ESD防护技术培训教材.ppt

1 ESD防护基础知识培训 2 ESD防护基础知识培训 第一部分ESD基础知识 Electrostaticdischarge 3 静电的基本概念 定义 静电 物体表面过剩或不足的相对静止不动的电荷 静电是一种电能 它留存于物体表面 静电是正电荷与负电荷在局部范围内失去平衡的结果 静电现象 是电荷的产生和消失过程中产生的电现象的总和 静电引起的自然现象如 闪电等 4 静电的主要特点 静电材料按电阻率划分的静电导体 静电耗散体 静电绝缘体与 动 电 流动的电流 情况下按电阻率划分的导体 半导体 绝缘体完全不同 静电具有高电位 低电量 小电流以及作用时间短的特点 受环境条件 特别是湿度的影响比较大 静电测量时复现性差 瞬态现象多 5 静电与工业用电的区别 起电的方式不同能量相差很大表现形式不同欧姆定律的适用性不同 6 物体的起电方式 由于电子的得与失使物体失去电平衡 就产生了静电 静电产生的基本过程可归纳为 接触 电荷转移 偶电层的形成 电荷分离 物体的起电方式主要有 1 物体间的摩擦 产生的热可使电子转移 产生静电 2 物体间的接触与分离 3 电磁感应 4 摩擦与电磁感应综合效应 7 常用物品摩擦起电序列 人手玻璃人的头发尼龙羊毛铝纸棉花硬橡皮铜银金聚乙烯 8 静电效应 物体带静电后主要会产生以下效应 1 静电力学效应 包括静电引力 静电排斥力2 静电感应效应3 静电放电效应 9 静电的应用技术 主要是利用电荷的同性相吸 异性相斥和静电吸附的特性 主要应用在 1 静电除尘技术2 静电复印与摄影技术3 静电涂覆技术4 静电分选技术5 静电生物效应等 10 人体静电 人体静电 指由于自身行动或与其它的带电物体相接触或相接近而在人体上产生并积聚的静电 人体静电的起电方式主要有 步行起电 摩擦起电 静电感应起电 接触传导带电 11 静电放电 ESD 当带电体上的电荷所产生的电场 其电场强度超过周围介质的绝缘击穿电场强度时 带电体表面附近的介质就发生电离 引起静电电荷转移 因而使带电体上电荷趋向减少或消失 这种情况又叫静电放电 Electrostaticdischarge 缩写为ESD 静电放电效应 12 静电放电损伤 右图是ESD对电子元件的损害 箭头所指处为静电放电后造成的 爪型脚 使集成电路部分损坏 该图放大320倍 13 ESD损伤的失效模式 即时失效 又称为硬击穿或突发性完全失效 它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 延时失效 如果带电体的静电位或存贮的静电能量较低 仅能供给短暂发生的局部击穿能量 或ESD回路有限流电阻存在 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的损伤 使器件的性能劣化或参数指标下降 降低了器件抗静电的能力 使用可靠性与寿命 使其运行一段时间后 出现故障而不能正常工作 14 典型的ESD损伤失效机理 典型的ESD失效机理包括 1 热二次击穿 2 金属化熔融 3 体击穿 4 介质击穿 5 气弧放电 6 表面击穿 前三者的失效机理与能量有关 而后三者的失效机理与电压有关 典型ESDs器件失效分析示例表 15 静电敏感器件 SSD SSD 在日常操作 贮存 传递 测试过程中容易因静电放电而引起损伤的器件称为静电敏感器件 ElectrostaticSensitiveDevice 典型器件静电敏感度 16 操作者典型活动产生的静电电压 17 静电放电敏感度级别 静电放电敏感度级别 是建立静电安全作业区的依据 是指电子元器件 组件和设备按照静电放电敏感度试验方法测出的其对静电放电损坏的敏感度而进行的分级 静电放电敏感电子元器件分类 18 ESD防护基础知识培训 第二部分ESD防护技术 19 ESD防护的必要性 由于器件集成度的不断提高 电路密集度更高 致使其耐击穿电压愈来愈低 静电在电子工业中被称为 看不见的敌人 无处不在的杀手 一般情况下 几千伏的静电电压不易被人体感知 人体能感觉到静电电击时的静电电压一般在3KV 4KV以上 在5KV以上静电电压才能看到静电放电火花 然而一般器件可能早已损坏 对静电的防护主要应致力于防患于未然 对ESD进行综合防护 20 人体带电电位与静电电击程度的关系 21 ESD防护的必要性 22 静电防护的目的 SMT组装过程中静电防护的根本目的是 在元器件 组件的制造和使用过程中 通过各种防护手段 防止因静电的放电效应而产生或可能产生的损害 或将这些损害限制在最小的程度 以确保元器件 组件和设备的设计性能及使用性能不致因静电作用受到损害 23 防 防止静电场 有效抑制或减少静电荷的产生 严格控制静电源 泄 迅速 安全 有效地消除已经产生的静电荷 避免静电荷的积聚 控 对所有防静电措施的有效性进行实时监控 定期检测 维护和检验 静电防护的基本原则 24 静电的基本防护途径 工艺控制法 泄漏法 静电屏蔽法 复合中和法 整静措施 25 在每个即使细小的环节 利用一些必要的 有效的静电防护手段 选用优质的防护技术产品 制定完善的静电防护管理规程 并切实有效地贯彻执行 全面 综合 配套的静电防护内容 26 防静电工作区 EPA EPA ESDProtectedArea 是一配备各种防静电设备和器材 能限制静电电位 具有确定边界和专门标记的适于从事静电防护操作的场所 在该场地经培训的工作人员可以在具有最小的静电放电或静电场损害的情况下操作ESD敏感产品 27 防静电工作区标记 根据GJB3007 97国家军标规定 A级防静电工作区允许的对地静电电位不超过 100V B级防静电工作区是指允许的对地静电电位不超过 1000V 28 防静电工作区系统电阻的确定 静电的泄放必须 安全 所谓 安全性 是指无论对元器件 还是人身都必须保证绝对的安全 安全性有两个指标 一是静电电压必须在1秒钟内降至100V 二是放电电流不能高于5mA 因此静电防护的系统电阻选择在 106 109 29 ESD防护过程控制要求 ESD防护系统失效的主要原因 防静电设施与地的连接可能产生松动或脱落 防静电桌面随着使用时间的延长而发生失效 腕带损坏 或其内部出现断线而连接不可靠 腕带的佩戴不规范 如不戴 松弛 没有紧贴皮肤等 30 ESD防护过程控制要求 防静电手腕带的正确佩戴是 使用通过安全性检查的手腕带 将长度适当的松紧圈直接佩戴在手腕上 并与皮肤良好接触 接触集成电路或已贴装集成电路的PCB时将鳄鱼夹夹持在接地良好的接地端 鳄鱼夹 接地线等裸露部分不得与设备 线体 工作台等的金属件接触 在手腕带佩戴上 禁止1 将手腕带缠绕在手腕上 而不将其接地 2 将手腕带佩戴在衣服袖口上或将其藏在防静电工作服的松紧袖口内 3 将鳄鱼夹直接夹持在设备 线体外壳上或非专用静电接地端的其它点上 31 防静电手腕带的佩戴 32 ESD防护过程控制要求 1 静电防护是一个系统工程 渗透到生产的全过程 每个环节都必须同样重视 万不可厚此薄彼 2 防静电工程涉及的部门众多 需要相互协调 共同努力 各司其职 ESD才能得到有效控制 3 静电防护在很大程度上是提高静电防护意识问题 提高所有接触静电敏感器件人员的静电防护意识 定期进行静电防护安全操作与静电防护技术培训是非常重要的 4 制定完善的静电防护管理规程 实行有效的管理和监控 最大限度地减少或避免静电的危害 33 静电防护系统的组成 完备的静电防护硬件系统包括 人体静电防护 环境静电防护 操作系统静电防护 静电保护接地 离子风静电消除器 静电检测及监控仪表 防护措施的日常维护 34 人体静电防护 人体在日常活动和生产操作中可产生的电压为数十伏到数万伏的静电 而放电过程是及其短促的 所以静电放电过程中释放的能量可达几十瓦 这足以引起芯片微区烧毁或SiO2膜击穿 因此对进入防静电工作区 包括生产 仓储 运输过程 的人员均要进行静电防护 其中首要的是配备防静电服 防静电手腕带和防静电鞋 人体所携带的静电 一是可以通过接地良好的防静电手腕带及时泄放 另一方面防静电鞋与防静电地面的配合使用 可以及时有效地泄放人员在运动中产生的静电 减少人体所携带的静电 35 防静电手腕带 2020 3 15 36 可编辑 37 环境静电防护 防静电工作区的地面 墙壁 天花板 按国家标准要求因选用防静电材料 地面是一个静电产生的主要来源 因此必须重视工作区地面的静电防护 地面的处理方法有 1 防静电地板漆 2 防静电PVC贴面地板 3 防静电橡胶地板4 防静电环氧自流坪5 防静电高架地板 38 防静电地板漆 39 防静电PVC贴面地板 40 防静电环养树脂地板 41 高架地板 42 防 静电PVC地板是一种长效的静电防护手段 它安装简单 维护容易 因此被广泛采用 为了更好地发挥其效用 延长其有效寿命 在日常使用中应注意以下事项 1 保持地板表面洁净 避免积垢 可充分发挥防静电PVC地板的抗静电性能 2 避免尖利的物品在地板表面拖拽 以免造成地面划伤 3 避免过于沉重 有棱角的物体直接砸在地板上 4 安装或移动设备 较重物体时 注意采取对地面的保护措施 如在地板上铺纸板等 5 人员进入铺设防静电PVC地板的区域 应更换子鞋子 避免将泥土 沙粒等带入防静电工作区 6 地板表面如滴上油污或有机溶济 应及时擦去 PVC防静电地板使用规范 43 防静电PVC地板日常维护与保养 一 每天用微湿的拖把清洁地面 擦去表面灰尘 二 定期清洗 表面打蜡 防静电蜡 其目的在于 A 将地板中的导电碳纤维封住 避免二次污染 同时避免灰尘渗入地板微隙中 不易清洁 B 降低表面摩擦起电量 C 保护地板 避免划伤 减少对地板的磨损 D 将地板与空气隔绝 防止老化 延长使用寿命 E 表面光洁美观 44 防静电操作系统的组成 防静电操作系统是根据防静电要求 为建立保护区域和进行保护性操作所必须配置的设施和工具的总称 防静电安全工作台及防静电桌垫防静电地垫防静电区域警示标志防静电元件盒 袋 防静电周转车 周转箱接地工具和设备其它保护设备 45 防静电桌垫 46 防静电屏蔽袋 47 静电屏蔽防潮袋 48 防静电警示标志 49 防静电工作台组成 50 防静电接地 接地是将电气连接到能供给或接受大量电荷的物体上 地线是指能够接受或提供大量电荷的物质 如大地 舰船或运载工具 设备外壳等 通常说的接地有硬接地和软接地之分 硬接地是指直接或通过一个低阻抗同地线相连 软接地是指通过足够高的阻抗接地 将电流限制在人身安全电流 通常为5mA 之下 防静电系统的接地线不得接在电源零线上 也不得与防雷地线共用 必须有独立可靠的接地装置 接地电阻一般应小于10 使用三相五线制供电 其大地线可以作为防静电地线 但零线 地线不得混接 51 绝缘体的静电消除 从静电防护的角度来看 绝缘体具有以下特点 1 绝缘材料特别是人工合成的绝缘材料 其表面起电量大 即很容易产生静电 通常这类材料的起电量不会小于5000V 相对湿度 40 2 由于材料的绝缘特性 一旦产生静电 其本身几乎无放电的通路 因此静电将会长期驻留积聚 其在表面电荷积聚到一定程度后 就可能随机放电造成危害 3 由于绝缘体的绝缘特性 造成其表面产生 积聚静电荷分布极不均匀 在同一材料表面就会形成电位差 而电位差大到一定程度就会产生放电现象 这里所指的绝缘体除绝缘材料外 还包括与大地断开的非绝缘体 如站在木凳的人 放在绝缘塑料上的铁板等 52 离子中和法原理 离子中和法的原理是 绝缘体表面所产生的静电荷以正 负电荷对称产生 离子中和法是使空气先发生局部电离而产生含有正 负离子的空气气流 然后用风机将气流吹向静电荷积聚区 气流中的正 负离子将遵循同性相斥 异性相吸的原理与绝缘体表面所积聚的静电荷进行中和 从而达到消除静电的目的 53 EPA性能检查频次要求 54 常见静电防护系统所需的产品 55 防静电改造的主要内容 1 防静电地的埋设 这是整个防静电系统的基础与根本 2 对地面 墙壁 天花板采取相应措施 使其具有良好的导静电性能 防静电地板是包括人体静电在内的许多静电的主要泄放通道 可靠性与耐久性是选材的主要指标 3 工作台 工作椅的购置 合理而可靠的接地通路是这类装备的关键 4 防静电电装用辅助设施如料架 周转箱 周转车等的选购 采用真正的防静电材料 一般为静电耗散材料 制作是此类装备的品质保证 5 防静电工作服 工作鞋 手腕带 脚腕带的选购 6 静电实时监控装置的选购 这是确认接地系统是否正常有效的唯一方法 安全 方便 准确 可靠是对这类装置的基本要求 7 静电测试仪表的购置 可由于定期检查EPA局部的静电量和防静电材料的磨损状况 8 组成静电实时监控网络 实现静电控制网络化 系统化 正规化的有效手段 9 合理而严格的制度 这是保证所有硬件系统正常运作的软件保障 10 其它相关工作 56 静电放电 ESD 防护材料 静电放电防护材料是指具有下述一种或多种特性的材料 限制静电荷的发生 耗散静电荷或对静电场提供屏蔽 静电材料按电阻率划分为 静电导体 凡表面电阻率 s1012 sq或体积电阻率 v 1011 cm的材料 因具有很高的电阻率 所以其上能积累足够多的静电而引起各种损害 称静电绝缘材料 57 ESD防护材料的性能参数 性能参数主要包括衰减时间 体积电阻率 表面电阻率以及摩擦起电性能等 静电衰减时间 是指带电体上的电压降到其起始值的给定百分数所需的时间 电阻率 是对于通过材料的电流 既包括体积电流 也包括表面电流 的电阻的一种量度 表示物质的导电能力 分为表面电阻率 s 和体积电阻率 V 电阻 表示不同形状 面积和长度 和电阻率的材料对电流的阻碍作用 它同时表明材料的表面或表面与地之间的电路连通性以及物体的放电能力 单位是欧姆 包括表面电阻和体积电阻 电阻和电阻率它们是静电控制技术中最关键的两个概念 它们经常混淆 58 静电防护的误区 1 没有证据显示静电会损伤器件 2 生产的产品是低档次 并不需要静电防护措施 3 工厂内所测出的静电很低 无需做防静电措施 4 所用的电路有静电保护设计 无需做防护措施 5 所使用的芯片的静电耐压值约为1000V 应不需要静电防护措施 6 静电防护措施 戴手腕带 戴手腕带后就不需要防静电工作服 工作鞋 7 可以用纯棉工作服代替 8 静电防护措施 接地 9 采用电阻率极低的金属作为防静电材料 59 静电防护的误区一 没有证据显示静电会损伤器件 对不起 由于静电放电所表征出来的破坏并不能证明是由于静电放电直接导致 故并无明显证据 但经验上 可以从采取静电防护措施前后的合格率来显示效果 或把产品解剖 观察其破坏 排除不可能的原因 再忖测与静电的关联 60 静电防护的误区二 生产的产品是低档次 并不需要静电防护措施 除非有如下的想法 1 产品单价很低 坏了废掉就算了 2 产品的质量不重要 客户应知道这样的价格就只有这样的品质 3 产品或公司的形象不重要 客户购买之后而毁掉 绝对是他们自己使用不当 毋需理会 61 静电防护的误区三 工厂内所测出的静电很低 无需做防静电措施 物件表面静电压的反映 只与物件的电荷数量有关 但若静电荷快速地流走 所产生的瞬间电流可能很大 并造成破坏 并且若生产工序或产品更换时 工厂内的静电压则又是另一回事 62 静电防护的误区四 所用的电路有静电保护设计 无需做防护措施 静电保护电路的设计在于若有静电放电时 只能防止静电放电在产品某些部分不会造成破坏 而在产品其它没有保护的地方 静电仍然会造成损害 静电放电是随机的 并没有固定的路线 63 静电防护的误区五 所使用的芯片的静电耐压值约为1000V 应不需要静电防护措施 静电耐压值的测量是根据一特定的静电模式来确定 通常是用人体放电模式 用这种模拟方法测试器件的ESD耐压值时 试验条件与器件的实际使用环境远非是相同的 因此用实验方法确定的器件的静电敏感度只能给出一个概略的范围 也只能供实际使用时作为参考 并不具有绝对的意义 同时所谓 静电耐压约为1000V 是说 若有一次1000V的静电放电 就会把这芯片完全破坏 但并不表示它不会被较低电压的静电弄伤 造成其失效 并且若芯片受到连串的即使是低电压的静电放电冲击 最终还是会被毁掉 64 静电防护的误区六 静电防护措施 戴手腕带 因此戴手腕带后不需要防静电工作服 工作鞋 操作工在生产活动中 由于服装与外界介质表面之间 服装之间 服装与皮肤之间 鞋底与地板之间由于频繁的接触 分离和摩擦而使得服装与鞋子带电 特别是在穿用高绝缘性能的化纤衣料时会使带电加剧 操作工存在两个可能的放电通道 一是指尖 皮肤 与接地导体间的放电 二是工作服与接地导体间的放电 防静电腕带只能消除第一种放电危险 指尖放电 而不能消除第二种放电危险 这是因为腕带只能泄漏掉作为良导体的人体皮肤上的静电 而对泄漏掉绝缘性较强的服装上的静电则是无能为力 因此必须足够重视消除服装静电 65 静电防护的误区七 可用纯棉工作服代替防静电工作服 纯棉工作服只有在相对湿度高于50 60 时可防止服装静电积累 而当相对湿度较低时 纯棉制品的带电量明显增大 同时纯棉工作服容易吸附空气中的尘埃 尘埃很容易产生静电 反而会引起ESD损伤 所以不能指望纯棉工作服在任何情况下消除服装静电危害的可靠性 66 静电防护的误区八 静电防护措施 接地 接地是静电防护系统的基础 但接地只可能把导体上的静电导走 对产品上的绝缘部分无效 另外接地导体与绝缘体接触后 虽然导体上不会存在静电 但绝缘体上仍然产生有静电 绝缘体必须使用离子中和法消除静电 67 静电防护的误区九 采用电阻率极低的金属作为防静电材料 电阻率极低的金属是可以把静电导走 但要