制造过程的防静电损伤技术

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)MOSFET 3CO、3DO 系列 0.1-0.2JFET 3CT 系列 0.14-1.0GaAs FET 0.1-0.3CMOS CO00、CD400 系列 0.25-2.0HMOS 6800 系列 0.05-0.5E/D MOS Z80 系列 0.2-1.0VMOS 0.03-1.8ECL 电路 EOOO 系列 0.3-2.5SCL(可控硅) 0.68-1.0S-TTL 54S、74S 系列 0.3-2.5DTL 7400、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（150mm 600mm ） ；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=4.4104-7.6104。则 R 值应取大于 1.0105。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=1.28109。因此，安全区内的安全泻放电阻一般要保证小于 109，即无论是桌垫、地垫还是接地腕带，只要其系统电阻值小于 109，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1 100V2 500V3 1000V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 10510 9 10510 7静电安全系统支路电阻值 10510 8 106接地母线电阻值 4100 =20% 4070静电泄漏时间 250V/s 250V/s防静电箱（盒、车）类容器的体电阻率 v=250k to=500k to=250k to=500k to=105 to =1010高传导电阻 1100k （未接串联电阻）传导电阻1.1M（接串联电阻）每季度ESD 接地连线电阻 =1.0离子平衡器 =35V每半年离子化半衰期 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