คุณรู้จัก ESD แค่ไหน?

ESD (Electrostatic Discharge) เป็นสิ่งที่สามารถทำลายส่วนประกอบของวงจรไฟฟ้าเล็กๆ สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือจะเกิดปัญหาในด้านความแน่นอนในการทำงานของอุปกรณ์โดยรวม (Reliability problem) ซึ่ง ESD นี้จะเกิดขึ้นได้ที่หลายขั้นตอนในการผลิตเช่นประกอบ, การจับถือ, การใช้งานในภาคสนาม เป็นต้น

ESD (Electrostatic Discharge) เป็นสิ่งที่สามารถทำลายส่วนประกอบของวงจรไฟฟ้าเล็กๆ สิ่งที่เกิดขึ้นก็คือจะเกิดปัญหาในด้านความแน่นอนในการทำงานของอุปกรณ์โดยรวม (Reliability problem) ซึ่ง ESD นี้จะเกิดขึ้นได้ที่หลายขั้นตอนในการผลิตเช่นประกอบ, การจับถือ, การใช้งานในภาคสนาม เป็นต้น

ESD เกิดขึ้นจากการสะสมประจุบนพื้นผิวของชิ้นงาน ประจุที่เกิดขึ้นนี้อาจจะเกิดจากกระบวนการเสียดสีระหว่างวัสดุ (Triboelectric effect การเกิดไฟฟ้าสถิตย์) เมื่อเกิดการสะสมของประจุ สิ่งที่ตามมาคือพื้นผิวทั้งสองจะมีศักย์ไฟฟ้าที่ต่างกัน และหากพื้นผิวสองชนิดมาสัมผัสกันจะเกิดการถ่ายเทของประจุ (คืออิเล็กตรอน) ทำให้มีกระแสไฟฟ้าไหลเป็นปริมาณ

i = dq / dt

ซึ่งจะเกิดขึ้นในเวลาสั้นๆ แต่หากพิจารณาสมการให้ดีแล้ว ยิ่งการถ่ายเทประจุใช้เวลาสั้นเท่าใด ปริมาณกระแสที่เกิดขึ้นก็สูงเท่านั้น (แต่ในระยะเวลาอันสั้น) บางครั้งการถ่ายเทประจุนี้จะทำให้เกิดการกระโดดของกระแสไฟ (เรียกว่า Spark) ด้วย การถ่ายเทประจุจะเกิดขึ้นจนกระทั่งเกิดการสมดุลประจุ (คือศักย์ไฟฟ้าของพื้นผิวทั้งสองมีค่าเท่ากัน นั่นคือพื้นผิวทั้งสองมีประจุเท่ากัน - อาจเป็นกลาง, เป็นบวกทั้งคู่, หรือเป็นลบทั้งคู่ก็ได้)

ความเสียหายเนื่องจาก ESD อาจจะไม่ได้เกิดขึ้นแล้วเห็นผลในทันที แต่เป็นความเสียหายที่เกิดขึ้นแล้วแฝงอยู่ในตัวอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ความเสียหายแฝงนี้จะทำให้อุปกรณ์นั้นยังคงทำงานได้ตามปกติเมื่ออยู่ที่โรงงานของผู้ผลิตแต่จะเกิดความบกพร่องหลังจากนั้นเมื่อส่งถึงมือผู้ใช้ปลายทาง (End-users) และใช้งานไปสักระยะหนึ่ง

ปัจจุบันนี้อุปกรณ์ชิ้นส่วนเล็กๆประกอบไปด้วยชั้นออกไซด์บางๆ (Thin oxide layer) จำนวนมาก และนับวันยิ่งจะบางลงเรื่อยๆ ชั้นของออกไซด์เหล่านี้สามารถเสียหายได้ง่าย (เกิด Breakdown คือเสียสภาพการเป็นฉนวน) เมื่อมันบางลง, ชั้นของโลหะบางๆที่ทำหน้าที่เชื่อมต่อวงจรเข้าด้วยกันอาจจะละลายและเปิดวงจร (ขาดออกจากกันทางไฟฟ้า) เหมือนกับเป็นฟิวส์เนื่องจากกระแสจำนวนมากไหลผ่านและเกิดความร้อน (I2R loss) ขึ้น, p-n junction อาจจะเสียหายเนื่องจากปรากฏการณ์ "Current Crowding" คือเมื่อมีกระแสไหลผ่านรอยต่อและเกิดความเข้มของกระแส (Current density) สูงมาก, และ ESD อาจทำให้เกิด Electrical Over Stress (EOS) และละลายชั้นของโลหะในอุปกรณ์ได้

2. ลักษณะบ่งชี้ของความเสียหายอันเนื่องมาจาก EOS

EOS คือความเสียหายเนื่องจากอุปกรณ์ได้รับศักดาหรือกระแสมากกว่าที่มันสามารถทนได้และอุปกรณ์ได้รับศักดาหรือกระแสนั้นไหลผ่านอยู่เป็นเวลานาน (มากกว่า 50 uS) โดยทั่วไปแล้วเราสามารถเห็นร่องรอยของความเสียหายอันเนื่องมาจาก EOS ได้ใต้กล้องจุลทรรศน์อัตราขยายต่ำ

ลักษณะที่เราเห็นหลังจากที่เกิดความเสียหายเนื่องจาก EOS คือ

• โดยทั่วไปสามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อัตราขยายต่ำ
• อาจจะเห็น Bond wire หรือเส้นลายโลหะเกิดการหลอมละลาย
• อาจเห็นพลาสติกหรือผิวหน้าของ Die มีรอยไหม้ (Burnt) หรือเมื่อ Decapsule แล้วก็ยังคงเห็น Compound เหลือติดอยู่ที่ด้านหน้าของ Die โดยไม่ยอมหลุดร่อนออกง่ายๆ
• เกิดการเปลี่ยนสี (Discoloration) ของบริเวณที่ไหม้หรือบริเวณที่เสียหาย (ซึ่งจะไม่เป็นกับ ESD)

3. ลักษณะบ่งชี้ของความเสียหายอันเนื่องมาจาก ESD

ความเสียหายจาก ESD เกิดเนื่องจากการถ่ายเทประจุไฟฟ้าอย่างรวดเร็ว (ซึ่งอาจจะมีการกระโดดของกระแสไฟ เรียกว่า Spark เกิดขึ้นด้วย) ระหว่างวัตถุที่มีศักย์ไฟฟ้าต่างกัน (คือมีประจุต่างกัน) โดยทั่วไปเราสนใจ ESD สองประเภทคือ HBM (Human Body Model) และ CDM (Charge Device Model) อุปกรณ์ของเราจะเสียหายเนื่องจาก ESD เมื่อวัสดุที่เป็นฉนวน (โดยทั่วๆไปคือออกไซด์) ไม่สามารถทนต่อความต่างศักย์ ทำให้ตัวมันเกิดความเสียหายและหมดสภาพของความเป็นฉนวนและทำให้เกิดการนำกระแสระหว่าง Layer สองชั้นได้

ตัวอย่างความเสียหายอันเนื่องจาก ESD คือ

1. เกิดการ Breakdown ของฉนวนซึ่งโดยทั่วไปสร้างมาจากออกไซด์
2. Threshold Voltage ที่ทำให้ทรานซิสเตอร์เริ่มทำงานหรือหยุดทำงาน (Gate turn-off or turn-on VT) เปลี่ยนแปลงไป
3. คุณสมบัติด้านกระแส-ศักดา (I-V characteristic) ของรอยต่อ PN เลวลง
4. หากรุนแรง สามารถทำความเสียหายให้กับ Metal line ได้ด้วย

ร่องรอยหรือลักษณะที่เราเห็นในอุปกรณ์หลังจากที่เกิดความเสียหายเนื่องจาก ESD คือ

ก) โดยทั่วไปจะไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบแสง (Opticalmicroscope) กำลังต่ำ

ข) มักจะเกิดการเสียหายแบบ Breakdown ของออกไซด์ทั้งอย่างหนาและอย่างบาง (Thin/Thick Oxide) เป็น Pin hole หรือความเสียหาย ที่บริเวณริมขอบของ Gate (HBM), หรือมี Pin hole จำนวนหลายจุดที่บริเวณริมขอบของ Gate (CDM) เกิด Filamentation, Silicon Pitting