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ESD 방전에 의한 피해

기본적으로 정전기에 발생되는 문제는 먼지오염과 ESD 방전에 의한 전자부품의 파열과 열화이다. 먼지오염의 경우로는 공기 중에 떠다니는 대전된 먼지가 대전물에 근접하게 되면 정전유도에 의하여 발생되는 Induced Chagre 에 의한 쿨롱의 힘 F=Q2/(2r)2 < Q : Particle 의 대전량, r:Particle 의 반경 >으로 표현된다. 이러한 인력이 대전물과 Particle을 서로 끌어 당기는 작용으로 제품이 오염된다, 쿨롱의 힘 표현식에 나타나듯이 Particle 의 대전량이 크면 클수록, Particle의 반지름이 작으면 작을수록 끌어당기는 인력이 커지는 것을 알 수 있다. 다음은 ESD 문제로 표 1-2에서와 같이 대전된 인체나 대전물이 전자부품이나 피도물에 방전하게 되면 방전 전류는 전자 부품이나 피도물의 저항이 낮은 영역을 통과하게 되고 그 크기는 I = △q/△t ( I:방전전류 q:방전량 t:방전시간 )로 표시되며 일반적으로 방전은 1mil SEC 내에 이루어 지므로 방전량이 높으면 높을수록 방전 전류는 강해진다. 또한 E(H)∝ I 관계로 방전 전류가 강할 때 생성되는 열에너지는 방전 전류에 비례하여 Micro-chip 의 열파손 (Thermal Breakdown), 기화(Vaporization of Metal) 등의 문제를 발생시킨다.

ESD MODEL

ESD 방전에 의하여 전자부품의 열화 및 파괴의 원인이 되는 것으로는 첫째는 인체의 접촉에 의해 제품이 충전되어 지거나 방전되어질 경우로서 인체가 움직이고 있는 동안에 인체와 의복 사이에 마찰전기가 Floor 와의 대전을 발생시키므로 (표 1-2 참조) 작업자에 대전된 이러한 정전기를 방지하지 않은 상태로 정전기에 민감한 전자부품을 취급하게 되면 내압이 낮은 실리콘 산화막 등을 Short 시킴으로서 부품의 열화와 파손시키는 결과를 발생하는 것으로 주된 ESD 의 피해는 이 경우이다.

둘째로는 제품 자체가 캐퍼시터의 역할을 함으로써 충전되어 지거나 방전되는 경우로서 운반과정이나 자동이송 공정에서 마찰전기가 발생하기 쉬운 물질 (Plastic 종류) 이 대전을 하여 전자 부품의 낮은 저항 부분인 Pin 의 표면등에 너무 빨리 방전됨으로서 손상되는 경우이다. 셋째로는 전계에 의해 충전된 제품의 충전량이 변화될 경우로 대전물과 전자 부품사이의 정전유도가 된 상태에서의 갑작스런 대전물의 위치변화 및 정전유도가 이루어진 전기력선 사이로 다른 대전체가 빠르게 통과할 때 정전유도의 급격한 변화에 의한 절연 및 산화층에 영향을 주어 결과적으로 Short Circuit 가 되는 경우이다.

둘째와 셋째의 예를 들어보면 그림 2-1 과 같이 대전물에 전자 부품의 금속 (IC의 Pin)이 근접해 있게 되면 정전유도가 일어난다. 대전물에 가까운 부분에는 대전물과 반극성의 전하가 유도되고 먼 부분에는 대전물과 동극성의 전하가 유도되며 이 상태에서 한쪽 방향의 Pin이 기판에 닿으면 대전물과 동극성의 전하가 접지에 흘러 가면서 일회의 방전이 일어난다. 다음에 대전물이 멀어질 때 (들어 올리거나 할때) 대전물과의 반극성의 전하가 방전을 일으키는 현상이 일어나고 또 IC 중에는 그림 2-1 의 (A) 와 같은 정전유도 현상만으로도 파괴되는 경우도 있다.



그림 (1) ESD 로인한 IC의 파괴(방전)

전자부품의 정전내압

반도체 제품의 성능의 고속화와 소 전력화를 요구하게 됨에 따라서 새로운 Device 의 개발은 배선 및 금속전극의 극소화, 산화 절연막의 두께가 얇아지는 등의 이유로 보다 작은 정전기의 방전 전류가 방전될 때 생성되는 열에 의해 산화 절연막, 금속 전극, 절연체 표면, 접합면, 용량부가 용융되는 정전파괴가 더욱 심각한 문제로 대두되고 있다. 또한 반도체 제품이 완전히 파괴된 경우는 출하검사등에서 그 발견이 가능하지만 비교적 작은 정전기 (파괴전압의 1/4)에서 전기특성이 열화 (지정된 사양의 전기특성에서 10% 이상 다른 경우) 된 제품을 출하검사에서 그 발견이 더욱 어렵기 때문에 정전기 문제는 더욱 심각하다. 표 2-1 에서는 정전기에 약한 대표적인 소자의 내압을 표시하였고 표 2-2 에서는 각종 절연산화막의 내압이 표시되어 있다. 여기에서 알 수 있듯이 아주 작은 정전기에서도 전자부품의 파괴가 일어나기 때문에 정전기 대책으로 중요한 일은 반도체나 전자부품이 정전기에 영향을 입는 기회을 가능한 한 적게하는 일과 같이 작업자 전원이 이러한 사항을 인식해야만 한다.



Device Type

파괴되는 ESD 전압 Range

(Volts)

(Energy)

VMOS

30-1800

 

MOSFET

100-200

0.5μJ-2.0μJ

EPROM

100

0.5μJ

JFET

140-7000

0.98μJ-2.45μJ

OP-AMP

190-2500

1.62μJ-312.5μJ

CMOS

250-3000

3.13μJ-450μJ

SCHOTTKY DIODE

300-2500

4.5μJ-312.5μJ

FILM REGISTER

300-3000

4.5μJ-450μJ

BIPOLAR TRANSISTOR

300-7000

4.5μJ-2.45μJ

SCHOTTKY TTL

1000-2500

50μJ-312.5μJ


표(1) ESD Susceptibility of Various Electronic Devices


산화막질

내압( x 106 V/cm)

Sio2

2~9

Si3N

~10

Al2O3

6±2

PSG

2~6

BSG

2~6

TiO2

0.5


표(2) 각종 절연 산화막 내압