部电子第五研究所元器件可靠性研究分析中心的电子元器件抗ESD技术.doc

电话营销专家王家荣 整理 电话营销培训 XinXin100.COM 欢迎交流第2章 制造过程的防静电损伤技术静电现象是客观存在的，防止静电对元器件损伤的途径只有两条：一是从元器件的设计和制造上进行抗静电设计和工艺优化，提高元器件内在的抗静电能力；另一方面，就是采取静电防护措施，使器件在制造、运输和使用过程中尽量避免静电带来的损伤。对元器件的使用方，包括后工序厂家、电路板、组件制造商以及整机厂商来说，主要甚至只能采取后一种方法来防止或减少静电对元器件的损害。2.1 静电防护的作用和意义为什么要在制造过程中采取防静电控制措施？我们从以下三个方面来说明。2.1.1 多数电子元器件是静电敏感器件多数未采取保护措施的元器件静电放电敏感度都是很低，很多在几百伏的范围，如MOS单管在100-200V之间，GaAs FET在100300V之间，而且这些单管是不能增加保护电路的；一些电路尤其是CMOS IC采取了静电保护设计，可虽然以明显的提高抗ESD水平，但大多数也只能达到20004000V，而在实际环境中产生的静电电压则可能达到上万伏（如第1章的表1.4和表1.6。因此，没有防护的元器件很容易受到静电损伤。而且随着元器件尺寸的越来减小，这种损伤就会越来越多。所以我们说，绝大多数元器件是静电敏感器件，需要在制造、运输和使用过程中采取防静电保护措施。表2.1列出了一些没有静电保护设计器件的静电放电敏感度。表2.1 一些器件的静电敏感度 器件类型实例静电敏感度(单位kV)MOSFET3CO、3DO系列0.1-0.2JFET3CT系列0.14-1.0GaAs FET0.1-0.3CMOSCO00、CD400系列0.25-2.0HMOS6800系列0.05-0.5E/D MOS Z80系列0.2-1.0VMOS0.03-1.8ECL电路EOOO系列0.3-2.5SCL(可控硅)0.68-1.0S-TTL54S、74S系列0.3-2.5DTL7400、5400系列0.38-7.0石英及压电晶体1.010-7A/cm）； 单位长度的消电杆在单位时间内所产生的能进行中和作用的电荷量； 离子流引出效率h（离子风）；单位时间内离子引出总数与单位时间内放电针产生离子总数之比； 静电中和能力N（离子风）；（250V/s）单位时间能消除静电的电压值 。 静电消电器的主要类型有： 感应式消电器：构成：接地针电极；原理：局部高压；形式：单针、多针、电刷、电线；材料：导电纤维布、锯齿状导电薄膜或橡胶、刷状炭纤维或金属纤维；特点：简单、无源、消电能力小，适用电荷密度大的物体，作用距离短，1020mm。 高压消电器： 构成：高压源放电针（多根）或放电杆；分类：直流和工频； 直流消电器的特点：消电力强、作用范围大（150mm600mm）；但短路电流大，易发生火花放电。 工频消电器的特点：市电驱动、方便、耗电低，作用距离25mm35mm，应用范围最广;但需经常维护如清积灰、更换钝化的针。 放射性同位素消电器：构成：同位素放射源屏蔽框保护网；特点：不需电源、结构安装简单、易维护、不发热和打火，但消电力差，作用距离2030mm. 离子风消电器： 构成：直流高压电源（或放射源）电晕放电器送风系统；特点：应用最多，工作距离长作用范围广（可达1m），电器的耗电小；但结构复杂，需配气系统；环境（洁净、干燥70、）和维护（日常、定期和临时）要求高。如图2.9是一些离子消电气。图2.9一些离子消电器2.6 静电防护的具体措施2.6.1 建立静电安全工作区 在具体的制造过程中，建立静电安全工作区，采用各种控制方法，将区域内可能产生的静电电压保持在对最敏感的元器件都是安全的阈值下。 一般来说，构成一个完整的静电安全工作区，至少应包括有效的导电桌垫、专用接地线、防静电腕带、地垫以对导体（如金属件、导电的带子、导电容器和人体等）上的静电进行泄放。同上，配以静电消除器，用于中和无法绝缘体上积累的电荷，这些电荷在绝缘体上不能流动，无法用泄漏接地的方法释放掉。图2.10是一典型的安全工作区示意图。 图2.10 典型的安全工作区示意图在静电安全工作区中有一个十分重要的参数是静电安全泻放电阻。虽然单从区域内静电泻放的速度方面考虑，泻放电阻越小越好，但受到两个方面的限制。最主要的是要给工作去内的操作人员提供防电击条件，根据人体电击时有能力脱离险境的极限电流（10-16mA）的要求，取安全电压为5mA进行计算，由 R=U/A设U=220-380V，得R=4.4104-7.6104W。则R值应取大于1.0105W。而另一方面的限制是如果电阻很小，泻放速度很快，对已带有静电的器件来说，则会发生泻放电流过大导致器件损伤，反而不安全。那么安全电阻的上限是怎么确定的呢？是由一秒钟内将5000V静电电压衰减到100V安全电压的最大容许接地电阻值决定的。根据式：U=U0e-t/RC,取U0=5000V, U=100V,t=1S,C=200pf,可得R=1.28109W。因此，安全区内的安全泻放电阻一般要保证小于109W，即无论是桌垫、地垫还是接地腕带，只要其系统电阻值小于109W，即可保证在1S内放电至安全电压值，这就大大减少了敏感器件在静电作用下损坏的机会。根据实际情况的不同，可建立表2.2所列的不同等级的静电安全区。表2.3是静电安全区的典型数据。表2.2 静电安全区等级等级防护区的静电电位最高限值1100V2500V31000V表2.3 静电安全区的典型数据项目理论值工程值静电安全系统回路电阻值105109W105107W静电安全系统支路电阻值105108W106W接地母线电阻值4100W=20%4070静电泄漏时间1s0.1s臭氧含量50ppb250V/s250V/s防静电箱（盒、车）类容器的体电阻率v108Wcmv104Wcm防静电管类容器的表面电阻Rs108WRs103W静电保护带接地电阻1.0108W1.0106W静电保护带长度任意2.2M腕带接地电阻1.0108W1.0106W腕带长度任意1.6M接地带（线）电阻值1.0108W1.0106W接地带（线）长度任意3M维修包铺开尺寸任意550600（mm2）防静电服装类的带电量带电量Q=0.6mC/件Q=0.1mC/件防静电鞋类的鞋底泄漏电阻0.51051.0108W1.5105W防静电皮带、轮子的表面电阻/106W运输带的表面电阻/105W防静电海绵的体电阻率104107Wcm104Wcm金属箔电阻值/100mW静电安工作区的建立主要包括：（1）设置防静电接地系统； 接地电阻10W（GJB1205890：=250kW to=500kW to=250kW to=500kW to=109W ESD工作服目检个人腕带和鞋套目检每周ESD工作台目检ESD垫目检ESD接地连接目检离子消电器（处于开态）目检长袖（卷起或正确覆盖）目检在ESD工作台或区域无静电产生目检每月ESD工作台或区域电压测量在未保护器件12inches内=200VESD保护工作服=105W to =1010W高传导电阻1W传导电阻100kW （未接串联电阻）1.1MW（接串联电阻）ESD接地连线电阻=1.0W每半年离子平衡器=35V离子化半衰期根据产品的参数每年依据规范要求的检查根据ESD核查表或等效文件表2.5 静电的定性测试法放电声音法（适用服装，不能在防静电区）烟灰试验法（摩擦15s,2mm上方）（适用塑料容器，包装袋等）级别描述级别描述P0：无静电基本听不到4级：无静电基本不吸灰P1：稍有静电柔和而微弱3级：稍有静电少量吸灰P2：有相当的静电普通的噼啪声2级：有相当的静电吸灰较多P3：显著带电强烈的放电声1级：显著带电严重吸灰表2.6 现场测试和实验室测试的项目现场测试试验室测试物体静电位塑料、橡胶和纤维制品电阻率人体静电位防静电薄片状制品表面电阻地坪泄漏电阻塑料、橡胶和纤维制品静电半衰期接地电阻防静电工作服和防静电胶底鞋桌垫、器具等制品表面电阻布料电荷面密度定性测试离子风消电性能 2.6.4 静电防护的管理工作（1） 建立完整、严格的防静电控制程序，贯彻到设计、采购、生产工艺、质量保证、包装、存储和运输等各环节和部门, 表2.7列出了一些静电方面的常用标准。（2） 张贴醒目的静电敏感器件标志，图2.11是各种防静电标志。其中（a）是防静电工作区的标志，（b）和（c）是防静电容器、元件架、运输车等器材上的标记；（d）是经防静电也处理的物品和场所的标记。（3） 静电防护的培训。表2.7 静电常用标准标准号标准名称出版单位GB/T 15463-95 静电安全术语中国标准出版社GJB 1649-93电子产品防静电放电控制大纲国防科工委军标GJB/Z 105-98电子产品防静电放电控制手册国防科工委军标GJB 3007-97 防静电工作区技术要求国防科工委军标SJ/T 10630-1995 电子元器件制造防静电技术要求 电子部标准化所QJ 1693-89 电子元器件防静电要求航天部QJ 2846-96防静电操作系统通用规范航天部 QJ 1950-90 防静电操作系统技术要求航天部QJ 2177-91 防静电安全工作台技术要求航天部QJ 1875A-98静电测试方法 航天工业总公司 IEC 61000-4-2电磁兼容性 (EMC) 第4-2部分:静电放电抗干扰试验 IEC 图2.11 各种防静电标记(a) 防静电工作区(b) 和（c）防静电容器、元件架、运输车等器材d）经防静电也处理的物品和场所4.5 小结（1） 将所有元器件当作是静电敏感器件；（2） 在没有良好接地的情况下，永远不要接触敏感器件或组件；（3） 如果IC不在工艺线或防静电工作台上时，将它们保存在接地屏蔽的容器中；（4） 带有IC的电路板必须在防静电工作台处理；（5） 腕带、鞋套应每天检测，保证满足参数要求；（6） 所有仪器和设备都要接地；（7） 流过IC的气体和液体要保持低速；（8） 在没有其它防静电措施的情况下，不