防静电原理及工艺纪律要求

防静电原理及工艺纪律要求2020年1月22日第一部分：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，staticelectricity)？通俗地来说，静电就是静止不动的电荷。它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（ElectrostaticDischarge，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。表1.1三种过电应力现象的特点比较闪电（Lightning）过电（EOS）静电放电（ESD）极端的高压极大的能量低电压（16V）持续时间较长较低的能量高电压（4kV）持续时间短（几百纳秒）很低的能量快速的上升时间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Ｑ表示，其单位是库仑Ｃ，由于库仑的单位太大通常用微库或纳库1库仑（C）＝106微库（μC）1微库(μC)＝103纳库(nC)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＝(Q×d)/(A×ε)(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。相对湿度事件10％40％50％走过乙烯地毯1200050003000在工作椅上操作人员的移动6000800400将DIP封装的器件从塑料管中取出2000700400将印刷电路板装进泡沫包装盒中21000110005500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相对湿度事件10％40％50％走过乙烯地毯1200050003000在工作椅上操作人员的移动6000800400将DIP封装的器件从塑料管中取出2000700400将印刷电路板装进泡沫包装盒中210001100055001.5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（HumanBodyModel）。RPCP＋－VP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（MachineModel）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。CM＋－VM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模型(Charged-DeviceModel，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相对湿度事件10％40％50％走过乙烯地毯1200050003000在工作椅上操作人员的移动6000800400将DIP封装的器件从塑料管中取出2000700400将印刷电路板装进泡沫包装盒中21000110005500表1.4电子生产中产生的静电势的典型值（单位：V）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器件类型实例静电敏感度(单位kV)MOSFET3CO、3DO系列0.1-0.2JFET3CT系列0.14-1.0GaAsFET0.1-0.3CMOSCO00、CD400系列0.25-2.0HMOS6800系列0.05-0.5E/DMOSZ80系列0.2-1.0VMOS0.03-1.8ECL电路EOOO系列0.3-2.5SCL(可控硅)0.68-1.0S-TTL54S、74S系列0.3-2.5DTL7400、5400系列0.38-7.0石英及压电晶体10.02.1.2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。EOS/ESD装联设计未解决的未证实的晶片制造图2.1Ti公司某一年客户失效器件原因的分析统计ESD/EOS未知原因金丝球焊未证实的见切力其他14种其他原因，每种小于4%图2.21993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(workwounded)”。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)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2－3KV(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