ESD教育训练讲义

ESD

教育训练教材

电源事业部工程部伴随计算机、通信、集成电路的发展，静电危害问题日趋显著。如CMOS器件绝缘层的典型厚度0.1um,其相应耐击穿电压为80-100V,VMOS的耐击穿电压只有30V,千兆位的DRAM耐压仅为10-20V。在电子产品的生产、运输、储存等过程中产生的静电压远远大于上述阈值，造成微电子器件击穿或软击穿，使之失效或严重影响产品的可靠性。据报道：因静电问题造成损失，美国100亿美元/年，英国20亿英磅，日本45%微电子子器件损坏，中国10亿人民币/年。为更好的解决电子工业的静电防护问题，必须普及静电防护的基本知识。背景一、静电基本概念二、电子工业中的静电问题三、静电防护原理四、防静电工作区（EPA）的构成和技术要求五、EPA防静电系统的检验六、静电放电模型与器件、设备ESD敏感度测试课程大纲一、静电基本概念1。静电定义：一种处于相对稳定状态的电荷。2。静电的特点：（1）小电量（2）高电位（3）放电时间短设备、生产环境、人体上的静电量一般只有微库仑或纳库仑级，但电位可达到几千伏以上，瞬间放电能量达几百瓦以上，峰值电流达到几至十几安培，足以造成微电子器件（组件）的损坏。3。静电的产生（1）固体起电：摩擦起电，两个物体相互摩擦后分别带有等值异号电荷（表面能态、湿度、电荷密度不同引起）

；一、静电基本概念分离时，C=εε0

/d变小，V=Q/C增大。导体摩擦起电小（自由电子），绝缘体摩擦起电大（束缚电荷）。湿度>70%,起电明显减少;物体表面电阻率>1X1011Ω起电明显。摩擦分离起电极性排列：+人手、兔毛、玻璃、云母、人发、尼龙、羊毛、铅、丝绸、铝、纸、棉花、钢、木材、封蜡、硬橡胶、聚脂、聚氨酯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯-。（2）粉体起电：粉体与粉体、粉体与器壁碰撞、摩擦分离、碎裂引起。如面粉加工、药厂、煤厂。（3）液体起电：流动的液体与管道摩擦起电，带电粒子随液体流动形成电流（石油业、喷嘴）。一、静电基本概念4。静电防护材料（1）导静电和静电屏蔽材料：电荷能够迅速耗散和泄露，表面电阻率<1X105Ω（静电屏蔽包装袋）。（2）静电耗散材料：电荷由于中和、泄露、放电而使之部分或全部消失，表面电阻率1X105Ω-1X1011Ω（静电皮）。（3）静电绝缘材料：不能耗散和泄露电荷，表面电阻率1X1011Ω（塑料、橡胶）。一、静电基本概念5。静电感应导体在静电场中，表面不同部位感应出不同电荷或导体上原有电荷重新分布的现象。由于静电感应，不带电的导体可以感应起电！是一种常见的静电起电方式，可在导体（包括人体、器件、设备）上产生较高的电压，导致静电对器件或带电器件对周围导体直接接触或间接接触式放电。一、静电基本概念6。静电屏蔽（1）被动屏蔽：外部有静电场，空腔导体内部静电场为零，电场不能到达内部。（2）主动屏蔽：空腔导体内部有静电场，外壳接地后，电场不能到达外部。一、静电基本概念7。法拉第筒利用法拉第筒静电感应原理，可以实现对静电压或电量的测量。二、电子工业中的静电问题1。静电效应静电荷所产生的静电场有很多的物理效应，这些物理效应对电子工业的影响很大。（1）电场力：F=q1q2/4Пεr2，一般产生的静电力仅为几至数百毫克，这样小的力对毛发、纸片、尘埃、纤维的吸附作用非常明显。（2）静电放电（ESD）：高静电电位的带电体向低电位物体发生接触或非接触式放电，人体瞬间放电电流可以达到几安培，设备瞬间放电电流可以达到几十安培。（3）静电感应：因人体静电、高压设备、设备接地不良而导致器件金属部位感应静电。二、电子工业中的静电问题2。静电危害（1）吸附尘埃：对微电子技术产业影响大，使芯片漏电流增大，使用寿命缩短，甚至造成短路使芯片损坏。（2）静电放电及产生的宽带电磁脉冲效应：静电放电可使集成电路芯片击穿，芯线熔断，漏电流增大，加速老化，电性能参数改变等；另外，静电放电可产生从低频到几兆赫兹的宽频带干扰，对电子仪器、信息化系统、医疗监护系统等产生静电噪声和电磁干扰，使逻辑电路产生错误的翻转效应；雷电是一种自然界宏观静电放电现象，电压达到数十万伏，对电子设备的造成损害。（3）静电感应及放电：导体置于静电场中感应带电，当达到一定电压就发生放电；器件置于静电场中发生静电感应带电时，在器件或芯片氧化膜两端及结构金属突出部位因尖端效应可感应出较强的电场，因各点对地电位不同，当电场强度超过某点的绝缘强度阈值时，可导致介质击穿（或软击穿），使器件失效或品质降低。二、电子工业中的静电问题二、电子工业中的静电问题3。器件ESD失效突发性失效：10%，通常表现为开路、短路、电参数严重漂移，电压击穿或热击穿；潜在性失效：90%，电参数退化不明显，但降低了防静电的能力，降低了可靠性。（1）热击穿：静电放电产生的能量使器件局部温度升高而损坏。（2）介质击穿：静电压使绝缘层处薄弱点击穿。（3）气体电弧放电：在器件内电极间，电场使气体电弧放电而损坏。二、电子工业中的静电问题4。静电敏感器件（SSD）的分级器件的静电放电敏感度，以其能够耐受住的最大静电放电电压值来表示（标准ESD实验模型）。二、电子工业中的静电问题二、电子工业中的静电问题二、电子工业中的静电问题5。电子器件损坏统计ESD对器件的损害具有普遍性、随机性和不易察觉，在电子工业生产、存储、维护、运输等任何一环节都有可能发生。ESD问题往往不会造成人员的伤亡，不容易引起人们的重视，但其造成的经济损失巨大。静电造成的电子产品平均损坏率（统计表）：部门平均损坏率（%）制造厂16-22承销商8-14用户27-33二、电子工业中的静电问题6。电子生产、使用环境中的静电源（1）人体（用品）静电：电子工业中，作为操作者的人是最主要的静电发生源，人体ESD是导致器件损坏的主要原因之一。起电方式：人在行动或工作中，皮肤、头发、衣服、帽子、手套、鞋袜相互摩擦起电；脱衣服、帽子、手套等剥离动作也会起电；人体是静电导体，当带电物体靠近人体时，人体会感应起电。影响因素：起电率、人体对地电阻和电容。人体电阻800Ω-3KΩ，标准电阻1.5kΩ，人体对地电容不得100-350pF，标准电容100pF。

Q=qRC（2）树脂、浸漆封装表面：器件表面涂装绝缘树脂、漆，放入包装后，因运输过程摩擦起电。（3）用PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、PS（聚苯乙烯）、PUR（聚氨脂）等高分子材料制备的包装容器和材料盒，都可因摩擦带电。二、电子工业中的静电问题（4）各种工作表面、工具：工作台、座椅表面受摩擦起电，金属工具感应起电。（5）生产、焊接、装配、检验、清洗、修理、高低温处理过程：贴片机、波峰焊、烙铁、高温箱、设备工装运行和使用中，相互摩擦及感应起电。（6）各种绝缘地面：打腊抛光木地板、橡（塑）板、树脂地面、瓷砖地坪都可因摩擦产生静电。（7）接地系统和电源：生产检验设备、电动工具、供电系统、ESD防护系统（包括防雷接地）不良或错误接地，可因设备漏电、个接地系统接地电位不平衡、静电不能对地泄漏、雷击产生浪涌电压和电气开关关闭产生的宽频带感应等原因使器件或设备损坏。生产现场的电脑显示屏、高压电源产生的静电场可使器件感应带电。（8）生产、存储环境中的绝缘物和对地绝缘的导体：绝缘物因摩擦起电，对地绝缘的导体可感应起电。三、静电防护原理在电子产品的生产、装配、存储、运输、使用过程中，不产生静电是不可能的，但产生静电并非危险所在，危害在于静电积累，以及由此产生的静电感应、吸附和放电，由此，对静电积累的限制和采取各种防护措施尤为重要。－静电防护措施五个方面。静电耗散和泄漏：使产生的静电迅速耗散，以及泄漏，是防止静电危害行之有效的方法，主要是通过更换生产过程中接触到的各类绝缘制备的用具（工装夹具、包装、工具、物流传递品、人体用品等），而改用防静电材料制备并使之接地来完成。

a.防静电材料又称ESD防护材料，包括静电耗散和导电类。

b.接地的概念：地－能够接受和供给大量电荷的物体（如大地、轮船外壳等）；接地极－埋入大地以便与大地良好接触的导体；接地电阻－接地极与测试极之间的电阻。三、静电防护原理在电子产品的生产、装配、存储、运输、使用过程中，不产生静电是不可能的，但产生静电并非危险所在，危害在于静电积累，以及由此产生的静电感应、吸附和放电，由此，对静电积累的限制和采取各种防护措施尤为重要。－静电防护措施五个方面。静电耗散和泄漏：使产生的静电迅速耗散，以及泄漏，是防止静电危害行之有效的方法，主要是通过更换生产过程中接触到的各类绝缘制备的用具（工装夹具、包装、工具、物流传递品、人体用品等），而改用防静电材料制备并使之接地来完成。

a.防静电材料又称ESD防护材料，包括静电耗散和导电类。

b.接地的概念：地－能够接受和供给大量电荷的物体（如大地、轮船外壳等）；接地极－埋入大地以便与大地良好接触的导体；接地电阻－接地极与测试极之间的电阻。三、静电防护原理2.5m0.2m接地极（直径20mm钢钎）接地线测试极R<10OHM10cm40cm电焊或气焊建筑物>2m三、静电防护原理c.静电耗散和泄漏一般要求静电耗散原理：当某种原因在ESD防护材料上产生静电时，通过静电消散使其静电不能在材料某点或某区域积累，降低单位面积的静电量，从而起到降低静电电位作用，防止静电放电的发生。静电泄漏原理：带电体上的电荷通过内部和表面等途径，使之部分或全部消失的现象。静电耗散和泄漏的一般要求是将各类ESD防护用品或装备、仪器设备、生产存储环境中的导体等与大地之间进行电气连接，将上述物体积累或感应的静电泄放到大地。软接地与硬接地：软接地是通过串接限制流过人体的电流达到安全值的电阻连接到大地的一种方式（380V，I<5mA，1MOHM,1/4W或1/2W）；硬接地是指直接与大地做导电性连接的一种接地方式，通常用于静电屏蔽或仪器、设备、金属体接地。

三、静电防护原理d.耗散与接地的特殊情况悬浮接地：无法设置与大地相连的接地系统时，象航空器、不接地的机房，通常是将内部所有仪器、金属结构、装备的金属外壳接地线连接到一表面积较大的物体表面，即认为设定的地（航空器的外壳、防静电地坪），连接后该接地对整个系统提供基准地电位。静电等位体：将环境中的设备、金属导体、工装器具、人员、各类防静电用品等，使其处于同一电位，就避免静电放电问题，如移动电子通信车。e.防静电材料使用中的安全问题使用电源有220V、380V或更高电压源，为确保人身安全，所用的静电防护材料必须为用静电耗散材料，表面电阻>＝1X106Ω；直接接触SSD的包装和工器具等不宜使用表面电阻低于1X104Ω导静电材料和金属制品，因其不能防止器件的静电放电。为确保静电泄漏，任何物体带静电，对地电压小于+/-100V，物体带静电5000V，对地分布电容200pF，在2s内衰减到100V，静电泄漏电阻<1X109Ω。三、静电防护原理2.静电中和:带电体上的电荷与其内部或外部相反符号的电荷（电子或离子）的复合而使所带电荷部分或全部消失的现象。某些场合中，当不便使用ESD防护材料时，必须将某些高绝缘易产生静电的用品存放在工作台或工艺线路上时，或者在操作SSD时使用的各类器具（包括金属制品）不能良好接地时，为了预防静电积累及放电就必须对操作环境采取静电中和措施。静电中和原理：利用无源自感应式、直流高压、交流高压、同位素（a射线）电离等原理，通过金属针或放射线使空气电离产生正负离子与静电源上的正负电荷中和，从而消除静电源上积累的静电。（离子静电消除器）使用离子静电消除器时，应考虑由于设计不合理而产生正负离子不平衡（残余电压）导致静电不能被中和或是器件被充电现象的发生。残余电压要小于+/-50V。三、静电防护原理3.静电屏蔽与接地:通常用于对高压电源产生的静电场屏蔽，某些对静电极其敏感电路的屏蔽，从而避免静电场对SSD和SSD组件的感应及静电放电的发生。静电屏蔽是通过将一个区域封闭起来的壳体实现的，壳体不允许存在孔洞。主动屏蔽：将静电场封闭在屏蔽体内，外壳接地。被动屏蔽：将静电场屏蔽在屏蔽体外（静电屏蔽包装袋）。4.环境增湿：环境相对湿度增加，则非导体材料（衣服、工作台等）表面电阻减小，使物体积蓄的静电荷可以更快地泄漏。

同样的纸，放置在40%湿度下表面电阻1X10E11Ω以上，放置在90%湿度下表面电阻大致在1X10E9Ω左右。安装空调设备、喷雾器、加湿装置，提高空气的相对湿度消除静电。但对孤立的带电绝缘体和导体、表面不易被水浸润的介质、高温环境中的静电绝缘体，增湿是无效的。一般要求环境温度16-28度，湿度45%-75%。三、静电防护原理5.电子产品ESD的防护设计a.对SSD设置ESD防护电路，是防止器件损坏的有效手段之一。常在SSD输入端加限流电阻和保护二极管，好的器件设计提供的ESD防护电压可达到2000V，而设备的ESD防护可达到4000V以上。保护电路可以降低器件对ESD的敏感性，但不能彻底根除。b.对设备，输入/输出电缆要使用屏蔽电缆，增加共模扼流圈，设置钳位电路和旁路滤波器，电缆线要靠近回线位置使共模偶合减小。控制面板的设计应使ESD不经过敏感电路而直接如地。PCB布线避免将SSD连接到容易接触ESD的引入端，应增加串联、分流、电压钳位措施；PCB电路引线尽可能短，将这些等效天线的偶合减少到最小。四、防静电工作区（EPA）的构成和技术要求1.EPA定义：防静电工作区（ESDProtectedArea），凡是直接或间接接触SSD的区域都属之。2.EPA总体要求：a.EPA内所有金属导体、仪器设备、防静电装备、人员应接地，适于与其他各类接地共用一个接地体（特殊信号系统除外）。b.当不便采用静电泄漏和接地措施消除EPA内绝缘体、设备、工具和各种操作产生的静电时，应采用离子静电消除器提供静电中和或采取屏蔽措施。c.EPA内各种接地措施应该满足标准相关要求。d.直接或间接接触SSD的操作均应在EPA内进行，在EPA之外，对SSD必须提供防静电包装予以保护，不允许将其暴露在防静电包装之外。e.对于无法设置接地的临时EPA，可采用悬浮接地或等电位连接。四、防静电工作区（EPA）的构成和技术要求f.EPA内的环境洁净度应满足不同SSD生产所规定要求，湿度在45%-75%之间。g.通常EPA的设计，应能对静电敏感度+/-100V以上的SSD提供防护。3.EPA硬件构成：a.人体静电防护用品－防静电工作服、防静电鞋（鞋束）、手腕带、手套（指套）、帽子、袜子等。b.防静电物流传递用品－防静电包装（盒、箱、盘）、填充材料（泡沫塑料、发泡材料）、运转车、周转器具、存放柜（架）、传输带等。c.防静电地坪－PVC地板砖、瓷砖、地毯、水泥等。d.防静电操作系统－工作台、工作椅、工具类（烙铁、维修工具、刷子、气动或电动工具）等。四、防静电工作区（EPA）的构成和技术要求e.防静电接地系统－独立或与其他共用接地系统。f.环境控制系统－温湿度和洁净度控制系统。g.专用生产设备－烘箱、波峰焊、插装机、测试设备。h.特殊防静电用品－静电消除器（离子风、静电消除刷）、防静电剂（喷剂、蜡、胶）。i.静电测量（监控）系统－非接触或接触静电电压表、电阻测试仪、静电衰减时间测试仪、接地电阻测试仪、配套的测试用具和电极。4.EPA软件和管理要求：与硬件同等重要，不能忽略。a.人员培训。b.防静电工艺和文件。c.标准文件、管理规程、采购制度。d.监督检查和试验等质量保证体系。四、防静电工作区（EPA）的构成和技术要求e.防静电警示标志。d.包装、存储、运输要求。e.产品的失效分析与记录。f.接地系统要求和指导。g.所用SSD静电敏感度分级与使用指南。5.静电防护用品的要求（1）人体防静电用品a.防静电工作服：导电金属丝（碳丝）和棉、化纤等混纺而成，通过与人体接触泄漏或导电纤维间放电、耗散，防止静电积累。带电量<0.1uC/件，耐洗涤试验（33H），点对点电阻1x10E5-1x10E10Ω。b.防静电鞋、袜、鞋束：加入防静电剂的合成橡胶、PVC等制成。1x10E5-1x10E10Ω。四、防静电工作区（EPA）的构成和技术要求c.防静电腕带：带扣、导电带、和接地线都要具有良好的导电性和电气接触。串接1MOHM,1/4W或1/2W电阻，对地泄漏电阻7.5x10E5-1x10E7Ω。不应使用自感应放电式腕带，其静电放电阈值>1000V。d.防护手套、指套：加入防静电剂，有洁净要求时使用。内外表面二点间电阻1x10E5-1x10E9Ω。e.工作帽：防静电和防尘双重作用。（2）防静电包装类盒、箱、袋、盘、发泡垫等，大多使用高分子材料制作（PE、PC）。除满足一般要求（耐老化、防潮、耐撕裂、耐高温、抗冲击等）外，还应满足防静电要求。复合材料或多层包装的内层必须用静电耗散材料，相邻材质尽量一样。静电耗散类包装：内表面电阻率1x10E6-1x10E11Ω，外表面电阻率小于1x10E12Ω；静电90%的衰减（+/-1000V-+/-100V）时间小于2s。四、防静电工作区（EPA）的构成和技术要求静电屏蔽类包装：表面电阻率小于1x10E5Ω；静电90%的衰减（+/-1000V-+/-100V）时间小于2s；包装外施加1000V放电试验电压，并串接1.5kΩ放电回路电阻时间，包装内藕合静电电压小于30V或能量小于50nJ。（3）传输带（线）应为静电耗散型，带体应与接地的传输带金属轮紧密接触，以便泄放静电。传输带任何表面对地静电泄漏电阻应在1x10E5-1x10E9Ω间。（4）运转车、存放柜、工作椅、工作台表面采用静电耗散材料，并与金属部分连接；工作台面通过串接1MOHM,1/4W安全电阻与接地线连接。表面泄漏电阻应在1x10E5-1x10E9Ω间。四、防静电工作区（EPA）的构成和技术要求（5）运转车、存放柜、工作椅、工作台表面采用静电耗散材料，并与金属部分连接；工作台面通过串接1MOHM,1/4W安全电阻与接地线连接。表面泄漏电阻应在1x10E5-1x10E9Ω间。（6）工位器具（架）、操作工具（刷子、镊子、螺丝刀等）宜用静电耗散材料制作，不宜用金属材料制作。如用金属材料，为预防SSD带电时对金属器具发生放电或金属器具感应带电，应考虑用离子静电消除器。外表面点对点电阻小于1x10E9Ω，静电90%的衰减期+/-1000V-+/-100V,不大于2s。（7）气动、电动工具、焊接设备烙铁、波峰焊应采用硬接地。烙铁的焊头于接地极之间的电阻值应小于2OHM，当发生氧化时，不大于20OHM，不允许使用二芯烙铁。气动、电动工具外表面与地线间电阻小于1x10E9OHM。四、防静电工作区（EPA）的构成和技术要求6.离子静电消除器及使用能使空气发生电离，产生消除静电的离子装置，又称静电中和器。放电针应为钛合金或钨钼合金等，不能用普通不锈钢，并定期除去放电针氧化层。静电消除+/-1000V-+/-100V时，不超过20s；残余电压小于+/-50V。四、防静电工作区（EPA）的构成和技术要求7.防静电剂防静电蜡、喷剂、胶粘剂，起到短或长时效静电耗散功能。使用时需要考虑时效性，同时考虑是否会污染到器件或组件。8.EPA环境要求环境温度控制在16-28度，相对湿度在45%-75%左右，同时对特殊SSD生产中配置空气净化系统，减少引静电吸附尘埃造成垫子产品不良率提高。9.EPA内的接地和防雷保护接地、工作接地、重复接地，接地电阻不大于4OHM。防静电接地电阻值不大于10OHM。防雷接地是通过避雷针、接地线和接地装置将雷电电流迅速导入大地以防止雷害，静电接地电阻值不大于10OHM。四、防静电工作区（EPA）的构成和技术要求10.防静电接地a.EPA内每个防静电装备应单独与防静电接地相连。b.每个防静电装备的单独接地线导电线截面积应不小于2mm2，多个防静电装备接地汇总线的导电线直径应不小于3mm，接地母线的截面积应不小于10mm2。c.非金属导体接地时，紧密接触面积不小于1.5cm2（传输带不小于60cm2）。d.为达到EPA整个区域接地系统的零电位，防静电接地宜与防雷、供电系统、保护接地等共用一个接地桩。四、防静电工作区（EPA）的构成和技术要求五、EPA防静电系统的检验为掌握静电起电、放电的情况，了解生产、储运等过程中静电产生情况，判断该过程中静电放电的危险行，确定静电源，检验EPA静电防护措施、用品的质量以及分析静电事故，都必须进行静电测试。a.静电测试仪器要有小的输入电容和极高的输入电阻（1x10E13OHM)。b.静电测试的结果往往与测试方法和测试电压等测试条件有关，因此最好按照国际标准、国际或行业规定的测试方法、测试电压、测试电极等进行测试。c.静电测试受各种环境条件的影响显著，如温湿度。五、EPA防静电系统的检验1.电阻的测试材料本身的电阻是于其静电泄漏及耗散密切相关的电气参数，测试简单。（1）点对点电阻测试Rx（2）静电泄漏电阻Ry300mmRx初始测试电压10V：如R<=10E5OHM，测量值为结果；否则施加测试电压100V：测量值为结果。Ry五、EPA防静电系统的检验（3）表面电阻测试（4）体积电阻测试五、EPA防静电系统的检验（5）影响电阻测试的因素：a.环境温湿度，在规定的温湿度