ESD防护基础知识

静电：物体表面过剩或不足的相对静止不动的电荷。静电是一种电能，它留存于物体表面；静电是正电荷与负电荷在局部范围内失去平衡的结果。静电现象：是电荷的产生和消失过程中产生的电现象的总和。静电引起的自然现象如：闪电等。第一部分：防静电的基本概念一、防静电的基本概念：定义1、静电材料按电阻率划分的静电导体、静电耗散体、静电绝缘体与“动”电（流动的电流）情况下按电阻率划分的导体、半导体、绝缘体完全不同。2、静电具有高电位、低电量、小电流以及作用时间短的特点。3、受环境条件，特别是湿度的影响比较大，静电测量时复现性差，瞬态现象多。1、起电的方式不同2、能量相差很大3、表现形式不同4、欧姆定律的适用性不同二、静电的主要特点三、静电与工业电的区别1.由于电子的得与失使物体失去电平衡，就产生了静电。静电产生的基本过程可归纳为：接触→电荷转移→偶电层的形成→电荷分离。2.物体的起电方式主要有：1）物体间的摩擦，产生的热可使电子转移，产生静电；2）物体间的接触与分离；3）电磁感应；4）摩擦与电磁感应综合效应。常用物品摩擦起电序列四、物体的起电方式静电荷通过中和与泄漏自行消失的现象称为电荷的消散或衰减，电荷一般按指数规律衰减。六、静电积累规律静电的起电与衰减两个相反的过程同时存在，一般把静电荷的起电与衰减达到动态平衡称为电荷的净积累规律。五、静电衰减规律六、静电效应物体带静电后主要会产生以下效应：1、静电力学效应，包括静电引力、静电排斥力2、静电感应效应3、静电放电效应主要是利用电荷的同性相吸、异性相斥和静电吸附的特性，主要应用在：1、静电除尘技术2、静电复印与摄影技术3、静电涂覆技术4、静电分选技术5、静电生物效应等七、静电的应用技术八、人体静电人体静电：指由于自身行动或与其它的带电物体相接触或相接近而在人体上产生并积聚的静电。人体静电的起电方式主要有：①、步行起电。②、摩擦起电。③、静电感应起电。④、接触传导带电。静电放电（ESD）:当带电体上的电荷所产生的电场，其电场强度超过周围介质的绝缘击穿电场强度时，带电体表面附近的介质就发生电离，引起静电电荷转移，因而使带电体上电荷趋向减少或消失，这种情况又叫静电放电。（Electrostaticdischarge，缩写为ESD）九、静电放电效应右图是ESD对电子元件的损害，箭头所指处为静电放电后造成的“爪型脚”，使集成电路部分损坏。（该图放大320倍）十、静电放电损伤1.即时失效：又称为硬击穿或突发性完全失效,它是器件的一个或多个电参数突然劣化,完全失去规定功能的一种失效。2.延时失效：如果带电体的静电位或存贮的静电能量较低，仅能供给短暂发生的局部击穿能量，或ESD回路有限流电阻存在，一次ESD脉冲不足以引起器件发生突发性完全失效，但它会在器件内部造成轻微的损伤，使器件的性能劣化或参数指标下降，降低了器件抗静电的能力、使用可靠性与寿命，使其运行一段时间后，出现故障而不能正常工作。十一、ESD损伤的失效模式1.典型的ESD失效机理包括：1)热二次击穿、2)金属化熔融、3)体击穿、4)介质击穿、5)气弧放电、6)表面击穿。前三者的失效机理与能量有关，而后三者的失效机理与电压有关。2.典型ESDs器件失效分析示例表十二、典型的ESD损伤失效机理组成部分元器件类型失效机理失效标志MOS结构MOSFET、MOSIC等由于电压过高引起介质击穿短路半导体结二极管、晶体管、可控硅等能量集中，热二次击穿短路薄膜电阻混合IC、密封薄膜电阻器介质击穿或热量有关的微通道破坏电阻漂移金属化条单片或混合IC与焦耳热量有关的金属烧毁开路场效应结构石英陶瓷封装LSI或EPROM电荷注入绝缘材料性能退化压电晶体晶振、声表面波器件电压过量使机械压力造成晶体断裂性能退化近间距电极未钝化金属、未防护半导体电弧放电使电极金属熔融或烧毁性能退化3.SSD：在日常操作、贮存、传递、测试过程中容易因静电放电而引起损伤的器件称为静电敏感器件。（ElectrostaticSensitiveDevice）典型器件静电敏感度元器件类型损坏电压(V)元器件类型损坏电压(V)Pentium5J.FET140V.MOS30SAW150MOSFET100OPAMP190EPROM100CMOS2504.操作者典型活动产生的静电电压人体动作相对湿度下静电电压(V)10％40％55％人在塑胶地板上行走1200050003000人在工作台面上工作6000800400从塑料管中取出DIP2000700400从塑料盘中取出DIP1150040002000从泡沫塑料中取出DIP1450050003500从塑料包装中取出PCB26000200007000用泡沫塑料包装PCB21000110005500由于器件集成度的不断提高，电路密集度更高，致使其耐击穿电压愈来愈低。静电在电子工业中被称为“看不见的敌人，无处不在的杀手”。一般情况下，几千伏的静电电压不易被人体感知，人体能感觉到静电电击时的静电电压一般在3KV－4KV以上，在5KV以上静电电压才能看到静电放电火花，然而一般器件可能早已损坏。对静电的防护主要应致力于防患于未然，对ESD进行综合防护。第二部分ESD防护技术一.ESD防护的必要性二.人体带电电位与静电电击程度的关系位(伏)电击程度备注1000完全无感觉䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü2000手指外侧有感觉。但不疼发出微弱的放电声2500有针触的感觉，有哆嗦感，但不疼䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü3000有被针刺的感觉，微疼䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü4000有被针深刺的感觉，手指微疼见到放电的微光5000从手掌到前腕感到疼指尖延伸出微光6000手指感到剧疼，后腕感到沉重䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü7000手指和手掌感到剧疼，稍有麻木感觉䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü8000从手掌到前腕有麻木感觉䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü9000手腕子感到剧疼，手感到麻木沉重䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü10000整个手感到疼，有电流过的感觉䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü11000手指剧麻，整个手感到被强烈电击䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü12000整个手感到被强烈地电击䦋㌌㏒㧀낈ᖺ琰茞ᓀ㵂Ü静电损伤失效模式比较半导体失效率的分配1.SMT组装过程中静电防护的根本目的是：在元器件、组件的制造和使用过程中，通过各种防护手段，防止因静电的放电效应而产生或可能产生的损害，或将这些损害限制在最小的程度，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。2.静电防护的基本原则“防”—防止静电场，有效抑制或减少静电荷的产生，严格控制静电源。“泄”—迅速、安全、有效地消除已经产生的静电荷，避免静电荷的积聚。“控”—对所有防静电措施的有效性进行实时监控，定期检测、维护和检验。二.SMT组装过程中静电防护的根本目的①.工艺控制法②.泄漏法③.静电屏蔽法④.复合中和法⑤.整静措施四、全面、综合、配套的静电防护内容1.在每个即使细小的环节，利用一些必要的、有效的静电防护手段，选用优质的防护技术产品；2.制定完善的静电防护管理规程，并切实有效地贯彻执行。三、静电的基本防护途径3.防静电工作区标记根据GJB3007-97国家军标规定：A级防静电工作区允许的对地静电电位不超过±100V；B级防静电工作区是指允许的对地静电电位不超过±1000V。4.防静电工作区系统电阻的确定静电的泄放必须“安全”，所谓“安全性”是指无论对元器件，还是人身都必须保证绝对的安全。安全性有两个指标：一是静电电压必须在1秒钟内降至100V；二是放电电流不能高于5mA。因此静电防护的系统电阻选择在：106Ω-109Ω。5.ESD防护过程控制要求静电的泄放必须“安全”，所谓“安全性”是指无论对元器件，还是人身都必须保证绝对的安全。安全性有两个指标：一是静电电压必须在1秒钟内降至100V；二是放电电流不能高于5mA。因此静电防护的系统电阻选择在：106Ω-109Ω。6.ESD防护过程控制要求三、静电的基本防护途径5.ESD防护过程控制要求静电的泄放必须“安全”，所谓“安全性”是指无论对元器件，还是人身都必须保证绝对的安全。安全性有两个指标：一是静电电压必须在1秒钟内降至100V；二是放电电流不能高于5mA。因此静电防护的系统电阻选择在：106Ω-109Ω。6.ESD防护过程控制要求三、静电的基本防护途径●防静电设施与地的连接可能产生松动或脱落；●防静电桌面随着使用时间的延长而发生失效；●腕带损坏,或其内部出现断线而连接不可靠;●腕带的佩戴不规范，如不戴、松弛、没有紧贴皮肤等。四、ESD防护系统失效的主要原因五、ESD防护过程控制要求1.防静电手腕带的正确佩戴是：使用通过安全性检查的手腕带，将长度适当的松紧圈直接佩戴在手腕上，并与皮肤良好接触；接触集成电路或已贴装集成电路的PCB时将鳄鱼夹夹持在接地良好的接地端，鳄鱼夹、接地线等裸露部分不得与设备、线体、工作台等的金属件接触。2.在手腕带佩戴上，禁止1)将手腕带缠绕在手腕上，而不将其接地；2)将手腕带佩戴在衣服袖口上或将其藏在防静电工作服的松紧袖口内；3)将鳄鱼夹直接夹持在设备、线体外壳上或非专用静电接地端的其它点上。★防静电手腕带的佩戴4.ESD防护过程控制要求1)静电防护是一个系统工程，渗透到生产的全过程，每个环节都必须同样重视，万不可厚此薄彼。2)防静电工程涉及的部门众多，需要相互协调、共同努力，各司其职，ESD才能得到有效控制。3)静电防护在很大程度上是提高静电防护意识问题，提高所有接触静电敏感器件人员的静电防护意识，定期进行静电防护安全操作与静电防护技术培训是非常重要的。4)制定完善的静电防护管理规程，实行有效的管理和监控，最大限度地减少或避免静电的危害。完备的静电防护硬件系统包括：A.人体静电防护、B.环境静电防护、C.操作系统静电防护、D.静电保护接地、E.离子风静电消除器、F.静电检测及监控仪表、G.防护措施的日常维护六、静电防护系统的组成人体在日常活动和生产操作中可产生的电压为数十伏到数万伏的静电，而放电过程是及其短促的，所以静电放电过程中释放的能量可达几十瓦，这足以引起芯片微区烧毁或SiO2膜击穿。因此对进入防静电工作区（包括生产、仓储、运输过程）的人员均要进行静电防护，其中首要的是配备防静电服、防静电手腕带和防静电鞋。人体所携带的静电，一是可以通过接地良好的防静电手腕带及时泄放，另一方面防静电鞋与防静电地面的配合使用，可以及时有效地泄放人员在运动中产生的静电，减少人体所携带的静电。七、人体静电防护防静电工作区的地面、墙壁、天花板，按国家标准要求因选用防静电材料，地面是一个静电产生的主要来源，因此必须重视工作区地面的静电防护。地面的处理方法有：1、防静电地板漆、2、防静电PVC贴面地板、3、防静电橡胶地板4、防静电环氧自流坪5、防静电高架地板八、环境静电防护防静电操作系统是根据防静电要求，为建立保护区域和进行保护性操作所必须配置的设施和工具的总称。1、防静电安全工作台及防静电桌垫2、防静电地垫3、防静电区域警示标志4、防静电元件盒（袋）5、防静电周转车、周转箱6、接地工具和设备7、其它保护设备九、防静电操作系统的组成