Der ESD-Schadensfall
Elektrostatische Entladungsvorgänge verursachen im Halbleiterbauelement Veränderungen der Materialeigenschaften und/oder Störungen im Zusammenwirken der Einzelelemente. Die Auswirkungen hängen von der Entladeart und dem Entladeweg ab.
Die im aufgeladenen Körper gespeicherte Ladung erzeugt ein elektrisches Feld. Der Abbau dieses Feldes, der mit der Entladung des Feldes gleichzusetzen ist, bewirkt in den metallischen Leiterbahnen des Halbleiters einen Strom. Die Zerstörungsgrenze des Leiters wird von der Stromdichte, also der Stromstärke in Abhängigkeit des Querschnittes des Leiters bestimmt.
Es zeigt sich, dass die maßgeblichen Eigenschaften, nämlich der Leiterbahnquerschnitt und die dicke der Oxidschicht in Widerspruch zu den Integrationsanforderungen nach immer kleineren Strukturen bei gleichzeitig immer höherer Packungsdichte stehen.
Bauteile werden durch Elektrostatik auf zweifache Weise beschädigt oder zerstört: Durch zu hohe Spannungen und durch den überhöhten Strom.


Der Totalausfall

Der durch den Entladeimpuls erzeugte Strom verursacht in der nicht homogen aufgedampften Leiterbahn einen punktuellen Wärmestau. Wird die maximale Belastung überschritten, verdampft das Leiterbahnmaterial, meistens Aluminium, und die elektrische Verbindung wird unterbrochen



Ein häufiger Fehler bei MOS-Bauelementen ist der Dielektrische Durchbruch. Durch eine hohe Potentialdifferenz über dem sehr dünnen Gateoxid wird die Durchbruchspannung des Oxids überschritten. Im Oxid entsteht ein leitfähiger Kanal, somit ein Kurzschluss. Dadurch ist die Steuerfunktion des Gates nicht mehr möglich, das gesamte Bauteil oder eine Teilfunktion ist zerstört






Kleidung mit hohem Kunstfaseranteil, Bodenbeläge aus Kunstfasern und Nadelfilz können Aufladespannungen von mehr als 10000 Volt (V) erzeugen.
Wird diese Ladung durch Berühren von z.B. Halbleiterbauelementen (Transistoren, ICs, Dioden etc.) schlagartig abgebaut, fließen sehr starke, steilflankige Stromstöße mit Spitzenwerten von einigen Ampere in einer Zeit von einigen Nanosekunden (0,000000001 sek = 1ns =eine milliardstel Sekunde).
So sind für Menschen erst Aufladungen ab ca. 3500 V als leichter elektrischer Schlag zu spüren. Ab 4500 V ist ein Knistern zu hören und ab 5000 V wird ein Funke sichtbar.

Die Degradation

Der kritischere Fehler bei einer Schädigung durch ESD ist die Degradation.
Die Degradation ist ein Zuverlässigkeitsproblem. Durch eine Entladung werden die Elemente des Halbleiter-Chips geschädigt und ihre Eigenschaften verändert. Das Bild unterhalb zeigt zwei Halbleiter-Chips, auf die je ein Widerstand aufgebracht ist. Der Widerstand, der durch den roten Pfeil gekennzeichnet ist, ist in seiner Oberflächenstruktur deutlich verändert gegenüber dem Widerstand auf der linken Seite des Bildes. Die Schädigung stellt eine Degradation dar, die zu keinem Sofort-Ausfall geführt hat.


In der Regel kann sie über eine Veränderung der Kennlinie erkannt werden. Ob die Veränderung oder versteckte Fehlfunktion während den Einstellarbeiten und der Endprüfung entdeckt wird, ist nicht sichergestellt. Die latent vorhandenen Schädigungen werden meist nicht erkannt.
Zwar werden in die meisten heute gebräuchlichen elektronischen Bauelementen ein ESD-Schutz ‚on-chip‘ eingebaut. Dieser hat jedoch wenig Sinn, wenn gleichzeitig keine Maßnahmen zum externen Schutz getroffen werden.