ESD知识培训教材

1/44ESD内部训练教材(A&B级)

讲师:蒋小军第一页，共四十三页。2/44目录:第一部分:ESD基本原理介绍第二部分:半导体的抗静电能力第三部分:静电防护序言第二页，共四十三页。3/44序言◆

在电子产品越来越细小,越来越复杂的今天,半导体材料的质量要求也是越来越高的.而静电对半导体的破坏却因半导体的高集成化而变得更加容易.

为了产品的质量和提升客户的满意度,我们必须在静电的防护方面作出更有效的行动,来迖成我们的品质目标.第三页，共四十三页。4/44ESD基本原理介紹第四页，共四十三页。5/44ESD基本原理介绍一静电放电(ESD)现象◆

严寒的冬天,当您脱下暖和的毛衣,您会听到哔哔啪啪声◆

握手或手接触时常被电击一下,是由于人身带了静电,

接触时突然放电所致◆

云层相互摩擦而带大量的电荷,相互放电形成能量巨大的雷电,对地放电则可能形成雷击这些就是静电瞬间放电(ESD)所主导产生的现象

ESD--ElectroStaticDischarge第五页，共四十三页。6/44ESD基本原理介绍二.静电的本质

物质由分子和原子组成,原子由原子核和电子组成,原子核带正电,电子带负电.

自然条件下,正负电荷平衡,物体不带电.这类物体叫电中性物体.

在某种条件下,正负电荷的平衡被打破,则物体带电--这种现象叫物体带电.所谓静电指对观察者而言,电荷静止不动或运动非常缓慢.动电则有电荷的快速运动和变化.第六页，共四十三页。7/44ESD基本原理介绍三.静电起电摩擦起电:当两个物体产生摩擦时,摩擦表面的电子会从一种物体跑到另一种物体上,分离后,两个物体的正负电荷失去平衡,得到电子的带负电,失去电子的带正电.感应起电:当有强电场(大的带电体)存在时,附近的物体被感应,局部或整体产生电荷,这类带电称为感应带电.

静电可有很多种方式产生,如物体间的摩擦,电场感应,介质极化,带电颗粒粘附等等第七页，共四十三页。8/44ESD基本原理介绍四.静电放电当带电的物体与一些导体等接触时或靠的很近时,电荷会找到一途径途突然释放掉,这种现象叫静电放电.静电放电的条件是:首先有静电存在,其次要有一定的途径.静电放电的原因和条件多种多样,控制静电放电是在人们生活和工作中的各个方面所追求的.第八页，共四十三页。9/44ESD基本原理介绍ESD基本原理介绍五.静电产生原理静电产生1.分离2.摩擦第九页，共四十三页。10/44ESD基本原理介绍五.静电产生原理分离,摩擦等起电的过程:第十页，共四十三页。11/44ESD基本原理介绍五.静电产生原理分离,摩擦等起电的过程第十一页，共四十三页。12/44ESD基本原理介绍五.静电产生原理

物质产生静电大小排列如下表，其中愈正性与愈负性物质互相摩擦产生之静电愈大空气石棉人手玻璃云母头发尼龙羊毛毛皮铅丝绸铝纸棉花钢木材琥珀封蜡橡胶镍铜黄铜纤维聚酯奥璐珞聚氨酯聚乙烯聚丙烯硅硅橡胶第十二页，共四十三页。13/44ESD基本原理介绍五.静电产生原理人体带电研究

摩擦起电:操作中的动作和肢体运动,由衣服,鞋子与其他物体,地面摩擦,使衣服和鞋子带电,再通过传导和感应,使人体带电.

感应起电:当不带电的人体进入带电的电场,静电感应而起电.

传导起电:人体直接接触带电体,或与带电体发生静电放电,另人体在静电的微尘粉体和雾状液粒空间活动,使带电微粒附在人体及衣服上产生静电.第十三页，共四十三页。14/44ESD基本原理介绍五.静电产生原理人体活动带电示意图第十四页，共四十三页。15/44ESD基本原理介绍六.静电电压典型静电电压我们在经受3000伏的静电电压!!第十五页，共四十三页。16/44ESD基本原理介绍六.静电电压人体电容静电模型第十六页，共四十三页。17/44ESD基本原理介绍六.静电电压人体电容典型值第十七页，共四十三页。18/4455001100021000用泡沫和包装线路板4007002000在塑料管中取IC4008006000移动凳子3000500012000在塑料地毯上行走75001500035000在地毯上行走55%40%10%相对湿度

电压(伏)动作ESD基本原理介绍六.静电电压人体的典型静电电压值第十八页，共四十三页。19/44半导体的抗静电能力抗静电能力之量测(HumanBodyModel)

依MIL-STD-883，Method3015，测试线路图第十九页，共四十三页。20/44半导体的抗静电能力电子元器件静电损伤的典型电压阀值380~7000双极型晶体200~1000E/DMOS300~3000肖特基二极50~500HMOS380~7000DTL250~2000CMOS300~2500STTL100PROM680~1000SCL100~300GUASFET140~1000JFET100~200MOSFET300~2500ECL30~1800VMOS耐ESD阀值器件类型耐ESD阀值器件类型第二十页，共四十三页。21/44半导体的抗静电能力

大体而言只要100V以上的静电压就可以对半导体产生伤害，故ESD之防护工作，我们不可不慎。电子元器件静电损伤的典型电压阀值第二十一页，共四十三页。半导体的抗静电能力损伤具有隐蔽性:人体带电是电子产品静电损伤主因，几KV的人体静电，对人而言放电感受几乎没有，对元器件却是致命的.失效分析的复杂性:

电子产品有精，细，小的特点，失效分析相当，静电损易于同其它损伤混淆。

电子产品静电损伤的特点第二十二页，共四十三页。23/44半导体的抗静电能力损伤具有潜在性:

有些元器件在损伤后并不马上表现出来，只是性能下降，并不马上失效。损伤的随机性:

只要电压超过或接近静电敏感电压阀值，就可能发生静电损，在生产的各个环节，包括成品运输等都可能产生ESD损伤。电子产品静电损伤的特点第二十三页，共四十三页。24/44半导体的抗静电能力电子产品静电损伤的形态A.突发性完全失效自身短路.幵路,功能丧失,参数变异.

电压相关失效:介质击穿,PN节反向漏电.

功率相关失效:金属等烧断,硅片局部区域融化,PN节边缘损伤等,这类失效占静损伤的10%.第二十四页，共四十三页。25/44半导体的抗静电能力电子产品静电损伤的形态B.潜在性缓慢失效带电体电位或能量较低,一次放电没有完全损伤失效,使器件内部轻度损伤,但有累计效应,使器件性能变坏,可能突然失效,难以检测和筛选,造成产品质量发生信赖性问题.第二十五页，共四十三页。26/44半导体的抗静电能力电子产品静电损伤的形态静电的累积破坏–

负伤而行

负伤而行（WalkingWounded）–––

许多实验证实静电能使半导体负伤，但不致立即完全破坏其功能，而且有多数这些『负伤而行』的组件都能通过测试直到这些组件送到客户之后，随时会从『负伤而行』变成完全失效。第二十六页，共四十三页。27/44半导体的抗静电能力电子产品静电损伤的形态

◆静电的累积破坏–

负伤而行

•下面是一ESD累积破坏的试验: (应用HBM方式) 试验条件：

试验结果： 材料：54s163 测试前 I=2.883μA PASS

人体电容：100pf 第一次 I=2.883μA PASS

每次放电：50V 第二次 I=2.890μA PASS

放电次数：5次 第三次 I=2.890μA PASS 测试点：Vin=Pin2(A) 第四次 I=1.872mA

FAIL GND=Pin8(B) 第五次 I=2.147mA

FAIL第二十七页，共四十三页。28/44半导体的抗静电能力ESD破坏分析◆

找出PCB上之故障组件◆对故障组件进行基本电性量测

–功能测试

–参数测试◆

X-ray做表层分析◆去封胶（Decapsulate）检视内部◆去除各层（玻璃层、铝层）层层检视

几种遭ESD破坏案例参考第二十八页，共四十三页。29/44半导体的抗静电能力ESD破壞案例参考横切面放大(2,000)横切面放大(10,000)第二十九页，共四十三页。30/44静电防护芯片设计的静电防护(治本方法)◆

对许多集成电路,厂家在器件的输入/输出口上多加了一些防静电保护电路,使器件的防静电能力大大提高◆

为了减少保护电路占的面积,提高集成度,降低成本,各家有其独有的技朮,对通用集成电路,有相应的国际或企业的防静电标准.◆防护电路是不能杜绝静电损伤的◆错误的理念:因选用高损伤阀值器件,故ESD防护可以放松!!第三十页，共四十三页。31/44静电防护芯片设计的静电防护电路输入电路第三十一页，共四十三页。32/44静电防护芯片设计的静电防护电路输出电路第三十二页，共四十三页。33/44静电防护全方位静电放电防护电路的安排第三十三页，共四十三页。34/44静电防护静电防护的基本原则(治标方法)◆1.避免静电产生a)潮湿法b)抗静电涂布法c)内部静电剂法◆

2.疏导或中和所产生之静电a)疏导法(典型方法是配戴静电环)b)中和法

◆

3.摒蔽静电场第三十四页，共四十三页。35/44静电防护常用静电防护材料及使用方法◆1.静电环

–由伸缩拉环，内含1MegaΩ±10%电阻之导线及接头所构成。配带静电环时必须注意到：

(a)静电环必须与手紧密接触，不可松脱或套于衣袖上

(b)与接地之间必须保持1MΩ±10%之电阻

(c)接头必须固定妥当，当接头未接地妥当时，不得碰触材料

(d)静电环中接一1MΩ之接地电阻，其目的是保护人员工作之安全。第三十五页，共四十三页。36/44静电防护常用静电防护材料及使用方法◆2.抗静电材料(袋、管、管塞、盒等)–在材料上涂布抗静电液，使材料不会产生静电荷，或仅产生微量的静电荷(通常在100V以下)。此类材料表面电阻要求在<1012Ω/square以下，静电消散时间<2sec。使用此材料应：

(a)此材料仅能防止本身产生静电，而却无法防止静电场破坏

(b)表面涂层必须考虑其有效期

(c)一般工业界会将此类产品制成粉红色第三十六页，共四十三页。37/44静电防护常用静电防护材料及使用方法◆3.静电遮蔽材料(袋、管、管塞、盒等)–此种材料一般含有二或三层，上下(或外)层是抗张力强的抗静电化学合成物质(R<1012Ω/square，静电消散时間<2sec)，中间(或内)层是一层薄薄的金属箔(R<

105Ω/square)。使用时需注意：

(a)避免使用尖锐物品刮坏金属层

(b)封闭的导电袋或容器才有完全之保护第三十七页，共四十三页。38/44静电防护常用静电防护材料及使用方法◆4.防静电工作桌1.人体2.静电环3.防静电桌面4.仪器5.静电鞋6.导电地板第三十八页，共四十三页。39/44静电防护静电防护标示A.〝对ESD敏感〞标示：适用于告知电子零组件对ESD极为敏感，易遭ESD破坏。B.〝对ESD敏感〞+警语之标示：适用于防静电包装袋上。第三十九页，共四十三页。40/44静电防护静电防护标示C.〝保护〞+外弧去斜线之标示：用于工具或材料上已具有控制ESD之功效。D.〝对ESD敏感〞标示亦可用：第四十页，共四十三页。41/44静电防护过程中对ESD之要求◆1.所有生产过程中使用的仪器,设备,加工治具,工作桌等均必须接地;◆2.所有不具有防静电的物品（如纸，产品等）在储存,运输等过程中必须使用防静电材料进行包装,作业时此类物品离产品30cm以外;◆3.所有工作人员在生产区域必须配戴有线静电环,防静电