(xù)的過(guò)壓或大電流，超過(guò)限額的電流使得器件損壞，一般呈現(xiàn)功率升高、高強(qiáng)度的發(fā)熱、金屬線膨脹、造成元器件整體大面積的損壞，甚至包括塑料封裝燒毀，常見(jiàn)EOS物理失效表現(xiàn)：氧化層、金屬層大面積熔融以及封裝體碳化等現(xiàn)象，如下為典型EOS失效圖片。

    在EOS失效識(shí)別后，找原因過(guò)程大家經(jīng)常遇到如何判斷到底是過(guò)壓造成的呢？還是過(guò)流造成？以利于排查電路相關(guān)連接電的電性能參數(shù)及變化的測(cè)試確認(rèn)。那么兩種情況（過(guò)壓或過(guò)流）失效特征上有無(wú)區(qū)別？下面以功率MOSFET來(lái)測(cè)試驗(yàn)證探討。

   將過(guò)電壓和過(guò)電流測(cè)試損壞的功率MOSFET去除外面的塑料外殼，對(duì)露出的硅片正面失效損壞的形態(tài)的圖片。

a.過(guò)壓測(cè)試后損壞測(cè)試圖片

    從圖可以看到：過(guò)電壓的失效形態(tài)是在硅片中間的某一個(gè)位置產(chǎn)生一個(gè)擊穿小孔洞，通常稱(chēng)為熱點(diǎn)，其產(chǎn)生的原因就是因?yàn)檫^(guò)壓而產(chǎn)生雪崩擊穿，在過(guò)壓時(shí)，通常導(dǎo)致功率MOSFET內(nèi)部寄生三極管的導(dǎo)通[1]，由于三極管具有負(fù)溫度系數(shù)特性，當(dāng)局部流過(guò)三極管的電流越大時(shí)，溫度越高，而溫度越高，流過(guò)此局部區(qū)域的電流就越大，從而導(dǎo)致功率MOSFET內(nèi)部形成局部的熱點(diǎn)而損壞。

     硅片中間區(qū)域是散熱條件最差的位置，也是最容易產(chǎn)生熱點(diǎn)的地方，可以看到，上圖中，擊穿小孔洞即熱點(diǎn)，正好都位于硅片的中間區(qū)域。

b.過(guò)壓測(cè)試后損壞測(cè)試圖片

    從圖可以看到：在過(guò)流損壞的條件下，所有的損壞位置都是發(fā)生的S極，而且比較靠近G極，因?yàn)殡娙莸哪芰糠烹娦纬纱箅娏?，全部流過(guò)功率MOSFET，所有的電流全部要匯集中S極，這樣，S極附近產(chǎn)生電流 集中，因此溫度最高，也最容易產(chǎn)生損壞。

② ESD特指靜電所引起的過(guò)點(diǎn)損壞，持續(xù)時(shí)間要短得多，可以是幾皮秒到幾納秒，釋放的總能量有限，故而導(dǎo)致的經(jīng)常是晶體管級(jí)別的損壞，深藏在元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，總體可見(jiàn)性不強(qiáng)，確定故障點(diǎn)往往需要更復(fù)雜的開(kāi)蓋測(cè)試等流程，常見(jiàn)ESD物理失效表現(xiàn)：襯底擊穿、多晶硅熔融、GOX pin hole、contact melted、metal melted等，如下為典型ESD失效圖片。

? 為什么EOS和ESD會(huì)造成不同的失效現(xiàn)象？

    ESD從廣義上屬于EOS的一種，但是現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中我們通常把ESD單獨(dú)歸類(lèi)，除此之外的過(guò)電應(yīng)力統(tǒng)歸于EOS。EOS 是指長(zhǎng)時(shí)間（幾微秒到幾秒）持續(xù)的過(guò)壓或大電流造成的局部過(guò)熱導(dǎo)致的失效，其電壓、電流相對(duì)ESD較低，但是持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)能量更高，經(jīng)常有同一功能區(qū)塊多處大面積的burnout現(xiàn)象。ESD 單指在靜電放電過(guò)程中瞬間高電壓（通常在幾千或上萬(wàn)伏特）大電流（1～10A）狀態(tài)下引發(fā)的失效現(xiàn)象，主要特征為放電時(shí)間極短（1～100ns），因此一般呈現(xiàn)為輕微的點(diǎn)狀失效。

? 什么情況下無(wú)法區(qū)分EOS/ESD？

   一種情況是短脈沖EOS（持續(xù)時(shí)間幾個(gè)微秒）與ESD的物理?yè)p傷十分相似，比如只造成很小面積的金屬熔融，這種情況就很難區(qū)分是EOS還是ESD的能量造成。另一種情況是IC先經(jīng)過(guò)了ESD損傷，在后續(xù)功能驗(yàn)證時(shí)大漏電流誘發(fā)了burnout現(xiàn)象，使得IC表面同時(shí)存在EOS和ESD的物理失效特征，尤其常見(jiàn)于PAD旁邊的IO buffer線路上，這種情況下單從物理失效現(xiàn)象是無(wú)法判斷初始失效是否由ESD導(dǎo)致。當(dāng)遇到EOS/ESD無(wú)法區(qū)分的情況，需要通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，對(duì)IC或系統(tǒng)使用不同模型進(jìn)行EOS/ESD模擬測(cè)試（圖4）test to fail，并針對(duì)失效IC進(jìn)行分析

     通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證批芯片與實(shí)際失效芯片的物理失效現(xiàn)象（失效線路位置及失效發(fā)生的物理深度），不僅可以用來(lái)歸納真因，還可以了解IC或系統(tǒng)在不同條件下的耐受等級(jí)，從而進(jìn)一步指導(dǎo)優(yōu)化產(chǎn)線防護(hù)或IC的可靠性設(shè)計(jì)。針對(duì)新投產(chǎn)芯片也可以考慮從多維度進(jìn)行EOS/ESD的驗(yàn)證與分析（圖5），不斷提升IC的可靠性品質(zhì)。

 綜上所述，當(dāng)產(chǎn)線發(fā)生EOS/ESD失效時(shí)，應(yīng)該從哪些方面進(jìn)行分析及改良？建議參考以下流程進(jìn)行：

1.針對(duì)失效IC進(jìn)行電性及物理失效分析，確認(rèn)其物理失效現(xiàn)象（失效點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電路位置及失效的物理深度），配合現(xiàn)場(chǎng)失效信息收集，初步推斷EOS/ESD失效模型；

2.針對(duì)EOS/ESD無(wú)法判斷的情況，對(duì)相關(guān)IC或系統(tǒng)進(jìn)行EOS/ESD模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證其電壓、電流耐受等級(jí)，并針對(duì)失效芯片執(zhí)行失效分析，對(duì)比實(shí)際失效狀況，歸納真因及梳理改善方向；

3.探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)容易發(fā)生EOS/ESD的位置（例如使用ESD Event Detector或高頻示波器），針對(duì)產(chǎn)線應(yīng)用進(jìn)行改良。

? EOS/ESD原因及失效來(lái)源

1、能夠造成EOS的原因，有測(cè)試程序切換（熱切換）導(dǎo)致的瞬變電流/峰值/低頻干擾、電源(AC/DC) 干擾和過(guò)電壓、測(cè)試設(shè)計(jì)超過(guò)系統(tǒng)的承受上限、從其他裝置發(fā)送的脈沖、接地反彈等。

2、能夠?qū)е翬SD的原因，就是工作流程中可能生成靜電的環(huán)節(jié)，包括人對(duì)物料的接觸、摩擦起電、感應(yīng)生電等。靜電積累到一定程度，就會(huì)引發(fā)放電現(xiàn)象，導(dǎo)致失效的發(fā)生。

3、集成電路IC常見(jiàn)EOS/ESD失效來(lái)源:

① 生產(chǎn)人員/設(shè)備/環(huán)境的ESD防護(hù)不佳

② 使用易感應(yīng)靜電的材料

③ 模塊測(cè)試開(kāi)關(guān)引起的瞬態(tài)/毛刺/短時(shí)脈沖波形干擾

④ 熱插拔引發(fā)的瞬間電壓、電流脈沖

⑤ 電源供應(yīng)器缺少過(guò)電保護(hù)裝置及噪聲濾波裝置

⑥ 提供超過(guò)組件可操作的工作電源

⑦ 接地點(diǎn)反跳（接地點(diǎn)不足導(dǎo)致電流快速轉(zhuǎn)換引起高電壓）

⑧ 過(guò)多過(guò)強(qiáng)的ESD事件引發(fā)EOS

⑨ 其他設(shè)備的脈沖信號(hào)干擾

⑩ 不正確的上電順序