ESD基础知识培训讲义2

防静电知识2什么叫静电(ESD)什么是静电?ESD-ElectroStaticDischarge静电:处于静止状态下的带电电荷.当两个不同的物体相互接触时就会使得一个物体失去一些电荷如电子转移到另一个物体使其带正电，而另一个体得到一些剩余电子的物体而带负电。若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累使物体带上静电。3梳头、揭塑料纸、走路、冬天脱毛衣、手摸门把手、闪电等.生活中常见的几种静电现象4e-◎以物体抗静导电性来区分材质–导电性(Conductive)材质:表面店电阻系数在105Ω/square以下–静电衰减性(StaticDissipative)材质:表面电阻系数介于105~109Ω/square–抗静电性(Anti-Static)材质:表面电阻系数介于109~1012Ω/square–绝缘体(Insulator)材质:表面电阻系数介于1012Ω/square以上◎摩擦生电7P+7P+7P+7P+e-e-e-e-e-e-e-平衡原子1e-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-静电及静电的产生5◎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静电愈大Air空气Amber琥珀Asbestos石棉AcetateRayon人造丝Aluminum铝Brass,Silver黃銅,銀Cotton棉Gold,Platinum金,白金Fur皮革HardRubber橡胶Glass玻璃Orlon奧龙Hands手Polyester多元脂HumanHair头发PolyurethanePU聚亚氨脂LeadHand石墨PolyvinylPVC聚氯乙烯Mica云母石PolyethylenePE聚乙烯Nylon尼龙PolypropylenePE聚丙烯Paper纸SealingWax蜡RabbitFur兔毛Silicon硅Silk丝Sulfur硫磺Steel钢Teflon铁氟龙Wool羊毛Nickel,Copper鎳,銅Wood木材Negative负性(-)Positive正性(+)静电及静电的产生6静电就在您的周围–人在走路或跑步就可以产生可观的静电，下面是一个量测人体静电的实验静电压量表不锈钢板人(不带静电环)(StaticLocator)(12〞x12〞)绝缘架量测时温度为24.5℃，相对湿度RH为55%.一般地面鞋子(皮鞋或球鞋)导线静电及静电的产生7◎A)上述条件测量结果所穿鞋子动作产生静电压(Volts)皮鞋原地慢速踏步150~200皮鞋原地快速跑步200~250球鞋原地慢速踏步200~250球鞋原地快速跑步250~350◎B)当不同条件下，静电压的变化产生方法10%~20%相对湿度65%~95%相对湿度走过地毯35,0001,500走过塑胶地毯12,000250在椅子上工作6,000100拿起塑胶文件夹7,000600工作椅垫摩擦18,0001,500静电及静电的产生8工作场所中常见的静电产生物质或活动：•工作桌面–一般的塑料、上腊、上漆。•地板–水泥地板、一般塑料地板。•衣服–人造纤维衣服、一般非导电鞋、抹布。•椅子–木材椅、塑料椅、玻璃纤维椅。•包装及运送–塑料袋、泡棉、保丽龙、塑料盒。•组装、加工、测试、修理–喷雾清洁剂、吸锡器、铬铁、刷子、塑料带、热气、烤箱、复写纸。静电及静电的产生9◆抗静电能力的量测(HumanBodyModel)•依MIL-STD-883,Method3015,测试线路图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)RegulationHighVoltagePowerSupplyDCMeterD.U.T.R1R21.5KΩ±5%C1100pf±10%WaveformMeasurtmentTerminalR1-CurrentLimiterRs-RelayC1-人體電容(平均)R2-人體電阻(平均)D.U.T.-待測材料A,B-待測物之接腳ABRS抗静电能力的量测10◎各类半导体材料抗静电能力之比较(NEPCON/WESTReport)晶片种类静电破坏电压(Volts)MOSFET100~200EPROM100~JFET140~7,000Op-Amp190~2,500CMOS250~3,000SCHOTTKYDIODE300~2,500TTL300~2,500BipolarTransistor380~7,000ECL500~SCR680~10,000半导体产品抗静电能力一般来说,静电电压大于50伏,一般零件都可能被损害或降低等级.11依上述量测方法得到的结果,可将材料之抗静电能力区分为类别A与类别B(早期MIL分法)类别耐电压(Min.Volts)材料防静电包装保护需求A20~2000防静电管及导电袋B2000防静电管及防静电袋由上可知,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。而基本上,不同类别的半导体可以不同的等级来做ESD防护,但为方便于处理,通常都以处理较严密的类别A来做防护措施。抗静电能力分类12ESD(静电放射)及危害13◆家中的110V、240V常常因为使用不慎造成伤亡,那动辄几KV之ESD呢?是否会对人体造成伤害呢？◆造成肌肉或心脏麻痹主要的是……电流,尤其是交流电流。◆电流对人体伤害分析表(MIL-STD-454)。電流大(毫安培、mA)AC(60Hz)DC結果0-10-1有知覺1-44-15感到驚訝4-2115-80有反射動作21-4080-160肌肉麻痺40-100160-300休克100以上300以上立即死亡ESD对人体会造成伤害吗14静电对产品的损害小心点！两种方式151.人体放电模式(HumanBodyModel,HBM)顾名思义此为借由人体于走动摩擦产生静电,而影响到组件的模式人体元件(HBM)--------ESD影响质量方式162.电场感应模式(FieldInducedModel,FIM)指由于外来电场感应产生电荷,巧遇机缘而将电荷引导接地引起的模式3.充电组件模式(ChargedDeviceMode,CDM)上述FIM模式中当组件被移离开电场或接地时,就变成CDM模式元件外在电场感应电荷接地造成ESD放电(FIM)(Field)E(Grounded)元件接地消失移离电场(CDM)(Field)ESD影响质量方式17◆ESD破坏的原因：1.功率产生：如热崩溃、金属被熔融2.电压产生：如介电质崩溃、表面崩溃3.潜在性故障：如功能劣化、降级元件被ESD破坏原因181.接面崩熔(JunctionBurnout)过大的电流通过接面时,产生极大的热量,使得接面崩熔.此种破坏是属于接面短路,并有二个特性:A.即使ESD的能量未能打穿接面(JunctionBurnout),也能造成元件的失效。B.正向偏压的ESD破坏能量是负向偏压的5~15倍。2.氧化层贯穿针引线(OxidePunchThrough)通常在金属氧化层半导体(MOS)上可以发现此类型之破坏,这是由于外加的静电压超过了氧化层的崩溃电压所致,其现象亦是短路。EBCEBCESD破坏之型态193.金属层崩熔(MetalizationBurnout)由于过大的电流流经金属层,并在较脆弱的地方产生,由于此种破经常是伴随着接面短路或是氧化层短路之后发生故属于所谓的二次崩溃(SecondaryBreakdown).而其现象为断路。ESD破坏之型态20负伤而行•负伤而行(WalkingWounded)–许多实验证实静电能使半导体负伤,但不会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。•下面是一ESD累积破坏的试验：应用前述HBM接线方式(仅略去人体的电阻R2=1.5KΩ)来量测54S163IC试验条件：试验结果：材料：54s163测试前I=2.883μAPASS人体电容：100pf第一次I=2.883μAPASS每次放电：50V第二次I=2.890μAPASS放电次数：5次第三次I=2.890μAPASS测试点：Vin=Pin2(A)第四次I=1.872mAFAILGND=Pin8(B)第五次I=2.147mAFAIL静电的累积破坏21◇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ESD元器件分析22去铝层之后的接合窗A金属接合窗橫切面放大(2,000)橫切面放大(10,000)ESD元器件分析23◆芯片设计的静电防护(治本方法)本方法乃是静电防护最好的办法,但在设计半导体的抗静电电路时,必须考虑到电路产生热的影响、反应时间、最大电压、能量传导、寄生电容等等因子,故并非随心所欲可以办到。因此静电防护仍必须靠一些治标的方法。◆静电防护的基本原则1.避免静电产生2.疏导或中和所产生之静电3.摒蔽静电场逐一介绍说明如下：ESD静电防护241.避免静电产生(A)潮湿法(Moisturing)水气本身会有导电现象，故可降低绝绿体表面电阻，达到静电防护目的(B)抗静电涂布法(Anti-StaticCoating)–有部份溶液可喷洒于绿体青面降低物体表面电阻，达到静电防护的目的。但此种涂层，日久会脱落而渐渐失去其效果，故必须考虑其有效期。(C)内部静电剂法(ImbededAnfi-StaticAgent)–这是在材料中加入具有导电性或吸湿性的物质，使其外层具有轻微导电性。此方法可以不必考虑有效期，但成本较高。2.疏导或中和静电法(A)疏导法(Bleed-Off)典型的疏导法就是配带静电环(WristStrap)，是将人体产生之静电电荷，藉由导线将所产生之电荷传导出去。通常静电环中会接一1MΩ之接地电阻，以保护人员工作之安全。ESD静电防护25(B)中和法(Neutralization)利用静电消除器(Ionizer)来释出正、负离子以中和消除静电效应。目前常用的静电消除器有下列几种：a.放射性静电消除器–使用放射性物质钋或元素之辐射能来撞击空气使之分裂成等量的正、负离子。使用此Ionizer必须加防护结构。其优点是不需电源容易装置,具有防炸功能;缺点是使用寿命短(每年更换),必须离使用遇火警时极危险。b.高压静电效应消除器–利用针点高压(5KV左右)尖端放电来电离空气分子。此种装置具有高效率及高安全性之特点,所产生之电流仅几微安培(μA),不会产生电击。c.感应静电效应消除器–这是利用带电物质之高电压(对接地点)来电离空气离子。ESD静电防护263.摒蔽静电场(FieldShielding)此种方法乃利用FaradyCage之原理使静电场被摒蔽在容器之外围。左图是－5KV电场下各种容器内测得的静电场,右图是一摒蔽电场之模型。电场无法貫穿仅分布表面电压(kv)时间(秒)01.02.03.01.02.03.0导电袋防静电袋一般PE袋金属容器ESD静电防护27◇各类常用静电防护材料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常用静电防护材料283.静电遮蔽材料(袋、管、管塞、盒等)–此种材料一般含