【培训】ESD原理

1、ESD / EOS概念12022-3-8.提要2 ESD简述 静电学和ESD基本原理 失效模式和机理 控制和避免ESD 静电荷测量/ESD工具 ESD防控产品 ESD防护的基本要求 EOS基本原理,如何避免 问答题2022-3-8.ESD简述32022-3-8.4 随着半导体工艺技术的进步,制造出的芯片几何尺 寸和线宽越来越小,而脚位却越来越多, 这使得IC 更加容易受ESD问题的影响. 发展到如今的低电导封装技术却没有相应的提高 芯片的本征电阻以应对键合产生的高频ESD脉冲.没有考虑材料类型的自动化系统的应用最终导致 器件的失效.2022-3-8.5ESD在电子工业化的今天已经变成一个非常严

2、 重的问题，它可以引起：产品失效（较低可靠性）客户抱怨高退货率（高成本）利润降低2022-3-8.6实际上,从元件的制造,使用到维修的任一环节都有可能发生 静电损害.1.元件制造过程 包含制造，切割、接线、检验到交货. 2.印刷电路板装配过程包含收货、验收、储存、插入、焊接、品管、包装到出货.3.设备制造过程 包含电路板验收、储存、装配、品管、出货。4.设备使用过程包含收货、安装、试验、使用及保养。5.设备维修过程2022-3-8.7在这整个过程中，每一个阶段中的每一个小步骤，都可能 使元件遭受静电的影响，而实际上，最主要而又容易疏忽 的一点却是在元件的传送与运输的过程.在这整个过程 中，不但

3、包装因移动容易产生静电外，而且整个包装容易 暴露在外界电场(如经过高压设备附近，工人移动频繁、 车辆迅速移动等)而受到破坏，所以传送与运输过程需要 特别注意以减少损，避免无谓之纠纷.为了使ESD损害降到最低,有关组织制定了元件级、系统 级、工厂级ESD防护设计的要求、指导原则. 各用户据此制定静电放电控制大纲及生产中静电防护技术 措施与管理要求.2022-3-8.静电学和ESD基本原理82022-3-8.9ESD代表E-Electro、 S-Static、D-Discharge，电荷瞬间从一个物体转移到另一个物体上.2022-3-8.10ESD事件是物体表面的静电荷转移,该表面处于不 同的静电

4、电位.电荷转移电荷转移- 5KV- 2KV地- 5KV2022-3-8.一些ESD实例：11闪电在干燥天气时，你触摸另一个人产生的电击感 觉。在铺有地毯的地板上行走后，手接触金属门把 手产生的电击。2022-3-8.12等级导体一种慢慢将静电导入地 静电耗散材料 下的材料防静电材料绝缘体特性 一种容易将静电导入地 下的材料一种实际上不产生静电 的材料一种不能将静电导入地 下的材料表面电阻率106 / 每平方单位106 109 /每平方单位109 1014 /每平方单位 1014/每平方单位2022-3-8.13核子 位于原子中心的 中性部分,带电荷.所有的材料都包含原子.原子是材料组成的最小单

5、 位，原子包括电子、质子和中子.原子的电荷是通 过得失电子来实现的.(-)+质子 附在核子上的 正电荷颗电子 - 在原子上的负电荷颗粒, 围绕核子旋转.2022-3-8.电荷的概念质子数目电子数目质子数目电子数目 质子数目电子数目电中性 正电性 负电性142022-3-8.15 同性电荷相斥，异性电荷相吸，并且导体上的电 荷是可移动的，而绝缘体上的电荷是不可移动 的，这就意味着绝缘体上的电荷是不能通过接地 来中和的。+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +充电的绝缘体接地充电的导体不接地充电的导体接地充电的绝缘体接地+

6、+ + + + + + + + + + + + + +2022-3-8.16 静电荷形成静电场. 静电场不能穿透完整的导电罩(法拉第罩). 有效的屏蔽罩其表面电阻率应小于10e4 / 平方 单位.ELECTROSTATIC FIELD+ +STATIC SENSITIVEDEVICECONDUCTIVE SHIELD2022-3-8.17静电产生的两种途径 摩擦起电 / 感应起电影响电荷数量的因素： 电荷产生的速度:摩擦起电的相对位置；接触 紧密程度；摩擦系数；分离速度. 放电速度：材料的电导率；相对湿度；表面 水汽分布；再接触的速度。2022-3-8.181. 摩擦起电a）当两种不同性质的材

7、料（至少 其中一个为绝缘体)接触和分离，电荷从一种材料转移到另一种材料. b）得到电荷的材料呈负电性，反之亦然. c）产生电荷的类型与两种材料的相对位置有关.任何两种材料摩擦后电极性都是可 以判断的，在摩擦起电过程中，两 者的距离越远，则各自产生的电荷 越多.2022-3-8.2.感应起电a) 非接触的方法b) 当导电材料充分接近时,来源于某静电源的静电场将引起 该导电材料表面的电荷分离.静电源静电场的一个典型例子是强场TV显示器.2022-3-819-+-+-+-+-CHARGE SOURCECHARGE SEPARATIONGROUNDEDNET CHARGE INDUCED+-+.202

8、2-3-820 一个人的充电过程两个带不同电荷的 物体跑到一起电子从一个物体流向另 外一个.2022-3-821 器件在200V的低电压下也能受到损坏我们能感觉到的ESD电压3000V， 我们能听到的ESD电压6000V， 我们能看到的ESD电压8000V. 虽然我们不能觉察,但是器件可以!.2022-3-822 ESD会导致如下严重后果器件损坏或击穿 内部电路立即并且永久性损坏性能退化或潜在性失效 元件内部电路的损坏未被发现,但在随后的市场应用 中可能失效.ESD的表现 一个PMOS三极管显示硅片损坏的FESEM和TEM 图像.2022-3-823.ESD的表现 一个IC芯片损坏的FESEM

9、图像.2022-3-824.2022-3-825 增大ESD损坏几率的因素1.相对湿度低 ( 空气干燥)2.在工作区使用人造材料、塑料以及绝缘体等.3.在椅子上、上蜡地板以及人造地毯上做一些动作,比如:弯腰,行走,移动或者摇摆.4.带电器件与导电材料或金属材料接触，如金属镊 子和金属桌面。.典型的静电源1. 工作台面: 打蜡,粉刷或清漆表面,未处理的聚乙 烯和玻璃表面2. 地板: 灌封混凝土,打蜡或成品木材,地瓷砖和地 毯.3.座椅:成品木材,聚乙烯类,玻璃纤维,绝缘车轮.4. 包装和操作材料: 塑料袋,包,封套;泡沫袋,泡沫塑 料;聚苯乙烯泡沫塑料;非ESD防护料盒,托盘,容 器.5. 组装

10、工具和材料:高压射流,压缩空气,合成毛刷, 热风机,吹风机,复印机,打印机.2022-3-826.典型的静电压生成强度 人体活动电压（KV）2022-3-827相对湿度越小,产生的静电电压越高.在干燥的季节， 人体静电可达几千伏甚至几万伏在人造地毯上走动相对湿度1020%35相对湿度6590%1.5在乙烯树脂地板上走动120.25在工作台上操作60.1从垫有聚氨基甲酸泡沫的工作椅上站起 18 1.5乙烯树脂封套(WI)70.6从工作台上拿起塑料袋201.2.2022-3-828ESD失效取决于器件类型. 大多数ESD失效不易为传统显微镜所发现，通常 需要发射式显微镜、失效位置确认工具、刻蚀以

11、及断面分析等手段来确认. ESD损坏通常会引起二次EOS损坏.失效模式和机理2022-3-829.2022-3-830 人体模式(HBM: human Body Model )该模式显示某一带电的人体接触器件,并通过器件转移电荷.2022-3-831 HBM在今天不像过去那样普遍，因为绝大多数的 加工过程已自动化，通常器件对该种模式是比较 坚固的. 当人走动时很容易成为带电体 . 人体的皮肤、头发、身体能携带相当数量的静电. 人体能将这些电荷通过放电或转移到器件以及生 产线上，引起ESD失效.2022-3-832机器模式(MM: Machine Model ) 当器件的某一脚接地时,带电的机器

12、接触它的另一脚,此时机 器模式失效发生.HV SUPPLYDUT200 pF.失效模式充电器件模式 ( CDM: Charged-Device Model ) 这种模式表明:当器件由于一些生产工艺，比如从 托盘或料管掉下从而变成带电时,将会引起ESD.2022-3-833.2022-3-834 电场感应模型 (FIM: Field-Induced Model)这种模式表明:由于在生产线存在带电材料,比如塑料包装带 等,从而使器件带电,将会引起ESD.这种效应类似与CDM,但 能出现两次破坏._ _ _+ +_ _+ + + +ZAP 1 !ZAP 2 !_ _ _.控制和避免ESD2022-3

13、-835.2022-3-836 对ESD敏感器件必须设计安全的放电路径以避 免ESD发生. ESD保护单元能承受一定的ESD放电电压.1) 认定所有的电子器件都对ESD损坏和失效敏感.2) 保持工作区域整洁.消除装配线和测试区的所有非 导电体,或采用离子系统抵消静电的影响.3) 当接触电子器件和装配时,应使人体保持良好的接 地.4) 当存储和运输ESD敏感器件时，应将其放在有静 电屏蔽的器具中或法拉第罩中.2022-3-837.2022-3-8381）HBM防护： 戴手腕带或脚束带/导电鞋导电地板/地垫. 2）CDM防护： 采用抗静电和耗散型的套管和桌面等.3）MM防护： 所有导体接地. 4）

14、FIM防护：消除生产线、装配线和测试区的所有非导电体,或采用离子系 统抵消静电的影响.使用导电材料完全包装电子器件,以防电 场的穿透.2022-3-839 ESD控制1）ESD设备失效或使用不当易造成ESD损坏，应了解其正 确的使用方法.2）定期检查手腕带,脚束带或导电鞋.3）管理离子发生器和测试设备.4）确保离子发生器打开并正常工作.5）检查ESD保护设备的接地状况.6）使用经过验证的ESD设备.7）及时报告任何问题.静电荷测量/ESD工具2022-3-840.2022-3-841 静电场表(Field Meter)1.这是携带比较方便的仪器.它用于诊断ESD问题或作为审核 之用.2.可测量

15、带电体产生的静电场.2022-3-842静电场表的缺点:1.接近地时，通常读数比实际低而造成误差.2.当器件放置于接地的导体上时其读数为零.这时若要测量 电压,需要法拉第罩防护.尽管器件带电,但表的读数为电子向导体中和静电场+导体地meter.2022-3-843带电平板监测仪(Charge Plate Monitor) 监测空气离子平衡，以及电荷从固定电压点到需要终结点 (通常为原始电量的10）的衰减速度.2022-3-844 高阻表(Megger Meter /High Resistance Ohmmeter)高阻表通常提供10或100V的电压，利用NFPA型探头测量 点到点或点到地的电阻

16、,比如桌面,地板,垫子等.2022-3-845 测量器件上的静电荷1.将器件放入法拉第罩,记录读数A2.将器件移出法拉第罩,记录读数B移动电荷=B, 稳定电荷=A-B.ESD防控产品2022-3-846.2022-3-847适用于导电地板上的工作人员. 靴内置导电绳,脚底潮气被袜子吸收并在移动鞋底时人体 形成一个电荷承受路径.双脚均穿.2022-3-848适用于导电地板上的工作人员.双脚穿鞋套,套住外出穿的鞋,脚束带置于鞋套上部.鞋内置导电绳,脚底潮气被袜子吸收并在移动鞋底时人体形成一个 电荷承受路径.双脚均穿.适用于来工厂车间参观的来宾临时使用.导电绳与皮肤直接接触.2022-3-849 适

17、用于导电地板上的工作人员. 脚底潮气被袜子吸收并在移动鞋底时人体形成一个电荷 承受路径.双脚均穿.手腕带 有一个通常由金属材料制成的手腕带，有一根带有内置电阻的螺旋型绳，在其末端有一香蕉型插头或夹子,用以 接地或连接CMS (Continuous Monitoring System持续监 测系统). 用于地面工作人员,为使其更有效,它应与皮肤良好接触2022-3-850.2022-3-851用来检查ESD鞋或脚束带.两脚分别测试.若不能通过测试,则应检查ESD鞋是否干净,是否正确穿戴脚束带等.通过开关选择,也可同时用来检查手腕带.工作服由静电耗散材料制成.用来消除由衣服产生的静电，以阻止静电对

18、器件的影响.用来消除衣服和皮肤上的灰尘和颗粒.2022-3-852.2022-3-853地板砖不像普通地板那样上绝缘蜡，有时可上导电蜡保证地板光洁 并维持导电特性.适用于穿有导电鞋的地面工作人员.地板砖铺设使用导电环氧树脂和铜带连接到建筑物结构主体或接地 终端.2022-3-854用于处理ESD敏感器件.既可用导电桌面（不锈钢）,也可用接地的静电耗散桌面.通常使用空气离子发生器消除桌面上器件或其他材料的电荷.通常配有供手腕带使用的接地端.不相关的材料和电荷产生源应移离ESD防护工作台.2022-3-855用于消除工作区和器件内部所产生的静电.离子发生器应用高压针尖放电来产生正负电性的离子.带正

19、电荷的材料吸引负电离子，直至电荷抵消.2022-3-856作业人员坐着时接地.转轮具有良好的导电性,以使座 椅上所有部件形成对地通路.座椅套由静电耗散材料做成.当 人坐着并保持接触时，可以通 过工作服,座椅,地板形成接地.脚搁着同样可以对人体提供额 外的对地通路.手推车手推车更容易在移动过程中带电，为此通常采用铁链或导电 滚轮接地.手推车的任何部分都不应产生 静电.手推车的任何部位都应接地良 好.2022-3-857.2022-3-858为使器件在运输和交付过程中免于ESD的危害，常采用静电安 全包装和处理材料,比如工具箱,导电托盘,屏蔽袋.所有ESD敏感器件在运输和交付中必须用静电安全包装，

20、ESD 安全包装材料必须完全包住器件.导电托盘屏蔽袋.ESD防护的基本概念1.把防ESD设计到元件和产品内2.消除产生静电的材料与过程3.驱散或中和静电放电4.提供对静电放电的物理保护5.检测过程与环境2022-3-859.2022-3-8601.湿度控制（推荐40-60%的相对湿度）2.警示符号和标识3.导电地板4.培训5.导电/抗静电包装6.接地工作台7.接地手腕带8.防静电工作服9.过程设备静电压200V10.间接材料导电或防静电11.法拉第屏蔽贮存.2022-3-861ESD警示符号和标识应被挂在EPA入口处或相应的工作位.防静电接地装置 防静电工作区必须有安全可靠的防静电接地装 置，

21、防静电地线不得接在电源零线上，不得与防 雷地线共用，接地主干线截面积不小于100mm2, 支干线截面积应不小于6mm2，设备的接地线应 采用截面面积不小于2的多股敷塑导线， 接地主干线的连接方式应采用钎焊.2022-3-862.2022-3-863.2022-3-864.过程设备应防静电接地，接地电阻1，接地端 子应确保接触可靠，禁止用鳄鱼夹连接接地.手用焊接设备(比如烙铁),电动工具(比如电钻)的尖 端应防静电接地，接地电阻1.手推车更容易在移动过程中带电,为此通常采用铁 链或导电滚轮接地.应确保铁链接触地面.2022-3-865.2022-3-8661.防静电腕带:电阻值1 105 1 1

22、07,1次/天.2.防静电鞋:电阻值1 105 1 109 ,1次/天.3.防静电耗散型地板:电阻值1 105 1 109 ,无明显 污迹、伤痕，接地良好,1次/半年.4.作业台:1M电阻串联接地或者铺设防静电台垫接地,目 视1次/周.5.制品货架:1M电阻串联接地或者铺设防静电台垫接地, 目视1次/周.6.生产现场手推车:接地状态良好,目视1次/周.7.离子风机: 除静电功能正常,目视1次/天.2022-3-8678.设备: 防静电接地状态良好,目视1次/周.9.防静电接地电阻:小于1,1次/年.10. 防静电台垫: 电阻值1105 1109 ,1次/半年.11. 防静电工作服:电阻值110

23、5 1109 ,1次/半年.12. 周转箱:电阻值1105 1109 ,1次/月.13. 反复使用的包装材料:电阻值1106 11012 ,1次/月.14. 静电电压: 操作人员在工作区内进行正常操作时,用静电 电压表检测静电电压值小于200V,持续监控用.必须保存相应的检测记录至少一年,目视和持续监控项目除外.证实ESD防护措施有效 设立ESD协调员或协调小组. 定期审核. 不符合项进行整改. 保存相应的审核记录至少两年. 相应的ESD管理培训, 更新内容再培训. 保存相应的培训记录至少两年. 若有必要,对访客作简短的ESD培训.2022-3-868.EOS基本原理,如何避免2022-3-8

24、69.EOS概念E- ELECTRICALO - OVERS STRESSEOS指过电应力，当外界电流或电压超过器件的最 大规范条件时，器件性能会减弱甚至损坏.2022-3-870.EOS：1.典型地,由电源和测试 设备产生.2.事件持续时间在微秒 秒级. (也可能是毫微 秒)3. 损坏的现象包括金属 线熔化、发热、高功 率、闩锁效应.4.短的EOS脉冲损坏看 起来像ESD损坏.2022-3-871ESD：1.ESD是EOS的一种， 有限的能量,由静电荷 引起.2.事件持续时间在微微 秒毫微秒级.3.损坏位置不易发现,通常只破坏晶体管级.2022-3-8721.闪电2.测试程序开关引起的瞬态/

25、毛刺/短时脉冲波形干扰.3.电源噪声和过电压.4.落后的测试技术，比如在对器件供电之前加入测试信 号，或超过最大操作条件.5.来自其他设备的脉冲信号干扰.6.不恰当的工作步骤.7.接地点反跳（由于接地点不够导致电流快速转换引起高 电压）.2022-3-873.避免 EOS一. 电源1.在使用AC电源时，电路中应有暂态抑制器（滤 波器).2.为电源配置过电压保护.3.为AC电源提供电压稳定装置 .4.电源序列发生器保证按次序电压的上升和下降.5.在大电流设备之间不共享滤波器和电压稳定装 置.2022-3-874.避免 EOS二. 工作步骤:1.提供恰当的操作步骤.2.在以下方面保证充分的培训和提

26、醒：A. 正确开/关电源 的次序.B. 在电源还开着时，禁止拆/接器件或电路板. C. 装器件或电路板时方向正确.3. 经常检查以确保规范操作.2022-3-875.避免 EOS三. 维护1.对设备、炉管、盖板和插座进行预防性维护 .2.确保无松动的连接，它通常引起间断性连接问 题.四.培训 保证对所有人员培训和进修.2022-3-876.避免 EOS五.测试电路板或器件:1.保证无热转换，当进行测试时用储存式示波器 捕捉信号或电源的瞬间反应.2.保证无浪涌或短时脉冲波形干扰.3.确保正确的测试参数的设置(无过压).4.测试硬件中应保证使用正确的保险丝.2022-3-877.问答题2022-3

27、-878 问:什么是最常见的静电源？ 答:人在活动如行走，站起等活动中都会产生静电，人体 是最为常见的静电源,因此人体的静电防护是最为重要的. 问:要控制人体静电，最有效的措施是什么？ 答:要控制人体静电，最有效的措施是让人体与大地相“连 接”即“接地”。因此，人要穿上防静电鞋.要保持人体与大 地相连，这就要求地面也是防静电的才可以将人体的静电 导入大地，所以地面可以用防静电地垫，防静电复合胶 板，并用防静电接地线接好地.问答题2022-3-879 问:人穿防静电鞋外为什么还要穿防静电工作服？ 答:人除穿防静电鞋外还要穿防静电工作服才能较好地控 制人体静电。因为服装也能带上很高的静电，特别是现在 的大部分