防静电原理及工艺纪律要求.ppt

1、防静电原理及工艺纪律要求,2020年8月12日,江苏省德懿翔宇光电科技有限公司,第一部分：防静电基础知识,引 言,随着电子元器件技术的发展，静电对元器件应用造成的危害越来越明显。 元器件的尺寸越来越小，尤其是微电子器件。 新型特种器件多数也都是静电敏感元器件 。 作为静电主要来源的各种高分子材料被广泛采用。,主要内容,1.1 静电和静电放电的定义和特点 1.2 静电的产生 1.3 静电的来源 1.4 静电放电的三种模式 1.5 静电放电失效,1.1静电和静电放电的定义和特点,什么是静电(Electrostatic，static electricity)？ 通俗地来说，静电就是静止不动的电荷。它

2、一般存在于物体的表面。是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果。静电是通过电子或离子转移而形成的。静电可由物质的接触和分离、静电感应、介质极化和带电微粒的附着等物理过程而产生。,1.1静电和静电放电的定义和特点,那什么是静电放电（Electrostatic Discharge， ESD）呢？ 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。这种转移的方式有多种，如接触放电、空气放电。 一般来说，静电只有在发生静电放电时，才会对元器件造成伤害和损伤。如人体带电时只有接触金属物体、或与他人握手时才会有电击的感觉。,1.1静电和静电放电的定义和特点,静电放电现象虽然是过电应力一种，但与通常所说

3、的过电应力相比有其自身的特点： 首先，电压较高； 其次，持续时间短； 第三，释放的能量较低。,1.2 静电的产生,1.2.1 摩擦产生静电 1.2.2 感应产生静电 1.2.3 静电荷 1.2.4 静电势 1.2.5 影响静电产生和大小的因素,1.2 静电的产生,如果两种不同材料的物件因直接接触或静电感应而导致相互间电荷的转移，使之存在过剩电荷，这样就产生了静电。 带有静电电荷的物体之间或者它们与地之间有一定的电势差，称之为静电势。 静电产生的方式有很多，如接触、摩擦、冲流、冷冻、电解、压电、温差等。 主要是两种形式，即摩擦产生静电和感应产生静电。,1.2.1 摩擦产生静电,只要两种不同的物体

4、接触再分离就会有静电产生。 摩擦生电主要发生在绝缘体之间。 摩擦产生静电的大小主要与摩擦物体本身的材料性质有关； 此外也受到许多因素的影响，如环境的湿度、 摩擦的面积、分离速度、接触压力、表面洁净度等。,1.2.2 感应产生静电,当一个导体靠近带电体时，会受到该带电体形成的静电场的作用，在靠近带电体的导体表面感应出异种电荷 显然，非导体不能通过感应产生静电。,1.2.3 静电荷,静电的实质是存在剩余电荷。电荷是所有的有关静电现象本质方面的物理量。 表示静电电荷量的多少用电量表示，其单位是库仑，由于库仑的单位太大通常用微库或纳库 1库仑（C）106微库（C） 1微库(C) 103纳库 (nC),

5、1.2.4 静电势,带有静电电荷的物体之间或者它们与地之间有一定的电势差，称之为静电势，也叫静电电压。 实际环境中产生的静电电压通常是指带电体与大地之间的电位差。,静电压可表示为 V(Qd)/(A) (1.3),1.2.5 影响静电产生和大小的因素,静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓度有密切的关系。 与普通场所相比，在空气纯净的场所(如超净车间)内，因空气中的离子浓度低，所以静电更加容易产生。见下页表1.4。,表1.4 电子生产中产生的静电势的典型值（单位：V）,1.3 静电的来源,1.3.1 人体静电 1.3.2 仪器和设备的静电 1.3.3 器件本身的静电 1.3.4 其它静电来

6、源,1.3.1 人体静电,人体是最重要的静电源，这主要有三个方面的原因。 其一，人体接触面广，活动范围大。 其二，人体与大地之间的电容低，少量的人体静电荷即可导致很高的静电势。 其三，人体的电阻较低，相当于良导体，人体某一部分带电即可造成全身带电。,1.3.2 仪器和设备的静电,仪器和设备也会由于摩擦或静电感应而带上静电。仪器设备带电后，与元器件接触也会产生静电放电，并造成静电损伤。,1.3.3 器件本身的静电,电子元器件的外壳(主要指陶瓷、玻璃和塑料封装管壳)与绝缘材料相互摩擦，也会产生静电。器件外壳产生静电后，会通过某一接地的管脚或外接引线释放静电，也会对器件造成静电损伤。,1.3.4 其

7、它静电来源,除上述三种静电来源外，在电子元器件的制造、安装、传递、运输、试验、储存、测量和调试等过程中，会遇到各种各样的由绝缘材料制成的物品，如表1.6所列。这些物品相互摩擦或与人体摩擦都会产生很高的静电势。 表1.6 电子元器件操作环境的其它静电源,1.5 静电放电的三种模式,1.5.1 带电人体的放电模式 1.5.2 带电机器的放电模式 1.5.3 充电器件的放电模式,图1.3 人体放电实例 图1.4 充电器件放电实例,1.5.1 带电人体的放电模式,由于人体会与各种物体间发生接触和磨擦，又与元器件接触，所以人体易带静电，也容易对元器件造成静电损伤。普遍认为大部分元器件静电损伤是由人体静电

8、造成的。 带静电的人体可以等效为图1.5的等效电路，这个等效电路又称人体静电放电模型（Human Body Model）。,图1.5 带电人体的静电放电模型,1.5.2 带电机器的放电模式,机器因为摩擦或感应也会带电。带电机器通过电子元器件放电也会造成损伤。机器放电的模型（Machine Model）如图1.6所示。与人体模式相比，机器没有电阻，电容则相对要大。,图1.6 带电机器的放电模型,1.5.3 充电器件的放电模型,在元器件装配、传递、试验、测试、运输和储存的过程中由于壳体与其它材料磨擦，壳体会带静电。一旦元器件引出腿接地时壳体将通过芯体和引出腿对地放电。这种形式的放电可用所谓带电器件

9、模型(Charged-Device Model，CDM)来描述。 双极型器件的CDM等效电路如图1.7(a)所示。 MOS器件的CDM等效电路如图1.7(b)所示。,图1.7 带电器件的静电放电模型 （a） 双极型器件 （b）MOS器件,1.6 静电放电失效,1.6.1 失效模式 电子元器件由静电放电引发的失效可分为突发性失效和潜在性失效两种模式。 据统计，在由静电放电造成的使用失效中，潜在性失效约占90，而突发性失效仅占10。 1.6.2 失效机理 静电放电失效机理可分为过电压场致失效和过电流热致失效。,1.6.2 失效机理,过电压场致失效多发生于M0S器件，包括含有MOS电容或钽电容的双极

10、型电路和混合电路； 过电流热致失效则多发生于双极器件，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。 实际元器件发生哪种失效，取决于静电放电回路的绝缘程度。 无论是过压失效还是过流失效，都必须考虑时间效应。,第一 部分 小结,1.1 静电和静电放电的定义和特点 1.2 静电的产生 1.3 静电的来源 1.4 静电放电的三种模式 1.5 静电放电失效,第二部分：制造过程中的 防静电损伤技术,主要内容,2.1 静电防护的作用和意义 2.2 静电对电子产品的损害 2.3 静电防护的目的和总的原则 2.4 静电防护材料 2.5 静电防护器材 2.6 静电防护的具体措施

11、,2.1 静电防护的作用和意义,2.1.1 多数电子元器件是静电敏感器件 2.1.2 静电对电子行业造成的损失很大 2.1.3 静电对元器件造成的潜在损伤 2.1.4 国内企业的状况,2.1.1 多数电子元器件是静电敏感器件,2.1.1 电子元器件是静电敏感器件,表2.1 一些器件的静电敏感度,2.1.2 静电对电子行业造成的损失很大,电子行业如微电子、光电子的制造和使用厂商因为静电造成的损失和危害是相当严重的，每年的损伤达数十亿美元。,图2.1 Ti公司某一年客户失效器件原因的分析统计,图2.2 1993年从制造商、测试方和使用现场得到的3400例失效案例统计,2.1.3 静电对元器件造成的

12、潜在性损伤,ESD对电子元器件的危害还表现在它的潜在性： 定义： 即器件在受到ESD应力后并不马上失效，而会在使用过程中逐渐退化或突然失效。这时的器件是“带伤工作(work wounded)”。这是人们对静电危害认识不够的一个主要原因。 特点： (1) 无法鉴别和剔除； (2) 累积性。 解决的方法： 避免或减少这种损失的最好办法就是采取静电防护措施，使元器件避免静电放电的危害。,2.1.4 国内外的企业状况,国际上在1979年成立了EOS/ESD研究协会： 美军标883E“微电路试验方法”中关于ESD等级评价的标准已先后7次修订； 美国多数主要的电子制造商在八十年代初也已经建立了他们的ESD

13、组织机构； 我国在这方面的工作起步要晚很多，差距较大： 在静电防护方面，合资和独资企业的状况较好，起步较早，大多参照国外企业的做法，民品企业也已经意识到静电问题重要性，生产线的静电防护方面投入人员和资金，取得了很好的效果。,2.2 静电对电子产品的损害,静电对电子产品的损害有多种形式，并具有自身的特点。 2.2.1 静电损害的形式 2.2.2 静电损害的特点 2.2.3 可能产生静电损害的制造过程,2.2.1 静电损害的形式,静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电位差，会产生放电电流。 这三种特性能对电子元器件的三种影响： (a) 静电吸附灰尘，降低元器件绝缘电阻（缩短寿命）。 (b)

14、静电放电（ESD），造成电子器件破坏。 (c)静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米）频谱极宽 （从几十兆到几千兆），对电子产器造成干扰甚至损坏（电磁 干扰）,2.2.2 静电损害的特点,(1) 隐蔽性 人体感知的静电放电电压为23 KV (2) 潜在性和累积性 (3) 随机性 (4) 复杂性 在分析损伤原因和区别其他损伤方面很复杂,2.2.3 可能产生静电损害的制造过程,(1) 元器件制造过程 在这个过程，包含制造，切割、接线、检验到交货。 (2) 印刷电路版生产过程 收货、验收、储存、插入、焊接、品管、包装到出货。 (3) 设备制造过程 电路板验收、储存、装配、品管、出货。 (4) 设

15、备使用过程 收货、安装、试验、使用及保养。 (5) 设备维修过程,2.3 静电防护的目的和总的原则,2.3.1 目的和原则 2.3.2 基本思想和技术途径,2.3.1 目的和原则,静电防护的根本目的：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，防止因静电的力学和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损害。 原则：静电防护应从控制静电的产生和控制静电的消散两方面进行：控制静电产生主要是控制工艺过程和工艺过程中材料的选择；控制静电的消散则主要是加速静电的泄漏和中和；两者共同作用的结果就有可能使静电

16、电平不超过安全限度，达到静电防护的目的。,2.3.2 基本思想和技术途径,对静电敏感器件进行静电防护和控制的基本思想有两条： (1) 对可能产生静电的地方要防止静电的聚集。 (2) 对已存在的电荷积聚，迅速可靠地消除掉。,2.3.2 基本思想和技术途径,基本途径有： （1）工艺控制法 （2）泄漏法 （3）静电屏蔽法 （4）复合中和法 （5）整净措施,2.3.2 基本思想和技术途径,(1) 工艺控制法 旨在使生产过程中尽量少产生静电荷.为此应从工艺流程、材料选择、设备安装和操作管理等方面采取措施，控制静电的产生和积聚，抑制静电电位和静电放电的能力，使之不超过危害的程度。 (2) 泄漏法 旨在使静

17、电通过泄漏达到消除的目的。通常采用静电接地使电荷向大地泄漏；也有采用增大物体电导的方法使静电沿物体表面或通过内部泄漏，如添加静电剂或增湿。最常见的是工作人员带的防静电腕带，静电接地柱。,(3) 静电屏蔽法 内场屏蔽：用接地的屏蔽罩把带电体与其它物体隔离开来，这样带电体的电场将不会影响周围其它物体。如仪器设备的金属机壳。 外场屏蔽：用屏蔽罩把被隔离的物体包围起来，使其免受外界电场的影响。如GaAs器件包装多采用金属盒或金属膜。 (4) 复合中和法 旨在使静电荷通过复合中和的办法，达到消除的目的。通常利用静电消除器产生带有异号电荷的离子与带电体上的电荷复合，达到中和的目的。 (5) 整净措施 旨在

18、避免尖端放电的现象。为此，应该尽可能使带电体及周围物体的表面保持光滑和洁净，以便减少尖端放电的可能性。,2.3.2 基本思想和技术途径,2.4 主要的静电防护工程器材,2.4.1 防静电材料 2.4.2 静电防护器材,2.4.1 静电防护材料,静电防护材料或防静电材料在静电防护和控制工程中占有重要的地位，由防静电材料制成的静电防护用品如容器、服装、传送带等是制造过程中必不可少的。 2.4.1.1 与静电防护材料有关的基本概念 2.4.1.2 静电防护材料的主要参数,2.4.1.1 与静电防护材料有关的基本概念,电阻和电阻率 体电阻率 表面电阻率 电阻 表面电阻 体电阻,绝缘材料 导电材料 耗散

19、材料 屏蔽材料 抗静电性,2.4.1.2 静电防护材料的主要参数,防静电材料的主要参数 （1） 表征起电能力的参数： 表面静电位U，带电量Q或电荷面密度； （2）表征衰减能力的参数： 表面电阻RS，泄漏电阻R（对制品）； 表面电阻率S 、体电阻率、V（对材料）； 时间常数或静电半衰期t1/2： 对介质，对导体RC （1/e）; t1/2=0.69,2.4.3 静电防护材料的分类,以表面电阻率(单位/)划分如下： 104 105 1012,静电耗散材料,静电绝缘材料,根据防静电材料的来源可以分为天然材料和人造材料两大类。 人造材料主要有两种制造方法： 一是在原来的材料中添加带电性材料或物质，添加

20、的材料或制品具有永久性； 另一种方式是表面涂敷，现在也有耐久的高分子表面活性剂。,2.5 静电防护器材,静电防护器材主要分为两大类: 防静电制品 和 静电消除器 防静电制品是由防静电材料制成的物品，主要作用是防止或减少静电的产生和将产生的静电谢放掉。 静电消除器用来中和那些在绝缘材料上积累的、无法用泄放方法消除的静电电荷。,2.5.1 防静电材料的制品,2.5.1.2 防静电包装和运输制品等,2.5.1.1 防静电服装和腕带,2.5.1.3 防静电地板和台垫,其他,2.5.2 静电消除器（消电器、电中和器或离子平衡器）,静电消除器,消电器的主要类型 感应式消电器； 高压消电器； 放射性同位素消

21、电器； 离子风消电器,2.6 静电防护的具体措施,2.6.1 建立静电安全工作区 2.6.2 包装、运输和存储过程的防静电措施 2.6.3 静电检测 2.6.4 静电防护的管理工作,2.6.1 建立静电安全工作区,图2.9 典型的安全工作区示意图。,静电安工作区的建立主要包括： （1）设置防静电接地系统； （2）铺设防静电地板和台垫； （3）安装静电消除器； （4）工作人员尤其是操作人员的静电防护： （5）正确的操作方法 （6）使用防静电器具：如防静电容器、工具等； （7） 控制防静电工作区的湿度和净度。,2.6.1 建立静电安全工作区,（5）正确的操作方法 拿器件时拿外壳而不触摸管脚引线 电

22、路板安装时最后插入敏感器件 不带电插拔器件和电路板 经常触摸静电接地柱 不做摩擦类动作等 并且防止人和人之间直接传递。,2.6.1 建立静电安全工作区,2.6.2 包装、运送和存储工程的防静电措施,主要目的是防止静电的产生：如采用防静电包装、器件引脚等电位、避免摩擦、即时接地消电等。 由于没有安全工作区或接地系统，必须特别谨慎！ 防静电包装的作用： 1、防止静电的产生和积累；（如抗静电塑料装运管） 2、使器件的所有管脚短路，等电位；（如金属标准，导电泡沫，对I类静电敏感器件） 3、对外电场屏蔽。 运送过程避免摩擦、接触、振动和冲击等；优化传输线的速度、采取消电措施等。,2.6.3 静电检测,(

23、1) 常用的静电检测仪表 静电电位计、兆欧表（高阻表）、腕带检测仪、连接监测仪等。 静电电位计：适于导体的接触式（会改变待测物体的导电状况）和适于绝缘体的非接触式（利用静电感应原理）。 非接触式静电计：直感式、旋转叶片式、振动电容式和集电式。 (2) 静电检测分类 按时间分：经常性、定期性和临时性； 按测试精度分：定量和定性 按场所分：现场测试和试验室测试，,2.6.4 静电防护的管理工作,(1） 建立完整、严格的防静电控制程序，贯彻到设计、采购、生产工艺、质量保证、包装、存储和运输等各环节和部门； （2） 醒目的静电敏感器件标志； （3） 静电防护的培训。,图2.11 各种防静电标记 (a) 防静电工作区 (b)