防靜電應(yīng)用（谷風參考）

1、靜電是自然界普遍存在的瞬態(tài)強電脈沖，其頻率在1MHz500MHz之間,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電無處不在,經(jīng)驗學習,摩擦：具有不同介電常數(shù)的物體之間，接觸 感應(yīng)：帶電體與導體之間，非接觸,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電產(chǎn)生:形成方式,經(jīng)驗學習,摩擦時，電子從較上的物質(zhì)轉(zhuǎn)向較下的物質(zhì)，使較上的物質(zhì)帶正電荷，較下的物質(zhì)帶負電荷 物質(zhì)離得越遠，摩擦產(chǎn)生的電荷量越大,靜電產(chǎn)生: 摩擦起電序列,中性,正電荷逐漸增加,負電荷逐漸增加,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電產(chǎn)生:實例,人在地毯上行走產(chǎn)生靜電 鞋底與地毯摩擦產(chǎn)生靜電，并逐漸傳輸?shù)秸麄€人體 鞋與地毯的性質(zhì)差距越大，走得越快，走的距離越遠，環(huán)境濕度越小，則產(chǎn)

2、生的靜電就越大,經(jīng)驗學習,人體及其衣服：接觸面廣，活動范圍大，與大地之間的電容小(150pF左右)，串聯(lián)電阻低(150左右)，放電電流可達幾十A，上升速度小于ns 器件載體：包裝容器（袋、盒、包），夾具，傳送導軌 周邊環(huán)境：工作臺，椅子，地板，焊接工具，裝配工具,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電產(chǎn)生:主要來源,經(jīng)驗學習,運動的速度 材料性質(zhì)的差異 （化纖比棉織品嚴重） 物體之間的電容 環(huán)境濕度 （北方比南方嚴重，內(nèi)陸比沿海嚴重） 物體的電阻,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電產(chǎn)生:影響因素,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電放電:定義,什么是靜電放電？ ESD：Electric Static Discharge

3、 靜電放電是具有不同靜電電位的物體相互靠近或直接接觸引起的電荷轉(zhuǎn)移（GB/T4365-1995),靜電放電導致芯片損壞,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電放電:基本過程,靜電荷的產(chǎn)生 若一個電源對100pF的電容充以10-7C的電荷，可使其端電壓達到100V，存貯能量50uJ,靜電荷的保持與泄漏 若介質(zhì)漏電電阻Rg和空氣放電電阻Ra之和為1013量級，則放電時間常數(shù)為103s左右 若電容不能耐1000V的電壓，即會被擊穿,靜電荷的瀉放 若放電電阻為100歐姆，則放電時間常數(shù)為10ns,放電電流峰值可達10A，平均功率可達1000W 若放電通道上的器件忍受不了這么大的電流，即會被燒毀,經(jīng)驗學習,

4、人體對器件放電（Human-Body Model，HBM）：發(fā)生概率最大，常作為測試標準 機器對器件的放電（Machine Model，MM）：放電電阻小，破壞力大 帶電器件的放電（Charged-Device Model，CDM）：器件通過摩擦或接觸帶電 場致放電（Field-Induced Model）：器件通過靜電感應(yīng)帶電,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電放電:主要形式,人體放電的典型波形,帶電器件放電的典型波形,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電放電:人體的靜電放電,如果接受者是元器件，就會對元器件帶來損傷或者破壞,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電放電:對人體的損害,經(jīng)驗學習,人在地毯上行走

5、：鞋與地毯摩擦產(chǎn)生靜電(假定為正電荷) 人體電荷重新分布：腳帶正電荷，手帶負電荷 人手接近(或觸摸)鍵盤：鍵盤通過感應(yīng)(或傳導)帶正電荷(或負電荷)，接近速度越快，距離越近，電荷越多 鍵盤對地放電或輝光放電：鍵盤上的元器件損壞,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電放電:人行走-鍵盤模型,輝光放電,對地放電,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電放電:器件抗靜電能力測試,I/O-to-VDD/VSS,Pin-to-Pin,VDD-to-VSS,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電失效:失效模式,pn結(jié)擊穿,金屬化失效,鍵合線開路,突發(fā)失效（catastrophic damage)：單次高電壓，功能即時喪失 隱性失

6、效（latent damage):多次低電壓，壽命縮短，抗應(yīng)力能力下降,經(jīng)驗學習,現(xiàn)象：MOS器件柵擊穿，雙極器件pn結(jié)擊穿 因素：輸入電阻越高，輸入電容越小，越容易失效 多發(fā)器件：超大規(guī)模集成電路（薄柵氧化層），超高頻功率晶體管（高壓，梳狀電極），聲表面波器件（小間距薄層電極）,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電失效:過電壓場致失效機理,經(jīng)驗學習,現(xiàn)象：直接燒毀，誘發(fā)閂鎖效應(yīng)或二次擊穿效應(yīng) 因素：電流截面越小，對地電阻越低，環(huán)境溫度越高，越容易失效 多發(fā)器件：反偏pn結(jié)，小面積pn結(jié)，高溫工作條件,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電失效:過電流熱致失效機理,經(jīng)驗學習,甚敏感器件 MOS器件：MOSFET，VDM

7、OS，MOS電容 柵控器件：JFET，SCR 微波與射頻器件： GaAs MESFET，HEMT，MIMIC 敏感器件 MOS數(shù)字電路：CMOS，NMOS，存儲器與微處理器 小信號模擬電路：運算放大器，A/D&D/A 雙極數(shù)字電路：TTL，STTL，ECL 中等敏感器件 雙極器件：pn二極管，雙極晶體管 阻容元件,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電敏感性:器件分類,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電敏感性:CMOS與雙極器件,nMOSFET VGSVGD,pMOSFET VSGVDG,MOS 器件比雙極器件更容易被靜電損壞 輸入為絕緣層，無放電通道，靜電容易產(chǎn)生及積累 輸入電容很小（幾pF)，耐壓不高（

8、通常在15V40V），積累較少的靜電電荷（約100pC）即可發(fā)生擊穿 柵-源比柵-漏更容易發(fā)生擊穿，因為在器件的正常工作條件下，柵-源電壓的絕對值大于柵-漏電壓的絕對值,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電敏感性:發(fā)射結(jié)與收集結(jié),發(fā)射結(jié)比收集結(jié)更容易發(fā)生靜電放電擊穿,導致雙極晶體管靜電放電熱破壞的功率密度與脈沖寬度關(guān)系曲線,發(fā)射結(jié)理論擬合曲線,實驗數(shù)據(jù),收集結(jié)理論擬合曲線,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電敏感性:正偏與反偏pn結(jié),正偏pn結(jié) 結(jié)區(qū)壓降小，中性區(qū)壓降大 中性區(qū)截面積大，厚度大，故電流密度小，電場強度低，不易發(fā)生靜電損傷,反偏pn結(jié) 結(jié)區(qū)壓降大，中性區(qū)壓降小 結(jié)區(qū)截面積小，厚度小，

9、故電流密度大，電場強度高，易發(fā)生靜電損傷,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電敏感性:溫度的影響,對于靜電放電熱致失效，環(huán)境溫度越高，發(fā)生失效所需的靜電能量越低，越容易發(fā)生此類失效,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 片內(nèi)靜電保護:MOS單管,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 片內(nèi)靜電保護:二極管保護電路,保護電路,實現(xiàn)結(jié)構(gòu),等效電路,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用片內(nèi)靜電保護:電阻-二極管保護電路,保護電路,實現(xiàn)結(jié)構(gòu),等效電路,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 片內(nèi)靜電保護:FET保護電路,利用柵-源短路的MOSFET代替二極管來箝制靜電勢和瀉放靜電能,利用高閾值電壓（4050V）的p溝道MOSFET的開關(guān)特

10、性來進行靜電保護,利用MOSFET的漏-源穿通特性進行靜電保護,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 片內(nèi)靜電保護: 擴散與多晶硅電阻,多晶硅電阻：相對較差，因為其周圍的氧化層阻礙散熱，必須采用更大的條寬，并接近輸入端，但因無寄生二極管，抗閂鎖能力較強,擴散電阻：相對較好，因為其硅襯底可提供有效熱阱，但因有寄生二極管，抗閂鎖能力較弱,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 片內(nèi)靜電保護: 靜電-閂鎖雙重防護,既保護輸入端，也保護輸出端 既防止正的過電壓，也防止負的過電壓,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 片內(nèi)靜電保護: 雙極器件對策1,盡可能擴大發(fā)射區(qū)面積和周長，可減少靜電損傷,靜電損傷閾值電壓測試電路,經(jīng)驗學習,

11、3.2 防靜電應(yīng)用 片內(nèi)靜電保護: 雙極器件對策2,限流電阻,箝位二極管,經(jīng)驗學習,采用箝位二極管限制輸入端、電源端、地線端之間不會產(chǎn)生過電壓，采用限流電阻限制輸入端流入電流 電阻阻值通常在200 2k，限制電流10mA（輸入端與輸出端）,3.2 防靜電應(yīng)用 片外靜電保護:限流與限壓,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 片外靜電保護:PCB對策1,采用限流和泄放電阻（對輸入阻抗有影響）,采用射級跟隨器（對速度有影響）,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 片外靜電保護:PCB對策2,采用互補放大器（失真度小）,采用光電耦合器（隔離地線干擾）,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 片外靜電保護:PCB插拔保護,經(jīng)驗學

12、習,3.2 防靜電應(yīng)用 片外靜電保護:插入緩沖器,未加緩沖器，靜電耐壓12kV,加入緩沖器，靜電耐壓35kV,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 環(huán)境防護:防靜電工作區(qū),靜電防護區(qū) I類：靜電電位100V II類：靜電電位500V III類：靜電電位1000V,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 環(huán)境防護:防靜電工作桌,所有的桌墊、腕帶、地毯等均通過1M電阻接地,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 靜電環(huán)境防護:防靜電臺面,推薦標志,可用標志,標準的防靜電標志,經(jīng)驗學習,防靜電材料 不易產(chǎn)生靜電 安全泄放靜電,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 環(huán)境防護:濕度影響,抗靜電能力很弱（如大陸性氣候）,抗靜電能力很好（如海

13、洋性氣候，但易被腐蝕）,經(jīng)驗學習,3.2 防靜電應(yīng)用 環(huán)境防護:濕度控制,相對濕度,靜電電壓/kV,濕度：相對濕度最好控制在4060，相當于在物體表面覆蓋了一層靜電耗散材料（帶導電雜質(zhì)的水汽） 離子風：中和表面靜電電荷 防靜電涂劑：促進靜電耗散，減少摩擦生電,防靜電材料,經(jīng)驗學習,接地回路應(yīng)有足夠的載流量 操作人員、導電物體接地必須接有適當阻值的電阻（100k），以保安全 不能與避雷地、交流地共用， 視情況可以與電氣保護地、電磁屏蔽地等共用,3.2 防靜電應(yīng)用 環(huán)境防護:接地控制,經(jīng)驗學習,插拔：禁止帶電插拔，插上器件或印刷板后才通電，斷電后才拔出器件或印刷板 安裝：只接觸器件外殼不接觸引腳，接觸器件