ESD基礎(chǔ)知識培訓(xùn)講義 2

防靜電知識什么叫靜電(ESD)什么是靜電?ESD-ElectroStaticDischarge靜電:處于靜止?fàn)顟B(tài)下的帶電電荷.當(dāng)兩個不同的物體相互接觸時就會使得一個物體失去一些電荷如電子轉(zhuǎn)移到另一個物體使其帶正電，而另一個體得到一些剩余電子的物體而帶負(fù)電。若在分離的過程中電荷難以中和，電荷就會積累使物體帶上靜電。梳頭、揭塑料紙、走路、冬天脫毛衣、手摸門把手、閃電等.生活中常見的幾種靜電現(xiàn)象e-

◎以物體抗靜導(dǎo)電性來區(qū)分材質(zhì)

–導(dǎo)電性(Conductive)材質(zhì):表面店電阻系數(shù)在105Ω/square以下

–靜電衰減性(StaticDissipative)材質(zhì):表面電阻系數(shù)介于105~109Ω/square –抗靜電性(Anti-Static)材質(zhì):表面電阻系數(shù)介于109~1012Ω/square –絕緣體(Insulator)材質(zhì):表面電阻系數(shù)介于1012Ω/square以上◎摩擦生電7P+7P+7P+7P+e-e-e-e-e-e-e-平衡原子1e-平衡原子2帶負(fù)電原子帶正電原子e-e-e-e-e-e-e-摩擦e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-靜電及靜電的產(chǎn)生

◎物質(zhì)產(chǎn)生靜電大小排列如下表，其中愈正性與愈負(fù)性物質(zhì)互相摩擦產(chǎn)生靜電愈大

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

Teflon 鐵氟龍

Wool 羊毛 Nickel,Copper 鎳,銅

Wood 木材Negative負(fù)性(-)Positive

正性(+)靜電及靜電的產(chǎn)生

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%.一般地面鞋子(皮鞋或球鞋)導(dǎo)

線靜電及靜電的產(chǎn)生

◎

A)上述條件測量結(jié)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(dāng)不同條件下，靜電壓的變化

產(chǎn)生方法

10%~20%相對濕度

65%~95%相對濕度

走過地毯35,0001,500走過塑膠地毯12,000250在椅子上工作6,000100拿起塑膠文件夾7,000600工作椅墊摩擦18,0001,500靜電及靜電的產(chǎn)生

工作場所中常見的靜電產(chǎn)生物質(zhì)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(dǎo)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(fù)寫紙。

靜電及靜電的產(chǎn)生

◆抗靜電能力的量測(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)抗靜電能力的量測

◎各類半導(dǎo)體材料抗靜電能力之比較(NEPCON/WESTReport)

晶片種類

靜電破壞電壓(Volts)

MOSFET100~200 EPROM100~ JFET140~7,000 Op-Amp190~2,500 CMOS250~3,000 SCHOTTKYDIODE300~2,500 TTL300~2,500 BipolarTransistor380~7,000 ECL500~ SCR680~10,000

半導(dǎo)體產(chǎn)品抗靜電能力一般來說,靜電電壓大于50伏,一般零件都可能被損害或降低等級.依上述量測方法得到的結(jié)果,可將材料之抗靜電能力區(qū)分為類別A與類別B(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(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)生傷害,故ESD之防護工作,我們不可不慎。而基本上,不同類別的半導(dǎo)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(yán)密的類別A來做防護措施。

抗靜電能力分類ESD(靜電放射)及危害◆家中的110V、240V常常因為使用不慎造成傷亡,那動輒幾KV之ESD呢?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(毫安培、mA)

AC(60Hz)DC

結(jié)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肌肉麻痺40-100160-300休克100以上300以上立即死亡ESD對人體會造成傷害嗎靜電對產(chǎn)品的損害小心點！兩種方式

1.人體放電模式(HumanBodyModel,HBM)

顧名思義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影響質(zhì)量方式2.電場感應(yīng)模式(FieldInducedModel,FIM)

指由于外來電場感應(yīng)產(chǎn)生電荷,巧遇機緣而將電荷引導(dǎo)接地引起的模式

3.充電組件模式(ChargedDeviceMode,CDM)

上述FIM模式中當(dāng)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(yīng)電荷接地造成ESD放電(FIM)(Field)E(Grounded)元件接地消失移離電場(CDM)(Field)〣ESD影響質(zhì)量方式

◆ESD破壞的原因：

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(zhì)崩潰、表面崩潰

3.潛在性故障：如功能劣化、降級元件被ESD破壞原因

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(fù)向偏壓的5~15倍。

2.氧化層貫穿針引線(OxidePunchThrough)

通常在金屬氧化層半導(dǎo)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破壞之型態(tài)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破壞之型態(tài)負(fù)傷而行

?負(fù)傷而行(WalkingWounded)–許多實驗證實靜電能使半導(dǎo)體負(fù)傷,但不會立即完全破壞其功能,而且有多數(shù)這些『負(fù)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(fù)傷而行』變成完全失效。?下面是一ESD累積破壞的試驗： 應(yīng)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(jié)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 FAIL靜電的累積破壞

ESD破壞分析 ◆找出PCB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◆去封膠(Decapsulate)檢視內(nèi)部◆去除各層(玻璃層、鋁層)層層檢視幾種遭ESD破壞案例參考ESD元器件分析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元器件分析◆芯片設(shè)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(shè)計半導(dǎo)體的抗靜電電路時,必須考慮到電路產(chǎn)生熱的影響、反應(yīng)時間、最大電壓、能量傳導(dǎo)、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(biāo)的方法。

◆靜電防護的基本原則

1.避免靜電產(chǎn)生

2.疏導(dǎo)或中和所產(chǎn)生之靜電

3.摒蔽靜電場逐一介紹說明如下：ESD靜電防護1.避免靜電產(chǎn)生

(A)潮濕法(Moisturing)水氣本身會有導(dǎo)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青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(dǎo)電性或吸濕性的物質(zhì)，使其外層具有輕微導(dǎo)電性。此方法可以不必考慮有效期，但成本較高。2.疏導(dǎo)或中和靜電法

(A)疏導(dǎo)法(Bleed-Off)典型的疏導(dǎo)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(dǎo)線將所產(chǎn)生之電荷傳導(dǎo)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靜電防護(B)中和法(Neutralization)利用靜電消除器(Ionizer)來釋出正、負(fù)離子以中和消除靜電效應(yīng)。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(zhì)釙或元素之輻射能來撞擊空氣使之分裂成等量的正、負(fù)離子。使用此Ionizer必須加防護結(jié)構(gòu)。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(yīng)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(yīng)靜電效應(yīng)消除器–這是利用帶電物質(zhì)之高電壓(對接地點)來電離空氣離子。ESD靜電防護3.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。左圖是－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。

電場無法貫穿僅分布表面電

壓

(kv)時間(秒)01.02.03.01.02.03.0導(dǎo)電袋防靜電袋一般PE袋金屬容器ESD靜電防護

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(dǎo)線及接頭所構(gòu)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(dāng)，當(dāng)接頭未接地妥當(dāng)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(yīng)：

(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

常用靜電防護材料

3.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(xué)合成物質(zhì)(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(dǎo)電袋或容器才有完全之保護.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.

常用靜電防護材料三種不同類型的防護包裝:靜電屏蔽材料

可防止靜電釋放穿透包裝進入組件引起的損害.抗靜電材料

可作為ESD敏感元件廉價的中轉(zhuǎn)包裝或暫存使用.它在使用中不產(chǎn)生電荷,但是如果發(fā)生了靜電釋放,它能穿透包裝進入組件,導(dǎo)致ESD敏感元器件的損害.靜電消散材料

具有足夠的傳導(dǎo)性,使電荷能通過其表面消散.常用靜電防護材料

5.防靜電工作桌1.人體2.靜電環(huán)3.防靜電桌面4.儀器5.靜電鞋6.導(dǎo)電地板常用靜電防護材料注：各接地點之標(biāo)準(zhǔn)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

常用靜電防護材料三種不同類型的防護包裝:靜電屏蔽材料

可防止靜電釋放穿透包裝進入組件引起的損害.抗靜電材料

可作為ESD敏感元件廉價的中轉(zhuǎn)包裝或暫存使用.它在使用中不產(chǎn)生電荷,但是如果發(fā)生了靜電釋放,它能穿透包裝進入組件,導(dǎo)致ESD敏感元器件的損害.靜電消散材料

具有足夠的傳導(dǎo)性,使電荷能通過其表面消散.常用靜電防護材料 ◆設(shè)備要求

1.設(shè)備機殼：

AC-INPUTU一律使用三插頭有接地端子電源線,設(shè)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(dǎo)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(dǎo)電容器或?qū)щ娭慵兄小０雽?dǎo)體零件嚴(yán)禁放置于塑料容器(非靜電盒)或保麗龍容器中。

ESD要求◆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(dǎo)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.輸送帶：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(dǎo)體材質(zhì),并在臺車底部加接地鏈條，鏈條必須與地面接觸.◆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(dǎo)體材質(zhì),及具備接地設(shè)施.

3.取放材料：儲存人員取放材料時必須配帶靜電環(huán)并接地.4.裝取容器：拆封之半導(dǎo)體需使用防靜電袋分裝,不可使用一般之塑料袋包裝.ESD要求◆人員要求 人員：工作人員一律配帶有線靜電環(huán)并接地,靜電環(huán)需每日點檢兩次,嚴(yán)禁使用無線之靜電環(huán).◆ESD點檢

1.點檢內(nèi)容：

2.做靜電測試定時需附記當(dāng)時之濕度及溫度。

3.若使用靜電防止劑，需明確記錄下次的布使用時間。4.每日確認(rèn)作業(yè)員腕帶的接地狀況及是否有斷線。

ESD要求5.保存用導(dǎo)電零件盒的外圍,需貼上任何作業(yè)員看后均可明了之標(biāo)簽,以標(biāo)示其內(nèi)存有不耐靜電之零件。6.靜電盒上需貼上能負(fù)荷靜電量及檢驗日期之標(biāo)簽。7.確實記錄點檢所得數(shù)據(jù)。【注】靜電環(huán)點檢方法1.作業(yè)員在座位上坐好后,帶上靜電環(huán)(右手操作者將靜電環(huán)戴于左手,左手操作者將靜電環(huán)戴于右手)并將靜電環(huán)接地線插頭插于接地孔中。2.在線作業(yè)長/班長、組長攜帶靜電環(huán)檢測器至各作業(yè)員作業(yè)位置,將檢測器接地線插頭插于接地孔中。3.作業(yè)員自行壓下檢測開關(guān)(靜電環(huán)戴于左手者,用右手壓檢測開關(guān);靜電環(huán)戴于右手者,用左手壓檢測開關(guān)),直到訊號顯示完成。4-1.檢測時“GOOD”綠色顯示燈亮,表示該靜電環(huán)符合規(guī)格,可正常使用.4-2.檢測時“HIGH”