ESD防靜電介紹幻燈片

講師：王燕平ESD防靜電知識講解ESD防靜電知識講解什么是靜電放電(ESD)靜電如何形成半導體產(chǎn)品抗靜電能力ESD的影響質量方式組件被ESD破壞之原因及型態(tài)ESD破壞分析靜電防護各類常用靜電防護材料各種靜電標示警告制程對ESD之要求

什么是靜電放電(ESD)

◆

嚴寒的冬天，當您脫下暖和的毛衣，您會聽到嗶嗶啪啪聲

◆干燥的冷天，當伸手去開車門或窗戶，會感到觸電的感覺

◆用手去撫摸家里的貓，您會發(fā)現(xiàn)貓竟然怒發(fā)沖冠這些就是靜電瞬間泄放(ESD)所主導產(chǎn)生的現(xiàn)象ESD-ElectroStaticDischarge

◆

其實靜電并不僅由人為才會產(chǎn)生，例如–空中對流的云層–沙漠中隨風飄起的砂1ESD防靜電知識講解什么是靜電放電(ESD)靜電如何形成半導體產(chǎn)品抗靜電能力ESD的影響質量方式組件被ESD破壞之原因及型態(tài)ESD破壞分析靜電防護各類常用靜電防護材料各種靜電標示警告制程對ESD之要求ESD防靜電知識講解

靜電如何形成◆

靜電是史載最早發(fā)現(xiàn)的一種〝電〞

–靜電其實是自從有人類以來，就影響著人類的生活–公元前640年，希臘哲學家THACES（撒奇)把琥珀(Amber)

摩擦后發(fā)現(xiàn)可以吸附毛發(fā)，而開始知道靜電的存在◆靜電的形成

?導體–具有可移動的電子或價電子(ValenceElectrons)在原子 結構的最外層，其受原子核(Nuclei)的束縛最小，當受到外 來電場的吸引而移動(產(chǎn)生電流)，此類物質稱為導體

?絕緣體–缺乏上述之可移動的電子或價電子的物質，稱為絕緣體2ESD防靜電知識講解◎物質產(chǎn)生靜電大小排列如下表，其中愈正性與愈負性物質互相摩擦產(chǎn)生之靜電愈大 Air 空氣 Amber琥珀 Asbestos 石棉 AcetateRayon 人造絲 Aluminum 鋁 Brass,Silver 黃銅,銀 Cotton 棉 Gold,Platinum 金,白金 Fur 皮革 HardRubber 橡膠 Glass 玻璃 Orlon 奧龍 Hands 手 Polyester 多元脂 HumanHair 頭發(fā) Polyurethane PU聚亞氨脂 LeadHand 石墨 Polyvinyl PVC聚氯乙烯 Mica 云母石 Polyethylene PE聚乙烯 Nylon 尼龍 Polypropylene PE聚丙烯 Paper 紙 SealingWax 蠟 RabbitFur 兔毛 Silicon 硅 Silk 絲 Sulfur 硫磺 Steel 鋼絲 Teflon 鐵弗龍 Wool 羊毛 Nickel,Copper 鎳,銅 Wood 木材4Negative負性(-)Positive正性(+)ESD防靜電知識講解◆靜電就在您的周圍–人在走路或跑步就可以產(chǎn)生可觀的靜

電，下面是一個量測人體靜電的實驗靜電壓量表不銹鋼板人(不帶靜電環(huán))(StaticLocator)(12〞x12〞)絕緣架量測時溫度為24.5℃，相對濕度RH為55%一般地面5鞋子(皮鞋或球鞋)導線ESD防靜電知識講解◎A)上述條件測量結果所穿鞋子動作產(chǎn)生靜電壓(Volts)皮鞋原地慢速踏步150~200皮鞋原地快速跑步200~250球鞋原地慢速踏步200~250球鞋原地快速跑步250~350◎B)當不同條件下，靜電壓之變化產(chǎn)生方法10%~20%相對濕度65%~95%相對濕度走過地毯35,0001,500走過塑料地毯12,000250在椅子上工作6,000100拿起塑料活頁夾7,000600工作椅墊摩擦18,0001,5006ESD防靜電知識講解7◆工作場所中常見的靜電產(chǎn)生物質或活動：

?工作桌面–一般的塑料、上臘、上漆。

?地板–水泥地板、一般塑料地板。

?

衣服–人造纖維衣服、一般非導電鞋、抹布。

?椅子–木材椅、塑料椅、玻璃纖維椅。

?

包裝及運送–塑料袋、泡棉、保麗龍、塑料盒。

?

組裝、加工、測試、修理–噴霧清潔劑、吸錫器、鉻鐵、刷子 、塑料帶、熱氣、烤箱、復寫紙。ESD防靜電知識講解什么是靜電放電(ESD)靜電如何形成半導體產(chǎn)品抗靜電能力ESD的影響質量方式組件被ESD破壞之原因及型態(tài)ESD破壞分析靜電防護各類常用靜電防護材料各種靜電標示警告制程對ESD之要求ESD防靜電知識講解

半導體產(chǎn)品抗靜電能力

◆抗靜電能力之量測(HumanBodyModel)

?依MIL-STD-883，Method3015，測試線路圖：

1.Input(A),Common(B)2.Output(B),Common(A)3.Input(A),Output(B)4.V+(A),Common(B)5.V+(B),Common(A)8ESD防靜電知識講解 ◎各類半導體材料抗靜電能力之比較(NEPCON/WESTReport)

芯片種類 靜電破壞電壓(Volts) MOSFET100~200 EPROM100~ JFET140~7,000 Op-Amp190~2,500 TFT250~3,000 SCHOTTKYDIODE300~2,500 TTL300~2,500 BipolarTransistor380~7,000 ECL500~ SCR680~10,000

9ESD防靜電知識講解

◆抗靜電能力之分類–依上述量測方法得到的結果，可將材料之 抗靜電能力區(qū)分為CategoryA與CategoryB(早期MIL分法)

類別耐電壓(Min.Volts)材料防靜電包裝保護需求A20~2000防靜電管及導電袋B>2000防靜電管及防靜電袋由上可知，大體而言只要100V以上的靜電壓就可以對半導體產(chǎn) 生傷害，故ESD之防護工作，我們不可不慎。而基本上，不同Category之半導體可以不同的等級來做ESD防 護，但為方便于處理，通常都以處理較嚴密的CategoryA來做防護措施。10ESD防靜電知識講解11◆

ESD對人體會造成傷害嗎？

?

家中的110V、220V常常因為使用不慎造成傷亡，那ESD是否會對人體造成傷害呢？

?

造成肌肉或心臟麻痹主要的是……電流，尤其是交流電流。

?電流對人體傷害分析表(MIL-STD-454)。

電流大(毫安、mA)

AC(60Hz)

DC

結果

0-10-1有知覺1-44-15感到驚訝4-2115-80有反射動作21-4080-160肌肉麻痹40-100160-300休克100以上300以上立即死亡ESD防靜電知識講解什么是靜電放電(ESD)靜電如何形成半導體產(chǎn)品抗靜電能力ESD的影響質量方式組件被ESD破壞之原因及型態(tài)ESD破壞分析靜電防護各類常用靜電防護材料各種靜電標示警告制程對ESD之要求ESD防靜電知識講解12

ESD的影響質量方式1.人體放電模式(HumanBodyMode,HBM)–顧名思義知道此為借由人體于走動摩擦產(chǎn)生靜電，而影

響到組件的模式；人體元件(HBM)--------ESD防靜電知識講解C.N.Tsai,99/01/11132.電場感應模式(FieldInducedMode,FIM)–指由于外來電場感應產(chǎn)生電荷，巧遇機緣而將電荷引

導接地引起的模式3.充電組件模式(ChargedDeviceMode,CDM)–上述FIM模式中當組件被移離開電場或接地時，就變

成CDM模式元件外在電場感應電荷接地造成ESD放電(FIM)(Field)E(Grounded)〣元件接地消失移離電場(CDM)(Field)ESD防靜電知識講解什么是靜電放電(ESD)靜電如何形成半導體產(chǎn)品抗靜電能力ESD的影響質量方式組件被ESD破壞之原因及型態(tài)ESD破壞分析靜電防護各類常用靜電防護材料各種靜電標示警告制程對ESD之要求ESD防靜電知識講解14

組件被ESD破壞之原因及型態(tài)◆靜電的基本物理特性為：吸引或排斥，與大地有電位差，會產(chǎn)生放電電流。這三種特性能對電子組件的三種影響：1.靜電吸附灰塵，降低組件絕緣電阻（縮短壽命）。2.靜電放電破壞，使組件受損不能工作(完全破壞)。3.靜電放電電場或電流產(chǎn)生的熱，使組件受傷（潛在損傷）?！鬍SD破壞之原因：1.功率產(chǎn)生：如熱崩潰、金屬被熔融2.電壓產(chǎn)生：如介電質崩潰、表面崩潰3.潛在性故障：如功能劣化、降級ESD防靜電知識講解15◆

ESD破壞之型態(tài)

1.接面崩熔（JunctionBurnout） 過大的電流通過接面時，產(chǎn)生極大的熱量，使得接面崩熔。此種 破壞是屬于接面短路，并有二個特性 A.即使ESD的能量未能打穿接面（JunctionBurnout），也能造成元 件的失效

B.正向偏壓的ESD破壞能量是負向偏壓的5~15倍 2.氧化層貫穿（OxidePunchThrough） 通常在金屬氧化層半導體（MOS）上可以發(fā)現(xiàn)此類型之破壞， 這是由于外加的靜電壓超過了氧化層的崩潰電壓所致。其現(xiàn)象亦 是短路。EBCEBCESD防靜電知識講解16

3.金屬層崩熔（MetalizationBurnout）由于過大的電流流經(jīng)金屬層，并在較脆弱的地方產(chǎn)生，由于此種破經(jīng)常是伴隨著接面短路或是氧化層短路之后發(fā)生故屬于所謂的二次崩潰（SecondaryBreakdown）。而其現(xiàn)象為斷路。ESD防靜電知識講解17 ◆靜電的累積破壞–負傷而行

?

接面崩熔（WalkingWounded）–許多實驗證實靜電能使半導體負 傷，但不玫立即完全破壞其功能，而且有多數(shù)這些『負傷而行』的 組件都能通過測試直到這些組件送到客戶之后，隨時會從『負傷而 行』變成完全失效。

?

下面是一ESD累積破壞的試驗： 應用前述HBM接線方式（僅略去人體的電阻R2=1.5KΩ）來 量測54S163IC

試驗條件： 試驗結果： 材料：54s163 測試前 I=2.883μA PASS 人體電容：100pf 第一次 I=2.883μA PASS 每次放電：50V 第二次 I=2.890μA PASS 放電次數(shù)：5次 第三次 I=2.890μA PASS 測試點：Vin=Pin2(A) 第四次 I=1.872mA FAIL GND=Pin8(B) 第五次 I=2.147mA FAILESD防靜電知識講解18 ◆

ESD破壞LCM面板的微觀圖片

ESD防靜電知識講解什么是靜電放電(ESD)靜電如何形成半導體產(chǎn)品抗靜電能力ESD的影響質量方式組件被ESD破壞之原因及型態(tài)ESD破壞分析靜電防護各類常用靜電防護材料各種靜電標示警告制程對ESD之要求ESD防靜電知識講解19

ESD破壞分析

◆找出LCM上之故障組件

◆對故障組件進行基本電性量測–功能測試–參數(shù)測試◆

X-ray做表層分析◆逐層分析，檢視內(nèi)部◆幾種遭ESD破壞案例參考ESD防靜電知識講解20去鋁層之后的接合窗接合窗放大10,000之后可見貫穿現(xiàn)象A金屬接合窗橫切面放大(2,000)橫切面放大(10,000)ESD防靜電知識講解什么是靜電放電(ESD)靜電如何形成半導體產(chǎn)品抗靜電能力ESD的影響質量方式組件被ESD破壞之原因及型態(tài)ESD破壞分析靜電防護各類常用靜電防護材料各種靜電標示警告制程對ESD之要求ESD防靜電知識講解21

靜電防護

◆

TFT-LCD設計的靜電防護(治本方法)

本方法乃是靜電防護最好的辦法，但在設計TFT面板的抗靜電電路時，必須考慮到電路產(chǎn)生熱的影響、反應時間、最大電壓、能量傳導、寄生電容等等因子，故并非隨心所欲可以辦到。因此靜電防護仍必須靠一些治標的方法。

◆靜電防護的基本原則1.避免靜電產(chǎn)生2.疏導或中和所產(chǎn)生之靜電3.屏蔽靜電場逐一介紹說明如下：ESD防靜電知識講解221.避免靜電產(chǎn)生(A)潮濕法(Moisturing)水氣本身會有導電現(xiàn)象，故可降低絕綠體表面電阻，達到靜電防護目的(B)抗靜電涂布法(Anti-StaticCoating)–有部份溶液可噴灑于綠體表面降低物體表面電阻，達到靜電防護的目的。但此種涂層，日久會脫落而漸漸失去其效果，故必須考慮其有效期。(C)內(nèi)部靜電劑法(ImbededAnfi-StaticAgent)–這是在材料中加入具有導電性或吸濕性的物質，使其外層具有輕微導電性。此方法可以不必考慮有效期，但成本較高。2.疏導或中和靜電法(A)疏導法(Bleed-Off)典型的疏導法就是配帶靜電環(huán)(WristStrap)，是將人體產(chǎn)生之靜電電荷，藉由導線將所產(chǎn)生之電荷傳導出去。通常靜電環(huán)中會接一1MΩ之接地電阻，以保護人員工作之安全。ESD防靜電知識講解23(B)中和法(Neutralization)

利用靜電消除器(Ionizer)來釋出正、負離子以中和消除靜電效應。目前

常用的靜電消除器有下列幾種：

a.放射性靜電消除器–使用放射性物質釙或元素之輻射能來撞擊空 氣使之分裂成等量的正、負離子。使用此Ionizer必須加防護結構。 其優(yōu)點是不需電源容易裝置，具有防炸功能；缺點是使用壽命短 (每年更換)，必須離使用遇火警時極危險。

b.高壓靜電效應消除器–利用針點高壓(5KV左右)尖端放電來電離 空氣分子。此種裝置具有高效率及高安全性之特點，所產(chǎn)生之電 流僅幾微安培(μA)，不會產(chǎn)生電擊。

c.感應靜電效應消除器–這是利用帶電物質之高電壓(對接地點)來 電離空氣離子ESD防靜電知識講解243.摒蔽靜電場（FieldShielding）

此種方法乃利用FaradyCage之原理使靜電場被摒蔽在容器之外圍。圖是－5KV電場下各種容器內(nèi)測得的靜電場，右圖是一摒蔽電場之模型電場無法貫穿僅分佈表面電壓(kv)時間(秒)01.02.03.01.02.03.0導電袋防靜電袋一般PE袋金屬容器ESD防靜電知識講解什么是靜電放電(ESD)靜電如何形成半導體產(chǎn)品抗靜電能力ESD的影響質量方式組件被ESD破壞之原因及型態(tài)ESD破壞分析靜電防護各類常用靜電防護材料各種靜電標示警告制程對ESD之要求ESD防靜電知識講解25

各類常用靜電防護材料1.靜電環(huán)

–由伸縮拉環(huán)，內(nèi)含1MegaΩ±10%電阻之導線及接頭所構成。配帶靜電環(huán)時必須注意到：

(a)靜電環(huán)必須與手緊密接觸，不可松脫或套于衣袖上

(b)與接地之間必須保持1MΩ±10%之電阻 (c)接頭必須固定妥當，當接頭未接地妥當時，不得碰觸材料

2. 抗靜電材料(袋、管、管塞、盒等)–在材料上涂布抗靜電液， 使材料不會產(chǎn)生靜電荷，或僅產(chǎn)生微量的靜電荷(通常在100V以下)。此類材料表面電阻要求在<1012Ω/square以下，靜電消散時間<2sec。使用此材料應：

(a)此材料僅能防止本身產(chǎn)生靜電，而卻無法防止靜電場破壞

(b)表面涂層必須考慮其有效期

(c)一般工業(yè)界會將此類產(chǎn)品制成粉紅色

例如：防靜電服。ESD防靜電知識講解263.靜電遮蔽材料(袋、管、管塞、盒等)–此種材料一般含有二或三層，上下(或外)層是抗張力強的抗靜電化學合成物質(R<1012Ω/square，靜電消散時間<2sec)，中間(或內(nèi))層是一層薄薄的金屬箔(105<R<109Ω/square)。使用時需注意：

(a)避免使用尖銳物品刮壞金屬層

(b)封閉的導電袋或容器才有完全之保護

例如：IC包裝盒，面板包裝袋等 4. 靜電消除器–利用儀器所產(chǎn)生的大量離子，將絕緣體表面的靜電予以中

和。使用靜電消除器必須注意：

(a)靜電消除器必須在工作范圍4~5呎內(nèi)方為有效區(qū)域

(b)靜電消除器必須定期清理所積聚之灰塵，至少3個月內(nèi)清理一次

(c)靜電消除器必須定期檢查其離子是否平衡

(d)靜電消除器會產(chǎn)生臭氧(O3)對人體無害(有益)，但臭氧濃度不可超過

0.1DPPM，否則其異味會使人難以忍受ESD防靜電知識講解27

5.防靜電工作桌1.防靜電服2.靜電環(huán)3.防靜電桌面4.靜電消除器5.靜電鞋6.導電地板ESD防靜電知識講解28 注：各接地點之標準接法 6. 其它常用抗靜電材料： (a)防靜電手套、指套

(b)抗靜電手套、袖套

(c)靜電消除劑 (d)靜電鞋ESD防靜電知識講解什么是靜電放電(ESD)靜電如何形成半導體產(chǎn)品抗靜電能力ESD的影響質量方式組件被ESD破壞之原因及型態(tài)ESD破壞分析靜電防護各類常用靜電防護材料各種靜電標示警告制程對ESD之要求ESD防靜電知識講解29

各種靜電標示警告A.〝對ESD敏感〞標示：C.〝保護〞+外弧去斜線之標示： 適用于告知電子零組件對ESD 用于工具或材料上已具有控制ESD

極為敏感，易遭ESD破壞。之功效。

B.〝對ESD敏感〞+警語之標示：D.〝對ESD敏感〞標示亦可用：

適用于防靜電包裝袋上。ESD防靜電知識講解什么是靜電放電(ESD)靜電如何形成半導體產(chǎn)品抗靜電能力ESD的影響質量方式組件被ESD破壞之原因及型態(tài)ESD破壞分析靜電防護各類常用靜電防護材料各種靜電標示警告制程對ESD之要求ESD防靜電知識講解30

制程對ESD之要求

◆設備要求

1.設備機殼：AC-INPUTU一律使用三插頭有接地端子電源

線，設備外殼一律接地。(AI、RI、SMD、加工成型機、

測試儀器、錫爐等) 2.外加工治具：一律使用金屬制作，并接地處理。(含散熱片 鎖附治具) 3.維修站：工作臺表面，需鋪上靜電墊，其表面阻值為105~ 109Ω/SQUARE，人員、儀器皆需確實接地

4.鉻鐵：外殼需接地處理

5.零件盒：半導體之零件被裝置或取出時，作業(yè)人員需配帶靜 電環(huán)，零件放于導電容器或導電之零件盒中。半導體零件嚴 禁放置于塑料容器(非靜電盒)或保麗龍容器中ESD防靜電知識講解31

◆搬運要求

1.靜電盒：石墨型(黑色，永久型)規(guī)格為105~109Ω/SQUARE， 可使用期限一年以上2.金屬盒：手插件段(HI)放置小零件之料盒，一般為不銹鋼導 體，必須接地使用

3.籃子：防靜電盒如使用一般塑料籃，則需加上防靜電之隔離 使用

4.傳送帶：生產(chǎn)線若以輸送帶方式作業(yè)時，輸送帶及其各裝置需確實接地

5.臺車：A/I室及生產(chǎn)線的搬運臺車，一般必須使用導體材質，并在臺

車底部加接地煉條，煉條必須與地面接觸◆儲存要求1.濕度：儲存空間之相對濕度需控制于50%~60%的范圍之內(nèi)

2.保存架：必須使用導體材質，及具備接地設施