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什麼是靜電放電 ESD 嚴寒的冬天 當您脫下暖和的毛衣 您會聽到嗶嗶啪啪聲 乾燥的冷天 當伸手去開車門或窗戶 會感到觸電的感覺 用手去撫摸家裡的貓 您會發現貓竟然怒髮衝冠這些就是靜電瞬間洩放 ESD 所主導產生的現象ESD ELECTROSTATICDischarge 其實靜電並不僅由人為才會產生 例如 空中對流的雲層 沙漠中隨風飄起的砂 IPQCESD訓練教材 二 1 靜電如何形成 靜電是史載最早發現的一種 電 靜電其實是自從有人類以來 就影響著人類的生活 西元前640年 希臘哲學家THACES把琥珀 Amber 摩擦後發現可以吸附毛髮 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 亦即受原子核 Nuclei 的束縛最小 當受到外來電場的吸引而移動 產生電流 此類物質稱為導體 絕緣體 缺乏上述可移動的電子或價電子的物質 稱為絕緣体 2 IPQCESD訓練教材 二 以物体抗靜導電性來區分材質 導電性 Conductive 材質 表面店電阻係數在105 square以下 靜電衰減性 StaticDissipative 材質 表面電阻係數介於105 1012 square 抗靜電性 Anti Static 材質 表面電阻係數介於109 1012 square 絕緣体 Insulator 材質 表面電阻係數介於1012 square以上 摩擦生電 3 7P 7P 7P 7P e e e e e e e 平衡原子1 e 平衡原子2 帶負電原子 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 IPQCESD訓練教材 二 物質產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 4 Negative負性 Positive正性 IPQCESD訓練教材 二 靜電就在您的週圍 人在走路或跑步就可以產生可觀的靜電 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 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 IPQCESD訓練教材 二 A 上述條件測量結果所穿鞋子動作產生靜電壓 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 6 IPQCESD訓練教材 二 7 工作場所中常見的靜電產生物質或活動 工作桌面 一般的塑膠 上臘 上漆 地板 水泥地板 一般塑膠地板 衣服 人造纖維衣服 一般非導電鞋 抹布 椅子 木材椅 塑膠椅 玻璃纖維椅 包裝及運送 塑膠袋 泡棉 保麗龍 塑膠盒 組裝 加工 測試 修理 噴霧清潔劑 吸錫器 鉻鐵 刷子 塑膠帶 熱氣 烤箱 複寫紙 IPQCESD訓練教材 二 半導體產品抗靜電能力 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 8 IPQCESD訓練教材 二 各類半導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 200EPROM100 JFET140 7 000Op Amp190 2 500CMOS250 3 000SCHOTTKYDIODE300 2 500TTL300 2 500BipolarTransistor380 7 000ECL500 SCR680 10 000 9 IPQCESD訓練教材 二 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体產生傷害 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 但為方便於處理 通常都以處理較嚴密的CategoryA來做防護措施 10 IPQCESD訓練教材 二 11 ESD對人体會造成傷害嗎 家中的110V 240V常常因為使用不慎造成傷亡 那動輒幾之ESD呢 是否會對人體造成傷害呢 造成肌肉或心臟麻痺主要的是 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 IPQCESD訓練教材 二 12 ESD的影響品質方式1 人體放電模式 HumanBodyModel HBM 顧名思義知道此為借由人體於走動摩擦產生靜電 而影響到元件的模式 人體 元件 HBM IPQCESD訓練教材 二 C N Tsai 99 01 11 13 2 電場感應模式 FieldInducedModel FIM 指由於外來電場感應產生電荷 巧遇機緣而將電荷引導接地引起的模式3 充電元件模式 ChargedDeviceMode CDM 上述FIM模式中當元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 元件 接地消失 移離電場 CDM Field IPQCESD訓練教材 二 14 元件被ESD破壞之原因及型態 ESD破壞之原因 1 功率產生 如熱崩潰 金屬被熔融2 電壓產生 如介電質崩潰 表面崩潰3 潛在性故障 如功能劣化 降級 IPQCESD訓練教材 二 15 ESD破壞之型態1 接面崩熔 JunctionBurnout 過大的電流通過接面時 產生極大的熱量 使得接面崩熔 此種破壞是屬於接面短路 並有二個特性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 氧化層貫穿針引線 OxidePunchThrough 通常在金屬氧化層半導體 MOS 上可以發現此類型之破壞 這是由於外加的靜電壓超過了氧化層的崩潰電壓所致 其現象亦是短路 EBC EBC IPQCESD訓練教材 二 16 3 金屬層崩熔 MetalizationBurnout 由於過大的電流流經金屬層 並在較脆弱的地方產生 由於此種破經常是伴隨著接面短路或是氧化層短路之後發生故屬於所謂的二次崩潰 SecondaryBreakdown 而其現象為斷路 IPQCESD訓練教材 二 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 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 5K 來量測54S163IC試驗條件 試驗結果 材料 54s163測試前I 2 883 APASS人體電容 100pf第一次I 2 883 APASS每次放電 50V第二次I 2 890 APASS放電次數 5次第三次I 2 890 APASS測試點 Vin Pin2 A 第四次I 1 872mAFAILGND Pin8 B 第五次I 2 147mAFAIL IPQCESD訓練教材 二 18 ESD破壞分析 找出PCB上之故障元件 對故障元件進行基本電性量測 功能測試 參數測試 X ray做表層分析 去封膠 Decapsulate 檢視內部 去除各層 玻璃層 鋁層 層層檢視幾種遭ESD破壞案例參考 IPQCESD訓練教材 二 19 去鋁層之後的接合窗 接合窗放大10 000之後可見貫穿現象 A金屬接合窗 橫切面放大 2 000 橫切面放大 10 000 IPQCESD訓練教材 二 20 靜電防護 晶片設計的靜電防護 治本方法 本方法乃是靜電防護最好的辦法 但在設計半導體的抗靜電電路時 必須考慮到電路產生熱的影響 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 靜電防護的基本原則1 避免靜電產生2 疏導或中和所產生之靜電3 摒蔽靜電場逐一介紹說明如下 IPQCESD訓練教材 二 21 1 避免靜電產生 A 潮溼法 Moisturing 水氣本身會有導電現象 故可降低絕綠體表面電阻 達到靜電防護目的 B 抗靜電塗佈法 Anti StaticCoating 有部份溶液可噴灑於綠體青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 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 WristStrap 是將人體產生之靜電電荷 藉由導線將所產生之電荷傳導出去 通常靜電環中會接一1M 之接地電阻 以保護人員工作之安全 IPQCESD訓練教材 二 22 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 所產生之電流僅幾微安培 A 不會產生電擊 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 IPQCESD訓練教材 二 23 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 0 1 0 2 0 3 0 1 0 2 0 3 0 導電袋 防靜電袋 一般PE袋 金屬容器 IPQCESD訓練教材 二 24 各類常用靜電防護材料1 靜電環 由伸縮拉環 內含1Mega 10 電阻之導線及接頭所構成 配帶靜電環時必須注意到 a 靜電環必須與手緊密接觸 不可鬆脫或套於衣袖上 b 與接地之間必須保持1M 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 在材料上塗佈抗靜電液 使材料不會產生靜電荷 或僅產生微量的靜電荷 通常在100V以下 此類材料表面電阻要求在 1012 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生靜電 而卻無法防止靜電場破壞 b 表面塗層必須考慮其有效期 c 一般工業界會將此類產品製成粉紅色 IPQCESD訓練教材 二 25 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合成物質 R 1012 square 靜電消散時間 2sec 中間 或內 層是一層薄薄的金屬箔 105 R 109 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4 靜電消除器 利用儀器所產生的大量離子 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範圍4 5呎內方為有效區域 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 IPQCESD訓練教材 二 26 5 防靜電工作桌 1 人體2 靜電環3 防靜電桌面4 儀器5 靜電鞋6 導電地板 IPQCESD訓練教材 二 27 註 各接地點之標準接法4 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 IPQCESD訓練教材 二 28 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 適用於告知電子零組件對ESD用於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 適用於防靜電包裝袋上 IPQCESD訓練教材 二 29 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 一律使用金屬製作 並接地處理 含散熱片鎖附治具 3 維修站 工作台表面 需鋪上靜電墊 其表面阻值為105 109 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 作業人員需配帶靜電環 零件放於導電容器或導電之零件盒中 半導體零件嚴禁放置於塑膠容器 非靜電盒 或保麗龍容器中 IPQCESD訓練教材 二 30 搬運要求1 靜電盒 石墨型 黑色 永久型 規格為105 109 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膠籃 則需加上防靜電之隔離使用4 輸送帶 生產線若以輸送帶方式作業時 輸送帶及其各裝置需確實接地5 台車 A I室及生產線的搬運台車 一般必須使用導體材質 並在台車底部加接地鍊條 鍊條必須與地面接觸 儲存要求1 濕度 儲存空間之相對濕度需控制於50 60 的範圍之內2 保存架 必須使用導體材質 及具備接地設施3 取放材料 儲存人員取放材料時必須配帶靜電環並接地 IPQCESD訓練教材 二 4 裝取容器 拆封之半導體需使用防靜電袋分裝 不可使用一般之塑膠袋包裝 人員要求人員 工作人員一律配帶有線靜電環並接地 靜電環需每日點檢兩次 嚴禁使用無線之靜電環 ESD點檢1 點檢內容 2 做靜電測試定時需附記當時之溼度及溫度 31 IPQCESD訓練教材 二 32 3 若使用靜電防止劑 需明確記錄下次的佈使用時間 4 每日確認作業員腕帶的接地狀況及是否有斷線 5 保存用導電零件盒的外圍 需貼上任何作業員看後均可明瞭之標