物理静电放电与防护基础知识

1、静电放电与防护基础知识,ESD,定 义,静电：就是静止不动的电荷，它一般存在于物体的表面 静电放电（ESD）：处于不同静电电位的两个物体间的静电电荷的转移，就是静电放电 过电应力（EOS）：广义指元器件承受的电流或电压应力超过其允许的最大范围 静电敏感器件（SSD）：对静电放电敏感的器件,EOS与ESD区别,静电放电（ESD）与过电应力（EOS）的关系：-从概念上严格来说ESD是属于EOS的范畴 两者区别：ESD的特点是电压高（可达到上千伏甚至上万伏）、周期短（几百纳秒）、能量低（MJ）以及上升快（几到几十到纳秒） EOS的特点电压较低、时间较长、能量较大，对器件造成的损伤一般都有明显的痕迹，

2、有金属化熔断、材料表面颜色或形态发生变化等现象，而且损伤面积比较大,静电是如何产生的,接触分离起电（本质） 摩擦起电摩擦实质上是一种接触分 离造成正负电荷不平衡的过程 流动空气也会产生静电 不接触也能起电感应起电 -在电子元器件行业相关的产生静电的方式主要归纳为两种形式：摩擦产生静电和感应产生静电,物质的各种起电,固体起电：摩擦、剥离起电 粉体起电：化工原料、筛药 液体起电：石油 气体起电：灭火器、空调 大空起电：卫星,摩擦产生静电的大小与哪些因素有关,摩擦物体本生的材料性质 环境的湿度 摩擦的面积 分离速度 接触压力 表面洁净度等,感应产生静电及其特点,导体靠近带电体会感应静电 感应电发生于

3、带电物体与导体之间，两种物体无需直接接触即会感应静电 显然，非导体不能通过感应产生静电,影响静电产生和大小的因素,人体产生的静电电压大概是：几千伏几万伏 而各种器件的静电电压大概是：几千伏几百伏甚至更低 电子生产中产生的静电势的典型值（单位：V）如右图所示,静电的危害,吸尘（ESA）-静电吸附灰尘，降低元器件的绝缘电阻，缩短寿命 静电放电（ESD）-损坏元器件、损伤元器件（潜在损坏）、辐射电磁场、着火爆炸、人体电击 发光发声 产生臭氧（复印机复印文件时会产生臭氧）,ESD损害的特点,隐蔽性 潜在性和累积性 随机性 复杂性 潜在性和累积性对电子元器件的危害最为严重,可能产生ESD损伤的制造过程,

4、元器件从生产到使用的整体过程中都能受静电损伤，按各个阶段可分为： 元器件制造过程 印制电路板生产过程 产品制造过程 产品使用过程 产品维修过程,静电放电的三种模式,带电人体的放电模式又称人体静电放电模型-HBM模型 带电机器的放电模式，机器摩擦或感应也会带电，通过电子元器件放电会造成损伤-MM模型 充电器件的放电模式，就是在元器件装配、传递、试验、测试、运输和存储的过程中会带静电，一旦元器件引脚接地时壳体将通过芯片和引出脚对地放电-CDM模型,ESD防护的根本目的,是在电子元器件、组件、设备的制造和使用过程中 通过各种防护手段，防止因静电放电效应而产生或可能产生的危害，或将这些危害限制在最小程

5、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伤害,ESD防护的基本原则,ESD防护的基本原则是“一个中心，两个方面”-以“等电位”为中心，从控制静电的产生和控制静电的消失两方面进行 控制静电的产生 -对可能产生静电的地方要防止静电的聚集 -控制工艺过程和工艺过程中材料的选择,ESD防护的基本原则,控制静电的消散 -对已存在的电荷积聚，快速而安全地将静电泄放和中和 两者共同作用的结果就有可能使静电电平不超过安全限度，达到静电防护的目的,ESD的防护系统,管理要求方面 -方案、计划、程序文件和作业指导书 -人员范围要求（生产和质量管理人员、技术人员、生产操作人员以及产品维修人

6、员） 技术要求方面 -静电接地系统和安全工作系统 -设备、器材、包装、人员操作以及工艺流程,简单介绍ESD的控制原理、方案与要求,ESD控制原理,在操作等过程中控制静电，使其不能达到危害的程度（包括所有工作人员、工具、设备与环境等）-控制静电的产生以及控制静电放电 设计人员在设计中尽量提高元器件、组件（PCB）以及整机的抗静电能力,ESD简单的控制技术之一,技术之一-人员接地和设备必须接地，接地是最简单最有效的技术 接地的原则：人员和设备安全,人员接地要求,-要求如下： 人员接地-坐下操作时必须带腕带35 106 一般腕带电阻（0.81.2）106 站立操作时-地板鞋系统35 106 或电压1

7、00V 一般的防静电鞋底电阻1109,人员接地注意点,接地，通过手腕使静电从手导到大地 注意点：用手触摸接地金属体，其能暂时释放人体静电，但手离开接地金属体后又会产生静电 防静电鞋与腕带使用中安全问题 -仅从防静电的角度考虑时，人体总是对地电阻越小越好 -人体必须具有一定值的对地电阻，限制意外流过人体上的电流 防静电服装、手套、帽子等等，如果单独使用时防静电作用不大,设备接地要求,-设备接地要求 所有设备必须接地-1.0 AC 共同点必须接地- 1.0 AC 辅助接地（根据情况）- 1.0 AC 等电位连接- 1109,从哪里接地？,在大多数情况下，第三条导线（保护接地）交流设备接地是接地的最

8、优先选择连接系统（跨接） 当第三条交流设备接地导线不能用到或不适用时，工作人员应该通过腕带或其他接地系统与静电放电敏感物件的一个导电性组件相连接，以保证所有组件处在同样电位（等电位）,ESD控制技术之二,-建立防静电保护区（EPA） 保护区域）（EPA）越大，相对来说所需的成本就越大，根据实际情况的不同，可以建立不同等级的静电保护区 合理建立防静电保护区域（EPA），能有效地控制ESD,防静电保护区域（EPA）技术要求：,工作台面： 1109 腕带：0.81061.2106 鞋、地板、坐位、货架、移动设备等： 1109 电离化： 50V，房间： 150V 交流电动工具：1.0 电池驱动和气动工

9、具： 11012 工作服： 110511011 防护器材标志 湿度：30%RH70%RH,ESD控制技术之三,- 绝缘体的静电消除 静电非导体的中和，用离子风消电器中和静电 使用静电消除器对一些易起静电的材料进行消电 在静电保护区域（EPA）的绝缘体放置时应与静电放电敏感物体至少保持十二英寸的距离,ESD控制技术之四,- 防静电包装也能有效地防制静电 防静电包装的主要目的是防止静电放电直接发生在所包装的静电放电敏感物件上，及将电荷通过外表面消失 防静电包装的技术范围很广泛，有些使用技术包括：低带电包装袋和包装材料、隔离材料、消电包装材料、静电屏蔽、导电性分流器以及EMI/RPI屏蔽,简介电子元

10、器件抗ESD设计技术,基本抗静电保护电路有两大类 旁路释放保护电路-其作用是将静电电荷通过该保护电路释放掉，避免对功能元器件的静电损伤（泄放大电流） 限压/限流保护电路-其作用是减缓静电的放电速度，即使放电电压/电流小一些（电压箝位）,CMOS IC抗ESD保护电路的基本结构,单一的缓冲结构-只在泄放回路串接电阻或电感 单一旁路结构-只旁接电阻和二极管等 一级缓冲和旁路结构-一般由缓冲的电阻和旁路的二极管或晶体管组成 二极管缓冲和旁路结构-这是CMOS IC 最常用的结构，由缓冲的电阻和前后两级旁路释放的二极管或晶体管组成 基本单元主要有： - 电阻、二极管、晶体管、厚场晶体管以及可控硅,射频

11、和微波电路抗ESD保护设计的考虑,射频端的保护-对射频输入端除采用过压保护外，还可以采用高通滤波网络，即能通过频率较高射频信号，而使ESD脉冲的主频不能通过 射频端输入端的高通滤波网络 电源端的保护 -除采用一般的过压保护外，还可以采用低通滤波保护网络，即可通过直流，抑制高频 -还可以串接三端稳压电路，不仅可以提高抗ESD 能力，还能对电浪涌起防护作用,混合电路抗ESD保护电路的考虑,通过电路分析或ESD检测确定电路中抗静电的薄弱部位和薄弱元器件 对薄弱部位加抗静电保护电路 薄弱元器件力争更换抗静电能力好的元器件 对混合电路制造过程采取静电防护措施 有相当多的元器件可作为混合电路和整机的静电保

12、护元器件，主要有： -瞬变电压抑制二极管、压敏电阻以及铁氧体磁环,简介电子设备抗ESD保护基本方法,介质隔离技术 屏蔽技术 电气隔离技术 使用ESD泄放电路 外接ESD保护器件 合理的PCB板布局布线,外接ESD保护电路和器件（TVS的特性和使用）,TVS二极管的工作原理 TVS二极管在线路板上是与被保护线路并联 当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS管便发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电组通路，使瞬时电流通过二极管被引开，避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前被保护回路一直保持截止电压 当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复 高阻抗状态，整个回路进入正常电压 - TVS管的特点：反应迅

13、速、截止电压比较低，另外对TVS管设计的改进使其更低的漏电流和结电容,抗ESD电磁脉冲干扰得设计规则,减小环路 -电流通过感应进入电路环路，这些环路是封闭的，具有变化的磁通量，电流的幅度与环的面积成正比，环路大磁通量多，因而在电路中感应出较强的电流，必须减小环路面积,抗ESD电磁脉冲干扰得设计规则,控制电路连线长度 -长的信号线也可成为接收ESD脉冲能量的天线，尽量使用较短信号线可以降低信号线作为接收ESD电磁场天线的效率 -尽量将互连的器件放在相邻的位置，以减少互连的印制线长度,抗ESD电磁脉冲干扰得设计规则,其他设计规则 -避免在PCB边缘安排重复的信号线（如时钟和复位信号等） -将PCB

14、上未使用的部分设置为接地面 -尽量将接口安排在同一个边上 -避免被保护回路和未实施保护的回路并联 -将接口信号线接地线路直接接到保护器件上，然后再进入回路的其他部分 -用TVS二极管来保护所有的外部连接 -采用高集成度器件，可节约线路板上空间，而且减少由于回路复杂诱发的寄生性线路自感的影响,静电放电失效,电子元器件由静电放电引发的失效可分为两种模式： 突发性失效：指元器件受到静电放电损伤后，突然完全丧失其规定的功能，主要表现为开路、短路或参数严重漂移 -双极型器件的射一基间短路 -场效应器件栅一源间或栅一漏间短路或开路 -集成电路的金属化互连或键和引线的熔断 -多晶硅电阻开路 -MOS电容介质

15、击穿短路等,静电放电失效,潜在性失效：是指静电放电能量较低，仅在元器件内部造成轻微损伤，放电后器件电参数仍然合格或略有变化 对器件使用可靠性的影响 -器件的抗过电应力能力减弱 -使用寿命明显缩短 在受到工作应力或经过一段时间工作后将进一步退化，直至造成彻底失效,静电放电失效,在使用环境中出现的静电放电失效大多数为潜在失效 据统计，由静电放电造成的使用失效中，潜在失效约占90%，而突发性失效仅占10% 潜在性失效比突发性失效具有更大的危险性： -潜在性失效难以检测 -影响器件使用时的寿命 -静电损伤具有积累性 预防ESD潜在损伤的最好办法是静电防护,静电放电失效机理,失效机理主要有两种 过电压场

16、致失效 -发生于MOS器件，包括含有MOS电容或钽电容的双极型电路和混合电路 过电流热致失效 -多发生于双极器件，包括输入用PN结二极管保护的MOS电路、肖特基二极管以及含有双极器件的混合电路,静电测量仪器的选用,基本配套仪器 通常测量静电的主要基本参数有三个-静电电压（位）、电荷量（密度）和电阻（率） 电荷量是静电本质的物理量，在许多科研中要测量电荷量或电荷密度 但在很多现场直接测量电荷量是不方便的，此时就需要测量其表面静电电压 很多材料的防静电性能可通过检测其表面电阻或体电阻来鉴定，任何部门应配的基本测量仪器是静电电压表和高阻表，对一些有可能产生静电的物体进行周期性检查。如条件允许，还可配

17、上静电检测报警器和人体综合电阻测试仪,静电测量仪器的选用,根据使用场所选择 一般在现场使用的仪器最好是袖珍式或便携式，其使用电源可选用电池或交流电，使用电池的最为方便，但在实验室最好使用交流供电，以避免换电池或充电的麻烦。对于用电池供电的仪器要注意其是非有电池欠压指示，因电池欠压时仪器的准确度明显变差 对于交流供电的仪器要注意其电源电压是否符合当地供电电源的要求,静电测量仪器的选用,根据使用场所的要求选定 在易燃易爆场所所用的仪器必须是防爆的，而且要注意其防爆等级，要看仪器上是否有防爆标志和防爆合格证编号,静电测量仪器,每个单位根据自己实际情况选用所需测量仪器 一般情况下选用以下两种：防爆静电电压表与高阻高压表,本公司目前静电放电控制情况,公司员工对静电放电控制的认识还不到位 目前我们应该先建立ESD控制方案，后逐步完善ESD控制方案的制度 公司应逐步购置静电防护材料，建立合适的EPA保护区 应将