ESD教育训练资料

1、2020/7/7,1,ESD個人靜電防護,ESD(靜電放電)簡介 電子產品製程作業之ESD防制措施,7/29.2005,2020/7/7,2,講義主題,一、ESD(靜電放電)簡介. 1.何謂靜電放電. 2.靜電產生的來源. 3.影響摩擦生電的因素. 4.監測靜電實驗條件與結果 5.典型的ESD電壓. 6.半導體產品抗靜電能力 7.電子元件之ESD破壞機制. 8. ESD的影響. 9. ESD破壞分析. 10.靜電防護用品點檢方式. 11. ESD防制設施之檢查週期及合格標準.,二、電子產品製程作業之ESD防制措施. 1.ESD防護用品. 2.如何預防ESD破壞. 4. ESD防護的標示. 5.

2、有效的查核現場ESD防護作業. 6.結論.,2020/7/7,3,何謂靜電放電,1. ESD: Electro Static Discharge. 2.何謂靜電 物質表面經由摩擦而失去(+)電子或得到(-)電子,使帶靜止的電荷. 3.何謂靜電放電 電位不同之物體間的電荷轉移,不一定伴隨有電弧或火花發生. 簡單來說;即是物體間有電位差,造成電位轉移.,靜電放電(ESD)簡介, 嚴寒的冬天，當您脫下暖和的毛衣，您會聽到嗶嗶啪啪聲 乾燥的冷天，當伸手去開車門或窗戶，會感到觸電的感覺 用手去撫摸家裡的貓，您會發現貓竟然怒髮衝冠, 這些就是靜電瞬間洩放(ESD)所主導產生的現象 其實靜電並不僅由人為才會

3、產生，例如 空中對流的雲層 沙漠中隨風飄起的砂,2020/7/7,4,靜電產生的來源,摩擦生電 (Triboelectric) 感應 (Induction) 光電效應 (Photoelectric effect) 粒子波 (Particle Beam) 結冰 (Freezing) 噴霧 (Spray)., 靜電是史載最早發現的一種電 靜電其實是自從有人類以來，就影響著人類的生活 西元前 640年， 希臘哲學家 THACES 把琥珀(Amber)摩擦後發現可以吸附毛髮，而開始知道靜電的存在 靜電的形成 導 體 具有可移動的電子或價電子 (Valence Electrons) 在原子結構的最外層，

4、亦即受原子核 (Nuclei) 的 束縛最小，當受到外來電場的吸引而移動 (產生電流) ，此類物質稱為導體 絕緣體 缺乏上述可移動的電子或價電子的物質，稱為絕緣体,靜電放電(ESD)簡介,2020/7/7,5,影響摩擦生電的因素,物質材料 接觸面積 相對濕度 摩擦頻率,靜電放電(ESD)簡介,2020/7/7,6,影響摩擦生電的因素,靜電放電(ESD)簡介,以物体抗靜導電性來區分材質 導電性 (Conductive)材質: 表面店電阻係數在 105/square 以下 靜電衰減性(Static Dissipative)材質:表面電阻係數介於105 109 /square 抗靜電性(Anti-S

5、tatic)材質:表面電阻係數介於109 1012 /square 絕緣体(Insulator)材質:表面電阻係數介於 1012 /square以上 摩擦生電,7P+,7P+,7P+,7P+,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,平衡原子 1,e -,平衡原子 2,帶負電原子,帶正電原子,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,摩 擦,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,e -,2020/7/7,7,影響摩擦生電的因素,靜電放電(ESD)簡介,物質產生靜電大小排列如下表, 其中愈正性與愈負性物質互相摩

6、擦產生之靜電愈大. Air 空氣 Amber 琥珀 Hands 手 Sealing Wax 蠟 Asbestos石棉Hard Rubber 橡膠 Rabbit Fur 兔毛 Nickel , Copper 鎳 , 銅 Glass 玻璃Brass , Silver 黃銅 , 銀 Mica 雲母Gold , Platinum 金 , 白金 Human Hair 頭髮Acetate Rayon 人造絲 Nylon 尼龍 Sulfur 硫磺 Wool 羊毛Polyester 多元脂 Fur 皮革Orlon 奧龍 Lead Hand 石墨 Poly urethane PU聚亞氨脂 Silk 絲 Poly

7、ethylene PE聚乙烯 Aluminum 鋁 Polypropylene PP聚丙烯 Paper 紙 Polyvinyl PVC聚氯乙烯 Cotton 棉 Silicon 矽 Steel 鋼絲Teflon 鐵弗龍 Wood 木材,Positive 正 性 ( + ),Negative 負 性 ( - ),2020/7/7,8,影響摩擦生電的因素,靜電放電(ESD)簡介,工作場所中常見的靜電產生物質或活動 ： 工作桌面 一般的塑膠、上臘、上漆。 地 板 水泥地板、一般塑膠地板。 衣 服 人造纖維衣服、一般非導電鞋、 抹布。 椅 子 木材椅、塑膠椅、玻璃纖維椅。 包裝及運送 塑膠袋、泡棉、保

8、麗龍、塑膠盒。 組裝、加工、測試、修理 噴霧清潔劑、吸錫器、鉻鐵、 刷子 、塑膠帶、 熱氣、烤箱、 複寫紙。,2020/7/7,9,監測靜電實驗條件,靜電放電(ESD)簡介,靜電就在您的週圍人在走路或跑步就可以產生可觀的靜電 下面是一個量測人體靜電的實驗 靜電壓量表 不銹鋼板 人(不帶靜電環) (Static Locator) ( 12x 12),絕緣架,量測時溫度為24.5，相對濕度 RH 為55 %,一般地面,鞋子(皮鞋或球鞋),導 線,2020/7/7,10,監測靜電實驗結果,靜電放電(ESD)簡介, A)上述條件測量結果 所穿鞋子 動 作 產生靜電壓(Volts) 皮 鞋 原地慢速踏步

9、 150200 皮 鞋 原地快速跑步 200250 球 鞋 原地慢速踏步 200250 球 鞋 原地快速跑步 250350 B)當不同條件下，靜電壓之變化 產生方法 10%20%相對濕度 65%95%相對濕度 走過地毯 35,000 1,500 走過塑膠地毯 12,000 250 在椅子上工作 6,000 100 拿起塑膠文件夾 7,000 600 工作椅墊摩擦 18,000 1,500,2020/7/7,11,典型的ESD電壓,靜電放電(ESD)簡介,2020/7/7,12,半導體產品抗靜電能力,靜電放電(ESD)簡介, 抗靜電能力之量測(Human Body Model) 依 MIL-ST

10、D-883，Method 3015， 測試線路圖 ：,1. Input (A) , Common (B) 2. Output (B) , Common (A) 3. Input (A) , Output (B) 4. V+ (A) , Common (B) 5. V+ (B) , Common (A),2020/7/7,13,半導體產品抗靜電能力,靜電放電(ESD)簡介,各類半導體材料抗靜電能力之比較(NEPCON/ WEST Report) 晶片種類 靜電破壞電壓(Volts) MOSFET 100200 EPROM 100 JFET 1407,000 Op-Amp 1902,500 CMO

11、S 2503,000 SCHOTTKY DIODE 3002,500 TTL 3002,500 Bipolar Transistor 3807,000 ECL 500 SCR 68010,000,2020/7/7,14,半導體產品抗靜電能力,靜電放電(ESD)簡介, 抗靜電能力之分類 依上述量測方法得到的結果，可將材料之 抗靜電能力區分為Category A與Category B(早期MIL分法) 類別 耐電壓 (Min. Volts) 材料防靜電包裝保護需求 A 20 2000 防靜電管及導電袋 B 2000 防靜電管及防靜電袋 由上可知，大體而言只要100V以上的靜電壓就可以對半導体產生傷

12、害，故 ESD 之防護工作，我們不可不慎。 而基本上，不同Category 之半導體可以不同的等級來做ESD防護，但為方便於處理，通常都以處理較嚴密的Category A來做防護措施。,2020/7/7,15,電子元件之ESD破壞機制,1.人體帶電模型 (HBM) Human Body Model 2. 機器帶電模型 (MM) Machine Model 3. 元件帶電模型 (CDM) Charged Device Model 4. 感應充電及放電 (FIM) Induced Charge and Discharge,靜電放電(ESD)簡介,2020/7/7,16,電子元件之ESD破壞機制,靜

13、電放電(ESD)簡介,1. 人體放電模式(Human Body Model , HBM) 顧名思義知道此為借由人體於走動摩擦產生靜電，而影響 到元件的模式,人 體,元 件,( HBM ),-,-,2020/7/7,17,電子元件之ESD破壞機制,靜電放電(ESD)簡介,元 件,外在電場感應電荷,(FIM),(Field),E,元 件,接地造成放電,移離電場,(CDM),(Field),(Ground),移除,2. 電場感應模式(Field Induced Model , FIM) 指由於外來電場感應產生電荷. 3. 充電元件模式(Charged Device Mode,CDM) 上述FIM模式

14、中當元件被移離開電場,巧遇機緣將電荷引 導接地就變成導接地就變成CDM模式,2020/7/7,18,ESD的影響,*ESD事件會產生局部高溫或電位差,造成半導體元件的損壞(功率). *在許多情況下,破壞電壓的臨界質很低(電壓產生). *可能發生在製程中或使用中的任何階段(潛在性障礙). 如:wafer processing,packaging,testing,board,assembly, transportation,in the field. *成本問題;客戶抱怨;商譽的損失. -如果是潛在故障,成本損失將更為龐大.,靜電放電(ESD)簡介,2020/7/7,19,ESD的影響,靜電放電(

15、ESD)簡介, ESD 對人体會造成傷害嗎？ 家中的110V、240V常常因為使用不慎造成傷亡，那動輒幾KV 之ESD呢？是否會對人體造成傷害呢？ 造成肌肉或心臟麻痺主要的是電流，尤其是交流電流。 電流對人體傷害分析表 (MIL-STD-454) 。 電 流 (毫安培 、mA) AC (60Hz) DC 結 果 0-1 0-1 有知覺 1-4 4-15 感到驚訝 4-21 15-80 有反射動作 21-40 80-160 肌肉麻痺 40-100 160-300 休克 100 以上 300 以上 立即死亡,2020/7/7,20,ESD的影響,靜電放電(ESD)簡介, ESD破壞之型態 1. 接

16、面崩熔（Junction Burnout） 過大的電流通過接面時，產生極大的熱量，使得接面崩熔。此種破壞是屬於接面短路，並有二個特性 A.即使ESD的能量未能打穿接面（Junction Burnout），也能造成元件的失效 B. 正向偏壓的ESD破壞能量是負向偏壓的515倍 2. 氧化層貫穿針引線（Oxide Punch Through） 通常在金屬氧化層半導體（MOS）上可以發現此類型之破壞，這是由於外加的靜電壓超過了氧化層的崩潰電壓所致。其現象亦是短路。,E B C,E B C,2020/7/7,21,ESD的影響,靜電放電(ESD)簡介,3. 金屬層崩熔（Metalization Bur

17、nout） 由於過大的電流流經金屬層，並在較脆弱的地方產生，由於此種破經常是伴隨著接面短路或是氧化層短路之後發生故屬於所謂的二次崩潰（Secondary Breakdown）。而其現象為斷路。,2020/7/7,22,ESD的影響,靜電放電(ESD)簡介, 靜電的累積破壞 負傷而行 負傷而行（Walking Wounded） 許多實驗證實靜電能使半導體負傷，但不玫立即完全破壞其功能，而且有多數這些負傷而行的元件都能通過測試直到這些元件送到客戶之後，隨時會從負傷而行變成完全失效。 下面是一ESD累積破壞的試驗： 應用前述HBM接線方式（僅略去人體的電阻R2=1.5K）來 量測54S163IC 試

18、驗條件： 試驗結果： 材料：54s163 測試前 I=2.883A PASS 人體電容：100pf 第一次 I=2.883A PASS 每次放電：50V 第二次 I=2.890A PASS 放電次數：5次 第三次 I=2.890A PASS 測試點：Vin=Pin2 (A) 第四次 I=1.872mA FAIL GND=Pin8 (B) 第五次 I=2.147mA FAIL,2020/7/7,23,ESD破壞分析,靜電放電(ESD)簡介, 找出PCB上之故障元件 對故障元件進行基本電性量測 功能測試 參數測試 X-ray做表層分析 去封膠（Decapsulate）檢視內部 去除各層（玻璃層、鋁

19、層）層層檢視 幾種遭ESD破壞案例參考,2020/7/7,24,ESD破壞分析,靜電放電(ESD)簡介,接合窗放大10,000之後可見貫穿現象,金屬接合窗,橫 切 面 放 大 (2,000),橫 切 面 放 大 (10,000),2020/7/7,25,靜電防護用品點檢方式,靜電放電(ESD)簡介,2020/7/7,26,靜電防護用品點檢方式,靜電放電(ESD)簡介,2020/7/7,27,電子產品製程作業之ESD防制措施,ESD防制設施之檢查週期及合格標準,2020/7/7,28,ESD防護用品,導電地板. 防靜(導)電手環. 抗靜(導)電鞋. 抗靜電桌墊. 導電箱(盒). 導電椅. 導電台

20、車.,電子產品製程作業之ESD防制措施,2020/7/7,29,ESD防護用品,防靜電手套. 離子風扇. 防靜電袋.,電子產品製程作業之ESD防制措施,2020/7/7,30,ESD防護用品,電子產品製程作業之ESD防制措施,1. 靜電環 由伸縮拉環，內含1Mega 10%電阻之導線及接頭所構成。 配帶靜電環時必須注意到： (a)靜電環必須與手緊密接觸， 不可鬆脫或套於衣袖上 (b)與接地之間必須保持1M 10%之電阻 (c)接頭必須固定妥當， 當接頭未接地妥當時，不得碰觸材料 2.抗靜電材料(袋、管、管塞、盒等) 在材料上塗佈抗靜電液， 使材料不會產生靜電荷，或僅產生微量的靜電荷(通常在10

21、0V以下)。此類材料表面電阻要求在1012/square以下，靜電消散時間2sec。使用此材料應： (a)此材料僅能防止本身產生靜電，而卻無法防止靜電場破壞 (b)表面塗層必須考慮其有效期 (c)一般工業界會將此類產品製成粉紅色,2020/7/7,31,ESD防護用品,電子產品製程作業之ESD防制措施,3. 靜電遮蔽材料(袋、管、管塞、盒等) 此種材料一般含有二或三層，上下(或外)層是抗張力強的抗靜電化學合成物質(R1012/square，靜電消散時間2sec) ，中間(或內)層是一層薄薄的金屬箔(105 R 109 /square)。使用時需注意： (a) 避免使用尖銳物品刮壞金屬層 (b)

22、封閉的導電袋或容器才有完全之保護 4.靜電消除器 利用儀器所產生的大量離子，將絕緣體表面的靜電予以中和。使用靜電消除器必須注意： (a)靜電消除器必須在工作範圍45呎內方為有效區域 (b)靜電消除器必須定期清理所積聚之灰塵，至少3個月內清理一次 (c)靜電消除器必須定期檢查其離子是否平衡 (d)靜電消除器會產生臭氧(O3) 對人體無害(有益) ，但臭氧濃度不可超過0.1DPP M ，否則其異味會使人難以忍受,2020/7/7,32,ESD防護用品,電子產品製程作業之ESD防制措施,5. 防靜電工作桌,1. 人體 2. 靜電環 3. 防靜電桌面 4. 儀器 5. 靜電鞋 6. 導電地板,2020

23、/7/7,33,ESD防護用品,電子產品製程作業之ESD防制措施,Remarks：各接地點之標準接法,4.其它常用抗靜電材料： (a)防靜電手套、指套、袖套 (b)導電手套、袖套 (c)靜電消除劑 (d)靜電鞋,2020/7/7,34,如何預防ESD破壞,接觸靜電敏感元件一定要配戴導電手環.(有線) 靜電敏感元件需放置防潮箱或防靜電盒內. 產品設計需將ESD保護線路列入. 人員及設備需接地. 靜電敏感元件於產線上需使用離子風扇.,電子產品製程作業之ESD防制措施,2020/7/7,35,如何預防ESD破壞,1. 導電手環之腕帶須配戴於手腕之上，不得戴於腳上或身體其 他部位，且需確實貼緊皮膚。,

24、2. 工作站之工作桌面均需舖上防靜電桌墊。,3. 防靜電桌墊、導電地墊、導電手環使用時須確實接地。,4. 裝載運送之半成品台車，需加裝鐵鍊，並垂下與地面接觸(接 觸長度約1015公分），以達接地效果。,5. 裝載敏感性原件及散料之物料架，一律需適當接地。,電子產品製程作業之ESD防制措施,2020/7/7,36,如何預防ESD破壞,電子產品製程作業之ESD防制措施, 晶片設計的靜電防護(治本方法) 本方法乃是靜電防護最好的辦法，但在設計半導體的抗靜電電路時，必須考慮到電路產生熱的影響、反應時間、 最大電壓、 能量傳導、 寄生電容等等因子，故並非隨心所欲可以辦到。因此靜電防護仍必須靠一些治標的方

25、法。 靜電防護的基本原則 1. 避免靜電產生 2. 疏導或中和所產生之靜電 3. 摒蔽靜電場 逐一介紹說明如下：,2020/7/7,37,如何預防ESD破壞,電子產品製程作業之ESD防制措施,1. 避免靜電產生 (A) 潮溼法(Moisturizing)水氣本身會有導電現象，故可降低絕綠體表面電阻，達到靜電防護目的 (B) 抗靜電塗佈法(Anti-Static Coating) 有部份溶液可噴灑於絕緣體表面降低物體表面電阻，達到靜電防護的目的。但此種塗層，日久會脫落而漸漸失去其效果，故必須考慮其有效期。 (C) 內部靜電劑法(Imbedded Anti-Static Agent) 這是在材料中

26、加入具有導電性或吸溼性的物質，使其外層具有輕微導電性。此方法可以不必考慮有效期，但成本較高。 2. 疏導或中和靜電法 (A) 疏導法(Bleed-Off) 典型的疏導法就是配帶靜電環(Wrist Strap)，是將人體產生之靜電電荷，藉由導線將所產生之電荷傳導出去。通常靜電環中會接一1M之接地電阻，以保護人員工作之安全。,2020/7/7,38,如何預防ESD破壞,電子產品製程作業之ESD防制措施,(B) 中和法(Neutralization) 利用靜電消除器(Ionizer)來釋出正、負離子以中和消除靜電效應。目前常用的靜電消除器有下列幾種： a. 放射性靜電消除器 使用放射性物質如釙元素之

27、輻射能來撞擊空氣使之分裂成等量的正、負離子。使用此Ionizer必須加防護結構。其優點是不需電源容易裝置，具有防炸功能；缺點是使用壽命短(每年更換)，必須隔離使用遇火警時極危險。 b. 高壓放電效應消除器 利用針點高壓(5KV左右)尖端放電來電離空氣分子。此種裝置具有高效率及高安全性之特點，所產生之電流僅幾微安培(A)，不會產生電擊。 c. 感應靜電效應消除器 這是利用帶電物質之高電壓(對接地點)來電離空氣離子,2020/7/7,39,如何預防ESD破壞,電子產品製程作業之ESD防制措施,3. 摒蔽靜電場（Static Field Shielding） 此種方法乃利用Faraday Cage

28、之原理使靜電場被摒蔽在容器之外圍。左圖是5KV電場下各種容器內測得的靜電場，右圖是一摒蔽電場之模型,電場無法貫穿僅分佈表面,電 壓,(kv),時間 (秒),0,1.0,2.0,3.0,1.0,2.0,3.0,導電袋,防靜電袋,一般PE袋,金 屬 容 器,2020/7/7,40,ESD防護的標示,目的是使圖形及文字的標示讓工作人員做好靜電防護,讓ESDS元件不致遭受破壞. 間接提醒進入ESD防護廠區之人員,可立即做好ESD必要之防護工作.,電子產品製程作業之ESD防制措施,2020/7/7,41,ESD防護的標示,電子產品製程作業之ESD防制措施,A.對ESD敏感標示： C.對ESD敏感+外弧去

29、斜之標示: 適用於告知電子零組件對ESD 用於工具或材料上已具有控制ESD極為敏感，易遭ESD破壞。之功效。 B.對ESD敏感+警語之標示： D.對ESD敏感標示亦可用： 適用於防靜電包裝袋上。,2020/7/7,42,有效的查核現場ESD防護作業,分析公司現有產品的ESD敏感程度,並作分極. 工作區域需有ESD防護說明及文件. 定期針對靜電防制做內部教育訓練. 工作環境的靜電需高於標準.,電子產品製程作業之ESD防制措施,2020/7/7,43,有效的查核現場ESD防護作業,電子產品製程作業之ESD防制措施,設備要求 1.設備機殼：AC-INPUT一律使用三插頭有接地端子電源線，設備外殼一律接地。(AI 、 RI、SMD 、加工成型機、測試儀器、錫爐等) 2.外加工治具：一律使用金屬製作，並接地處理。(含散熱片鎖附治具) 3.維修站：工作台表面，需鋪上靜電墊，其表面阻值為105 109/SQUARE ，人員、儀器皆需確實接地 4.鉻鐵：外殼需接地處理 5.零件盒：半導體之零件被裝置或取出時，作業人員需配帶靜電環，零件放於導電容器或導電之零件盒中。半導體零件嚴禁放置於塑膠容器(非靜電盒)或保麗龍容器中,2020/7/7,44,有效的查核現場ESD防護作業,電子產品製程作業之ESD防制措施,搬運要求 1.靜電盒：石墨型(黑色，永久型)規格為105109/SQUARE， 可使用期