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1 ESD培训教材 静电防护工作组2003 11 12 TCL移动通信有限公司静电防护工作组 2 培训大纲 ESD简介静电的危害及特点静电的预防与控制及测试 防静电产品的配戴烙铁漏电的检测方法手机生产防静电要点公司对防静电的要求 3 第一章ESD简介 ESD是 静电放电 的意思 我们身上和周围就带有很高的静电电压 几百伏 几千伏 特别是在干燥的季节当你脱衣服或用手去触摸金属体时会产生电击感 此时你带静电达几千伏以上 是本世纪中期以来形成的以研究静电的产生与衰减 静电放电模型 静电放电效应如电流热 火花 效应 如静电引起的着火与爆炸 及和电磁效应 如电磁干扰 等的学科 静电工程学系指从十九世纪初到现在形成的以静电学为基础而研究静电危害及其防护和静电应用技术的专门科学 ESD是什么 5 静电是怎样产生的 物质都是由分子组成 分子是由原子组成 原子中有带负电的电子和带正电荷的质子组成 在正常状况下 一个原子的质子数与电子数量相同 正负平衡 所以对外表现出不带电的现象 但是电子环绕于原子核周围 一经外力即脱离轨道 离开原来的原子而侵入其他的原子B A原子因缺少电子数而带有正电现象 称为阳离子 B原子因增加电子数而呈带负电现象 称为阴离子 如图所示 6 由于ESD引起的静电击穿损坏是电子工业 特别是电子制造业中最普遍 最严重的静电危害 电子产品在生产中 从原器件的预装处理 插装 焊接 清洗 单板测试 总装等工序 由于都会发生接触分离的过程 所以都会使操作员 工具 工作台面 元器件等产生静电 也就是随时都会受到静电的危害 固体 液体甚至气体都会因接触分离而带上静电 为什么气体也会产生静电呢 因为气体也是由分子 原子组成 当空气流动时分子 原子也会发生 接触分离 而起电 所以在我们的周围环境甚至我们的身上都会带有不同程度的静电 当静电积累到一定程度时就会发生放电 常见静电产生源 地板 尤其是塑料地板或地毯椅子 木质 塑料 或化学材质衣服 尼龙及一般布料工作台面 磨光 油漆及上蜡其它 塑料垫 文件夹等任何可能产生磨擦的地方 静电测量主要参数有哪些 其单位是什么 1 电荷量静电的实质是存在剩余电荷 电荷是所有的有关静电现象本质方面的物理量 电位 电场 电流等有关的量都是由于电荷的存在或电荷的移动而产生的物理量 在科研院所 高等院校 检测站和工矿企业等部门经常需要测量物体的电荷量或电荷密度 表示静电电荷量的多少用电量 表示 其单位是库仑 由于库仑的单位太大通常用微库或纳库1库仑 1000000微库1微库 1000000纳库 9 2 静电电压测量静电电压的仪表通常分为接触式和非接触式 对于测量有源带电体如静电发生器 高压电源 等的静电电压常用接触式 但由于接触式仪器在与被测物体接触时会使带电物体的静电放电 而使电荷量减少或使带电物体的电容增加 这两个因素都将使物体的静电电位降低 因而测出的结果与物体真实带电情况相差较大 所以这在测量许多物体的静电电压时更常用的方法是用非接触式静电电压表 这种仪表在测量时不与初测物体任何接触 因而对被测量物体的静电影响很小 电子原件所承受的静电压值器件类型静电破坏电压 V 肖特基二极管300 3000双极型晶体管380 7000石英压电晶体 10000MOS管 200V 10 从上表可见大部分器件的静电破坏电压都在几百至几千伏 而在干燥的环境中人活动所产生的静电可达几千伏到几万伏 3 表面电阻 指物体表面的阻值 正常情况下为106 109 考虑部分防静电器材价格昂贵 为降低成本 在上极限满足的情况下 下极限可以放宽至103 4 放电时间 要求除静电设备的清除带静电物品的防静电电压在安全范围内的时间定为5S 例子说明 ESD对MOS管的损坏当带静电荷者接触MOS管时 人体就会把电荷传送到MOS管上 MOS管上就会出现高电压 由于过电压的作用 会导致MOS管器件的栅氧化层被击穿或引出极间空气隙击穿 致使器件失效 在栅氧化层无保护时 在大约100V下就可击穿 若氧化层有针孔或空洞 发生击穿的电压就更低 12 静电接地标志 接地标志 13 1 此产品或区域内为ESD敏感元件做好防护措施 ESD防护的标示 2 此产品可提供ESD防护 14 第二章静电的危害及特点 15 静电的危害 在二十世纪中期 随着工业生产的高速发展以及高分子材料的迅速推广应用 一方面 一些电阻率很高的高分子材料如塑料 橡胶等的制品的广泛应用以及现代生产过程的高速化 使得静电能积累到很高的程度 另一方面 静电敏感材料的生产和使用 如轻质油品 火药 固态电子器件等 工矿企业部门受静电的危害也越来越突出 静电危害造成了相当严重的后果和损失 静电曾造成电子工业年损失达上百亿美元 这还不包括潜在的损失 在航天工业 静电放电造成火箭和卫星发射失败 干扰航天飞行器的运行 在石化工业 美国从1960年到1975年由于静电引起的火灾爆炸事故达116起 1969年底在不到一个月的时间内荷兰 挪威 英国三艘20万吨超级油轮洗舱时产生的静电引起相继发生爆炸以后引起了世界科学家对静电防护的关注 我国近年来在石化企业曾发生30多起较大的静电事故 其中损失达百万元以上的有数起 静电对电子产品的危害形式 静电损伤的失效模式 1 突发性完全失效 2 潜在性缓慢失效突发性完全失效是器件的一个或多个电参数突然劣化 完全失去规定功能的一种失效 通常表现为开路 短路以及电参数严重漂移 潜在性缓慢失效 如果带电体的静电位或存贮的静电能量较低 或ESD回路有限流电阻存在 在这种情况下 一次ESD脉冲不足以引起器件发生突发性完全失效 但它会在器件内部造成轻微损伤 这种损伤又是积累性的 随着ESD脉冲次数增加 器件的损伤阈值电压会逐渐下降 使器件的电参数逐渐劣化 它降低了器件抗静电的能力 降低了器件的使用可靠性 17 静电对电子产品的损害特点 隐蔽性人体不能直接感知静电除非发生静电放电 但是发生静电放电人体也不一定能有电击的感觉 这是因为人体感知的静电放电电压为2 3KV 所以静电具有隐蔽性 潜在性有些电子元器件受到静电损伤后的性能没有明显的下降 但多次累加放电会给器件造成内伤而形成隐患 因此静电对器件的损伤具有潜在性 随机性电子元件甚么情况下会遭受静电破坏呢 可以这么说 从一个元件产生以后 一直到它损坏以前 所有的过程都受到静电的威胁 而这些静电的产生也具有随机动性性 其损坏也具有随机动性性 18 复杂性静电放电损伤的失效分析工作 因电子产品的精 细 微小的结构特点而费时 费事 费钱 要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器 即使如此 有些静电损伤现象也难以与其他原因造成的损伤加以区别 使人误把静电损伤失效当作其他失效 这在对静电放电损害未充分认识之前 常常归因于早期失效或情况不明的失效 从而不自觉地掩盖了失效的真正原因 所以静电对电子器件损伤的分析具有复杂性 19 第三章静电的预防与控制 20 静电服防护的原理与途径 防静电工作服 为防止服装的静电积累 用防静电织物为面料而缝制的工作服 防静电织物是在纺织时 大致等间隔地或均匀地混入导电纤维或防静电合成纤维或两者混合交织而成的织物 其表面电阻率ps介于103 109 cm之间 防静电工作服使用规范 禁止在防静电工作服上附加或佩带任何金属物体 不许在防静电场所穿或脱防静电工作服 应在指定的更衣室穿 脱 穿时工作服的拉链应拉上 不可使其处于接近脱衣状态并带上帽子 防静电工作服应定期洗涤 洗涤应尽量采用简易方法进行 应避免使工作服受到较强的机械和化学损伤 ESD对元器件的损伤实例Motorola公司生产的MOS大规模集成电路 微处理器 CPU 在进行的老练试验的11个星期中仔细进行观察和记录 发现在试验开始阶段因为没有采用导电盒放置样品 不良率达到2 而另一批微处理器 CPU 在整个过程中都严格按照国家防静电要求操作 11个星期过后 不良率只有未做静电防护措施不良率的5分之一某厂生产的CMOS电路经筛选入库 在抽查中每次都发现有较大数量失效 约占5 失效模式为输入漏电增大 经调查后 发现是由ESD损伤所引起 因该厂的CMOS电路测试前后都放在普通塑料盒内 塑料上的静电荷传递给CMOS电路上 当在测试过程中 当器件接触到人体或桌面上的接地金属时就会引起立即发电 导致了CMOS电路失效 后做了相关防静电措施后 这一失效象立即消失 22 ESD防护标准事例 23 1 设备 作业环境静电电荷消 2 工作台 在工作台面上加导电桌垫 且桌面接地 3 搬运 包装及储存所有静电敏感产品均需以抗静电或导电材质之容器盛装4 人体静电预防措施人体是最普遍存在的静电危害源 对于静电来说 人体是导体 所以可以对人体采取接地的措施 使用防静电地面 防静电鞋 袜 静电从脚导到大地 通过防静电性地面 地垫 地毯 工作人员穿上防静电鞋袜 形成组合接地 24 佩戴防静电腕带并接地 静电从手导到大地 通过手用以泄放人体的静电 它由防静电松紧带 活动按扣 弹簧软线 保护电阻及插头或夹头组成 松紧带的内层用防静电纱线编织 外层用普通纱线编织 上述两项措施都是实用而有效的 应视不同的场合选择使用 25 防静电工作服 所用的防静电织物其摩擦带电量应小于7微库仑 m2 织物摩擦后吸附时间为零 要求表面电阻不大于109 的永久型防静电织物 防静电手腕环 对操作者提供一个接地的保护通道 这个通道是有一个1M 的保护电阻 保证人体上的电荷泄放 使得电荷不会积累 防静电鞋 鞋底的电阻值应选用106 108 为宜 它和防静电地垫配合使用 能起到迅速泄放人体电阻的作用 人员穿防静电鞋后的合格电阻是105 108 之间 静电防护装备选择 26 防静电环的原理介绍 防静电环分为有绳防静电环和无绳防静电环 两者的区别 有绳防静电环接大地 无绳防静电环接摸拟地 有绳静电环的工作原理及特点 手触摸产品产生的电荷入手 金属模块 电阻 导电绳 大地 特点 因接大地 防静电性能好 因带导电绳 对移动工作位操作不便 27 无绳静电环的工作原理及特点 结构 人手 手碗带上的金属模块 电阻 电子橡胶 A 人手 带电荷B 手腕带上的金属模块 此入手上电荷C 电阻 消除瞬间高电压和电荷消耗D 电子橡胶 静电聚集区 静电荷经人手金属模块电阻进入电子橡胶 电子橡胶由特殊电子材料构成 电荷容量大 为了达到电子的平衡 即人手对电子橡胶的电压为0 则电荷就从人手流向电子橡胶 电荷容量大 指电子橡胶材料原子与原子之间比较疏松 相互间力小 外静电荷很容易被 挤进来 其特点 A 使用方便B 电子橡胶的电荷容量没大地的电荷容量大 比大地容易达到电荷饱和 28 防静电手腕带的测试原理 测试仪器 防静电带测试仪 防静电带测试仪测试的数据是阻抗 欧 而不是电量 库仓 测试的两个点 一个点是人手 另一个点是地 必须有两个点才能形成回路测试 测试的正常范围 106 1012 理想范围 106 109 参数范围的选择依据 要使防静电环即有防静电作用 又要防止静电对人体的伤害 29 注意事项 1 腕带应用专门的带插座的接地线与地连结 不能夹在桌面或桌边的金属体上 因为这些金属体对地的电阻可能很大 2 腕带扣得不紧造成人体皮肤与腕带的接触电阻变大 有些腕带的电阻就是带子本身的 当带触及地时使其电阻大大减小 有可能因此造成对人体电击的危险 3 要经常检查腕带的电阻静电环接大地的原因 是为了达到电压平衡 电荷就从人手不断流入到大地 使大地到人手的电压为OV 但大地的容量大 要达到电荷平衡 则人手电荷就几乎源源不断流入大地 电压 可理解为电荷压力 吸力或斥力 因同种电荷相斥 人手电荷多 就将电荷推斥到大地 使电荷间力趋于平衡 30 防静电鞋在穿用时应有防静电袜 鞋垫 并在防静电地面上工作才能使人体所带的静电导到大地 任何一部分电阻过大或断开都会使人体带上危害的静电 所以在重要的部门应有人体电阻测试仪随时检测人体所穿的鞋 袜 鞋垫及与人体的总电阻是否能起到泄漏静电的要求 防静电鞋使用注意要点 31 静电防护的常见措施 为了防止静电放电损坏手机或BP机芯片 工作台上要铺有导电性橡胶板 导电电阻可在数千欧 平方厘米 导电橡胶板要有可靠的地线 以保证良好的接地 短时间工作时 可先触摸地线放掉身上的累积电荷后再去接触设备 若长时间工作时最好带上放电手环 放电手环像一条手表表带 另加一条接地导线 导线串接一个约200k欧姆的电阻 这只电阻的作用是为防备万一触电 可保护工作人员不会受伤 身上静电的放电也会慢些 另一种容易损坏集成电路的是仪表 电烙铁 示波器 频率计的及频谱仪等以市电为电源的设备 因漏电使机壳带电在焊接或测试时击穿子器件是极常见的现象 为了避免这种故障的发生 在工作之前 必须检查设备的漏电情况 另外所有设备都要有良好的接地 使各设备间没有电位差 这样既可避免漏电 也可防止测试时出现干扰从而影响准确性 32 防静电手环及脚环的正确配戴 静电带手箍的金属部分 应紧贴皮肤 静电带之接头应插在静电插座上或夹在地线上 脚环导电绳必须与皮肤紧贴 且脚环必须与地面有很好的接触 33 以下为两个错误的连接方式 夹在防静电台垫上夹在铝条 错误 错误 34 人员ESD防护配置 35 设备静电预防关键要做好两点 1 设备必须良好充分接地2 做好设备点检工作 36 第四章烙铁漏电的检测方法 37 烙铁漏电的检测方法 检测是的注意事项 1 首先把万用表调到交流档的200V档位2 再把万用表的黑表笔方在零线上 红表笔放在烙铁头上 所测的数在1V以内为正常 38 六 手机防静电要点 39 手机在制造中防静电的重要性 手机在整个生命周期内都处在一个充满静电的环境之中 如果抗静电释放 ESD 设计不好 则可能导致手机在使用过程中发生锁死 复位 数据丢失和不可靠等现象 ESD破坏大多数明显的影响是器件失效 从手指或其它导体上突然的静电释放能够破坏静电敏感器件或者微电路 处于静电释放危险中的电子器件可能完全不受影响 或产生了损伤但并不能立即被察觉 但是由于中间阶层品质降低 其预期寿命可能降低 这就是一个潜在的设备操作故障 ESD事件导致器件品质降低 在持续使用时引起失效 ESD的破坏可以是累积性的 导致受损器件功能时好时坏 而且这类故障具有一定的隐蔽性 40 手机防静电要点 1 1 设备静电的预防烙铁焊台的接地与点检各种治 夹具的及时清理及电菏导走综合测试 天线测试仪器的接地及点检打印及电脑设备的接地及点检定期检验工厂地板防静电要求是否达到国家标准2 人体静电的预防穿防静电衣服及及时清洗 一月一次 防静电鞋 袜的正确穿戴及定期清洗防静电手环的正确佩戴及每日点检不穿毛线衣 化纤类等电荷聚集较多的服装进入车间及仓库 41 手机防静电要点 2 3 环境静电的预防车间 仓库空气湿度点检及控制工作台面保持清洁 2小时清理一次 以免电荷堆积 特别强调修理位及焊接位 4 包装静电的预防包装材料 包括来料包装 周转料包装 成品包装 的选择符合产品防静电等级的要求包装台面的清洁 42 手机防静电要点 3 5 设计时就应考虑预防静电可能的话 尽量使用对静电不敏感的元件 或者对你使用的那些静电放电敏感的 ESDS ESD sensitive 元件提供适当的输入保护 手机系统静电模拟测试及静电DFMEAEMI导电油的选择及应用静电中试是手机设计过程中不可或缺的一个环节6 对其它任何可疑环节及地点进行静电检测并视情况采取相应措施加以预防 43 手机防静电要点 4 1 ESD控制的基本原则 a认识到所有的电子组件和装配件都对于ESD破坏敏感 b在没有适当接地情况下避免触摸敏感组件和装配件 c在搬运电子原件时 必须用防静电盒装 2 设计保护保护微电子电路组件的主要有效手段是在器件制造时建立保护回路 设计保护回路要在三个要素之间综合考虑 器件的主要功能 器件制造制约 例如屏蔽水平和材料特性 和器件的位置 ESD控制 保护电路对于ESD瞬间的反应必须比被保护的器件迅速 虽然典型的器件保护可以通过设计回路获得 然而没有器件制造商能够完全消除ESD破坏问题 因此 还需要附加的保护措施 44 电子技术的发展趋势是电子设备速度将越来越高 在一些情况下速度和其它的功能标准可能制约保护措施的使用 使用这些受限制的保护措施 需要器件制造商和使用者之间尽早协调 以便在电路封装和系统上建立保护 同时预先安排特别的处理技术 由于标准的控制程序不够充分以及不允许一些自动安装技术 这样的要求对于静电敏感器件极为关键 电路封装保护技术包括采用适当的遮蔽保护膜 特殊连接设计 完整的系统使设计也必须考虑ESD引起的临时性干扰 解决措施可以采用屏蔽 并且电路板的设计布置需要考虑到典型的噪声抑制技术 45 七 公司防静电管理的相关要求与规定 46 七 常用防静电产品的表面电阻数据 1 防静电PVC帘子 1000 100000兆欧2 导电PVC帘子 10000 100000欧3防静电服 帽 1 100兆欧 4 导电鞋 作业者在行走时可产生3000V电压 1000 100000欧 5 防静电手套 0 1 1000兆欧 6 手腕带 脚腕带 1兆欧7 导电性海绵 1000 100000欧8 网格式防静电袋 1 内侧 10000 100000兆欧 2 外侧 1000 10000欧 5000V衰减时间为0 05秒 9 导电性静电袋 气泡袋 1000 10000欧 5000V衰减时间为0 01秒 47 10 屏蔽袋 1 外侧电阻 10000 100000兆欧 2 中侧 100欧 3 内侧 100000 1000000欧11 抗静电袋 1000 100000欧12 防静电周转箱 采用永久性防静电PP料注塑而成 1 1000兆欧 导电性周转箱 10000 100000欧 隔板 10000 100000欧 13 防静电元件盒 导电10000 100000欧 14 导电零件柜 1000 100000欧 15 防静电托盘 10000 100000欧 16 PCB板存放架 小于1兆欧 17 防静电周转车 0 1 1000兆欧 18 防静电台垫 1 静电层 1 1000兆欧 2 导电层 1000 100000欧19 防静电椅 1 1000兆欧 20 防静电地板 0 1 100兆欧 48 防静电日常用品的购置及维护 防静电设施如防静电衣 鞋帽 防静电手带 脚带 手套 指套等由使用部门向物料供应部申请 同时静电防护工作组组长对申请需求进行审核 物料供应部按照物料采购流程购置 动力设备课对防静电测试仪器和设施进行安装 调试