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認識靜電篇(一)2005/10/05黃賢松彙編靜電Static

Electricity靜電的概念1.靜電是一種電能，是正電荷和負電荷在局部範圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果；並通過電子或離子轉(zhuǎn)移而形成。2.靜電現(xiàn)象是電荷的產(chǎn)生和消失的過程中產(chǎn)生電的現(xiàn)象的總稱。靜電是留存在物體表面過?；虿蛔愕撵o止電荷2/41三種過電應力閃電Lighting過電(EOS)ElectricalOverStress靜電放電(ESD)Electro-StaticDischarge極端高壓極大能量低電壓(16v以下)持續(xù)時間長較低的能量高電壓(幾KV)持續(xù)時間短(..ns)很低的能量快速的上升時間1.閃電:雲(yún)相互之間摩擦而帶大量的電荷,相互放電形成能量巨大的閃電,對地放電則可能形成雷擊.2.過電:使用電源的設(shè)備的漏電流或電壓引起的過大的電流或電壓.3.靜電放電:電荷從一個物體到另一個物體的突然轉(zhuǎn)移.3/41靜電產(chǎn)生的原理電子圍繞原子核運動,一有外力即脫離軌道,離開原來的原子而侵入其他的原子﹒原子因缺少電子數(shù)而帶正電現(xiàn)象外力;包含各種能量,如:動能,位能,熱能,化學能,電磁能等.外力原子因增加電子數(shù)而帶負電現(xiàn)象陽離子隂離子5/41靜電產(chǎn)生的方式感應傳導平衡原子1平衡原子2帶負電原子

帶正電原子

7P+7P+

-eeeeeeeeeeeee

8P-

-eeeeeeeee6P+eeeeeee---可分為:接觸,摩擦,感應,沖流,冷凍,電解,壓電,溫差..等;以原理分有下列3種:摩擦1.2.3.6/41靜電在哪裡?你相信嗎?它就在我們身上及四周,就像我們呼吸的空氣無時無刻包圍著我們一樣,它的量多大?則取決於所受的因素.如;環(huán)境的相對溼度,灰塵,所穿衣服/鞋的質(zhì)料,所站的地面,身體的動作,工作用的材料以及物體之間的摩擦----等等.一般能讓我們感覺或查覺得到的靜電至少要3000V以上.但;半導體元器件在低於3000V就可造成損壞.除非空氣(氣流)很熱,很冷,很乾或潮或直接吹向我們,否則我們感覺不到它的存在,但是;你知道嗎?當我們走過地毯則會產(chǎn)生超過5000V的靜電嗎?地毯5000V?741摩擦生電+++++摩擦接觸面積增大++

兩個物體摩擦時發(fā)生熱並產(chǎn)生靜電.

靜電由於摩擦的程度或表面的均勻度、接觸壓力、磨力、分離速度等不同而電荷量亦不同.要點9/41傳遞生電++++++++接近靜電傳遞+++接地++++++++++離開-用塑料袋包裝的部品易發(fā)生靜電.

當塑料袋、塑膠等帶電體接觸部品時易產(chǎn)生靜電.不帶電體處在帶電體的電場內(nèi)時易產(chǎn)生靜電.要點10/41剝離生電+++輪子軸皮帶+++-壓克力或PVC面板保護膜撕下來時易產(chǎn)生靜電.-軸和皮帶滾動分離時也容易產(chǎn)生靜電.要點11/41熱電子放出生電熱風烤箱-物體加熱時發(fā)出電子.

溫度升高時最外層軌道的電子能量增加使電子容易從原子上分離.要點電子管：真空或低壓氣裏移動的電子或離子的作用下，整流放大，震盪，開關(guān)等作用的管球（包括真空管，放電管，光電管，陰極射像管等）加熱時亦容易產(chǎn)生靜電.1MΩ底盤為絕緣體時(鋼盤要接地)黑膠烘烤作業(yè)13/41工作場所中常見的靜電產(chǎn)生物質(zhì)或活動1.工作桌面–一般的塑膠、上臘、上漆。3.衣服–人造纖維衣服、一般非導電鞋、抹布。4.椅子–木材椅、塑膠椅、玻璃纖維椅。5.包裝及運送–塑膠袋、泡棉、保麗龍、塑膠盒。

2.地板–水泥地板、一般塑膠地板。6.組裝、加工、測試、修理–噴霧清潔劑、吸錫器、鉻鐵、刷子﹑塑膠袋、熱氣、烤箱、複寫紙、噴槍。

14/41物質(zhì)產(chǎn)生靜電大小排列表(愈正性與愈負性物質(zhì)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頭髮 PolyurethanePU聚亞氨脂LeadHand石墨 PolyvinylPVC聚氯乙烯Mica 雲(yún)母石 PolyethylenePE聚乙烯Nylon尼龍PolypropylenePE聚丙烯Paper紙SealingWax蠟RabbitFur兔毛Silicon矽Silk絲Sulfur硫磺Steel鋼絲 Teflon鐵弗龍Wool羊毛Nickel,Copper鎳,銅Wood木材Positive正性(+)Negative負性(-)15/41人體電位&元器件承受力

在乾燥的季節(jié)若穿上化纖衣服和絕緣鞋在絕緣的地面行走等活動、人體身上的靜電可達幾千伏甚至幾萬伏。人體活動靜電電位(單位KV)

RH(10-20)％RH(65-90)%在地毯上走動3.51.5在乙烯樹酯地板上行走120.25在工作臺上工作60.1裝說明書的乙烯樹酯袋70.6從工作臺上拿起普通聚乙烯袋201.2從墊有聚氨基甲酸泡沫的工作椅上站起181.5器件類型靜電破壞電壓(V)器件類型靜電破壞電壓(V)VMoS30～1800OP-AMP190～2500M0SFET100～200JEFT140～1000GaAsFET100～300SCL680～1000PROM100

STTL300～2500CMoS250～2000DTL380～7000HMOS50～500消特基二極管300～3000E／DMOS200～1000雙極型晶體管380～7000ECL300～2500石英壓電晶體＜100002.電子器件所能承受靜電破壞的靜電電壓1.在兩者不同溼度條件下人體產(chǎn)生的靜電電位˙部品別靜電敏感度為CLASS1(0~1KV),CLASS2(1~3KV),CLASS3(3KV以上)˙CLASS1的部品特別敏,製造,運輸,保管等,所有過程中特別注意.17/41靜電衝擊1.

10-100V

損壞元件2.3,000V

感覺有點疼3.4,000V

感覺針刺4.5,000V

感覺到痛5.7,000V

指頭感到痛和麻木6.9,000V手腕感到痛和麻木7.11,000V

指頭感到強烈麻木18/41對ESD敏感元件--可能容易被ESD損壞的零件--

半導體元件

厚與薄的薄膜電阻

混合電路器件

晶體19/41及組裝半成品(PCBA)元件被ESD破壞的型態(tài)

過大的電流通過接面時，產(chǎn)生極大的熱量，使得接面崩熔。此種破壞是屬於接面短路。

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，這是由於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。EBCEBC2.氧化層貫穿針引線（OxidePunchThrough）1.接面崩熔（JunctionBurnout）21/413.金屬層崩熔（MetalizationBurnout）

由於過大的電流流經(jīng)金屬層，並在較脆弱的地方產(chǎn)生，由於此種破壞經(jīng)常是伴隨著接面短路或是氧化層短路之後發(fā)生故屬於所謂的二次崩潰（SecondaryBreakdown）。而其現(xiàn)象為斷路。

?負傷而行（WalkingWounded）–許多實驗證實靜電能使半導體負傷，但不致立即完全破壞其功能，而且有多數(shù)這些『負傷而行』的元件都能通過測試直到這些元件送到客戶之後，隨時會從『負傷而行』變成完全失效。靜電的累積破壞–負傷而行元件被ESD破壞的型態(tài)22/41基板組件(PCBA)

Printedcircuitboardassembly4.PCBA或單個的元件暴露在很強的外部電場，誘發(fā)過大的內(nèi)部電流?；褰M立或單個元件可能有幾種方式被ESD所損壞:1.手直接接觸到元件引腳。2.非直接接觸，如手接觸連接器或金手指(goldfinger)。ESD“攻擊”沿PCBA的跡線運行直到找到一個脆弱的IC，將它摧毀。3.PCBA或單個的元件放在一個充電表面，通過感應“拾取”類似靜電充電。這樣，當放在一個金屬表面，迅速放電(慢放電是安全的)。23/41人體模式25/41人體移動中會使人體產(chǎn)生高迖幾千伏靜電勢.這電荷會通過手指或其它部位直接傳遞到敏感電子元件中，人體模式表現(xiàn)出來的特徵為高壓低流，這主要擊穿元件內(nèi)部電容.1.人體模式:機械模式元件在組裝過程，會與許多金屬夾具摩擦，當這些金屬帶上靜電并靠近元件時，會發(fā)生金屬與元件之間的快速放電，機械模式表現(xiàn)出來的特徵為低壓高流，會直接燒壞元件本身.2.機械模式裝置/夾具帶電通過元器件放電裝置/夾具外來激勵26/41帶電器件模式27/41元件在電場中接地而放電;或元件的包裝被帶電並接地.3.帶電器件模式元器件帶電通過導電裝置接地放電導電裝置管腳可移動的電荷塑料中不能移動的電荷靜電放電之電磁干擾(EMI)靜電放電時產(chǎn)生的電磁脈衝可使設(shè)置產(chǎn)生誤動作,破壞元器件.5.靜電放電之電磁干擾(EMI)1010靜電放電時產(chǎn)生的電磁脈衝信號裝置正常工作時的時序信號受干擾後裝置產(chǎn)生無輸出信號29/41靜電–隱形殺手只要你機會於我,我是靜電我讓你後悔莫及.30/41五個基本靜電防護要求(由美國ESD學會定義)1.確定ESD保護區(qū)域,靜電敏感元件將在此區(qū)域內(nèi)被加工或接觸.2.確定ESD保護區(qū)中,哪些靜電敏感元件需要被加工或接觸?3.ESD區(qū)域內(nèi),要確保不要被不必要或未經(jīng)防靜電處理的物體污染.4.建立合適的防靜電操作規(guī)程或制度,最大限度的限制靜電的產(chǎn)生,並控制靜電壓值低於大多數(shù)敏感元件的破壞值.提供可靠,安全的靜電放電通路.5.靜電防護制度化,經(jīng)常檢測ESD防靜電保護區(qū)的指標,確保靜電是在規(guī)定的檢測標準範圍之內(nèi).對出現(xiàn)的問題做出文字紀錄並更正.31/41靜電防護的基本思路(1)1.靜電對策的基本思考1)防止靜電發(fā)生.–100V以下.2)防止靜電從外部侵入.–1秒內(nèi)100V以下.3)發(fā)生的靜電通過接地放電.2.對策方法1)維持溼度50%以上（上限值為70%）工作臺上的硅脂膠墊MAT接近化學物帶電防止處理2KV4KV6KV8KV20%40%60%80%100%（相對溼度）靜電發(fā)生量-靜電對策最基本的是除了防止靜電產(chǎn)生外，還要維持溼度管理50%-70%.32/41靜電防護的基本思路(2)2)冷熱溼度管理

靜電引起的不良多發(fā)生在冬季和夏季居多，這說明對溼度沒有進行管理。（在北方冬季更容易發(fā)生，這是由於溼度低且乾燥。但在潮濕的夏季也有發(fā)生，這說明溼度未管理好是由於空調(diào)使?jié)穸炔罴卞嶙兓鸬模?3)帶電體全部接地-帶靜電環(huán)（內(nèi)藏

1Mohm）-防靜電服-使用防靜電墊-使用導電容器-設(shè)備,儀器接地等等33/41靜電防護的基本思路(3)4)高阻接地原理5)材質(zhì)的變更峰值電流

(Ip)延遲時間接地電阻0Ω(電流急遽洩放)

接地線電阻1MΩ

工作原理圖防止瞬間放電使用帶電困難的材料或該材料的組裝品.34/41如何防護靜電?

本方法乃是靜電防護最好的辦法，但在設(shè)計半導體的抗靜電電路時，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，故並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。

◆

晶片設(shè)計的靜電防護(治本方法)3.摒蔽靜電場

2.疏導或中和所產(chǎn)生之靜電1.避免靜電產(chǎn)生

◆靜電防護的基本原則35/411.避免靜電產(chǎn)生(B)抗靜電塗佈法(Anti-StaticCoating)–有部份溶液可噴灑於絕緣體表面降低物體表面電阻，達到靜電防護的目的。但此種塗層，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溼性的物質(zhì)，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。(A)潮溼法(Moisturing)–水氣本身會有導電現(xiàn)象，故可降低絕緣體表面電阻，達到靜電防護目的。36/41(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.2.疏導或中和靜電法(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。37/413.屏蔽靜電場（FieldShielding）

此種方法乃利用FaradyCage之原理使靜電場被屏蔽在容器之外圍。左圖是－5KV電場下各種容器內(nèi)測得的靜電場，右圖是一屏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38/41防靜電專有名詞-1˙ESDS(ElectrostaticDischargeSensit