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防静电基础知识培训教材12/30/20231目目 录录一.静电基本概念及产生原理二.静电对电子工业的危害三.静电的防护与控制四.静电标示及其意义五.生产现场静电防护实例12/30/2023212/30/20233静电的基本概念之一静电（Electrostatic）就是物体表面过剩和不足的静止电荷，静电是一种电能，它留存与物体表面；静电是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果；静电是通过电子和离子的转移而形成的。静电放电（ESD Electrotatic Discharge）：带有不同静电电势的物体或表面之间的静电电荷转移。有两种形式：接触放电，电场击穿放电。静 电 敏 感 度(ESDS Electrostatic Discharge Sensitivity)静电敏感器件(ESSD Electrostatic Sensitive Devices)EPA:ESD Protect Area(ESD防护区域)ECA:ESD Control Area(ESD控制区域)-+12/30/20234静电的基本概念之二n静电问题依附于物体（气、液、固体）而存在。如果物体带有过剩的电荷则成为带电体。物体间的电荷转移过程就是起电过程。n静电产生的方式很多，接触、摩擦、冲流、冷冻、电解、压电、温差等都可以产生静电。但基本过程可归纳为：接触-电荷转移-偶电层的形成-电荷分离。人体的充电过程剥离带电摩擦带电12/30/20235静电的基本概念之三n在一般工业生产中，静电具有高电位、低电量、小电流（脉冲电流，有争议）和作用时间短的特点，设备或人体的静电位最高可达数万伏以至数十万伏；这要比市电220v、380v高得多。但所积累的静电量却很低，通常为微库仑级；静电电流多为毫安级；作用时间多为毫秒级。n静电通世界上任何事物一样具有两重性：既能为人类造福，如静电复印、静电涂敷、静电除尘等静电应用技术；亦会带来许多危害，诸如石化、电子及电工领域。就电子元器件的生产及电子设备的装联、调试作业而言，因接触摩擦起电、人体静电与接地问题能造成很大经济损失。初步研究发现，摩擦起电、人体静电乃是电子、微电子工业中之间两大危害源。12/30/20236静静电概念小结电概念小结静电是电荷的产生与消失过程中产生的静电是电荷的产生与消失过程中产生的电电 现现 象象的的 总总 称称 特特特特 点点点点 高电位高电位 低电量低电量 小电流小电流 作用时间短作用时间短 复现性差复现性差 瞬间现象多瞬间现象多 受湿度影响较大受湿度影响较大12/30/202371.1.接触起电接触起电当两个不同的物体相互接触时就会使得其中一个物体失去一些电荷带正电，而另一个物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。例A.A.剥离塑料薄膜时就是一种典型的剥离塑料薄膜时就是一种典型的“接触分离接触分离”起电起电B.B.脱衣服产生的静电也是脱衣服产生的静电也是“接触分离接触分离”起电。起电。C.C.摩擦起电是一种接触又分离的造成正负电荷不平摩擦起电是一种接触又分离的造成正负电荷不平 衡的过程。实质上是接触分离起电。衡的过程。实质上是接触分离起电。12/30/20238 当带电物体接近不带电物体时会在不带电的导体的两端分别感应出负电和正电2.2.感应起电感应起电A AB BC C3.3.热电和压电起电、喷射起电等热电和压电起电、喷射起电等气体,液体的流动与喷射12/30/20239静静电产生的物理过程电产生的物理过程静电产生的方式产生的方式接接 触触摩摩 擦擦冲冲 流流冷冷 冻冻电电 解解压压 电电温温 差差.接接 触触电荷转移电荷转移偶电层形成偶电层形成电荷分离电荷分离静静电产生电产生12/30/20231012/30/202311静电的危害一ESD是英文Electrostatic Discharge的缩写，即静电放电的意思。当某些电介质、导体带上静电荷后，尽管所带电荷量不多，但由于自身对大地分布电容非常小，使得静电电位较高。当垂直于带电物体表面的静电电位达到2000伏时，就会向空气放电。在日常生活中，许多ESD现象，我们都亲身经历过。譬如，在冬季一间温暖的房间里，走在覆盖地毯的地面时，当你伸手接触门的把手时，就会有电击的感觉；脱下合成纤维衣服时产生噼啪声，夜间还可以看到火花（空气的击穿场强为30kv/cm）；天气干燥时，用塑料梳子梳头时会产生放电声。对于人体而言，这种静电的突然放电不会造成任何伤害；可是，对于ESDS（静电放电敏感器件）器件，静电放电就可能损害电子器件。ESD对电子器件的损害是人体觉察不到的，具有隐蔽性，需通过仪器才能检测出电子器件发生ESD事件，主要是各种静电源（人体、工作台等）对电子器件放电所致。在集成电路（integrated circuit）工业中，静电放电可以使集成电路芯片介质击穿，芯线熔断、漏电流增大加速老化、电性能参数改变等等。静电放电对电子器件损害具有潜在和缓慢失效性，这种情况危害更大。通常，ESDS（静电放电敏感器件）器件易发生静电放电，所以，受ESD的危害更大。12/30/202312静电的危害二今天，大多数电子器件采用对静电极为敏感的MOS工艺制作，因此，无论从器件的发展还是器件的应用出发，为了防止ESD对电子器件的危害，有必要对电子器件受静电危害的机理以及相应的防护措施进行探讨。试图阐明电子器件ESD产生的原因，并对IC的ESD保护提供指导。静电危害具有以下特性：n隐蔽性：除非发生静电放电，人体不能直接感知静电，但发生静电放电人体也不一定能有电击的感觉，这是因为人体感知的静电放电电压为23kv，所以静电具有隐蔽性。n潜在性：有些会受到静电损伤后的性能没有明显的下降，但多次累加放电会给IC器件造成内伤而形成隐患。因此静电对IC的损伤具有潜在性。n随机性：IC什么情况下会遭受静电破坏呢?可以这么说，从一个IC芯片产生以后一直到它损坏以前，所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机性，其损坏也具有随机性n复杂性：静电放电损伤的失效分析工作，因微电子IC产品的精、细、微小的结构特点而费时、费事、费财，要求较高的技术并往往需要使用高度精密仪器，即使如此，有些静电损伤现象也难以与其它原因造成的损伤加以区别；使人误把静电放电损伤的失效当作其它失效，这在对静电放电损害未充分认识之前，常常归因于早期失效或情况不明的失效，从而不自觉地掩盖了失效的真正原因。所以分析静电对IC的损伤具有复杂性。12/30/202313静电的危害三ESDESD对电子器件侵害方式对电子器件侵害方式ESD对电子器件侵害方式主要有三种：静电源直接对电子器件放电；带电器件对其他导体的静电放电；电场感应放电。、静电源直接对电子器件放电、静电源直接对电子器件放电 ESD事件常常发生在带电导体（包括人体）对ESDS的放电过程中。一般的静电危害是人体或带电导体直接对ESDS放电造成。、带电器件对其他导体的静电放电、带电器件对其他导体的静电放电当静电放电敏感器件在操作过程中，或者与包装材料、机器表面接触后，就会积累静电荷。当器件在包装盒移动或震动时就会发生静电放电。这种放电情况，涉及的电容和能量不同于人体对ESDS器件的放电情况。在某些情况下，CDM事件比HBN事件所造成的危害更大。、电场感应放电、电场感应放电感应场可以直接或间接对地造成危害。因为任何带电体周围都存在静电场。如果ESDS器件进入静电场范围，就会因为感应而带电。如果器件在电场区域内接地，电荷转移到地的过程称为CDM事件。12/30/202314静电的危害四人体带电电压人体带电电压电冲击程度电冲击程度备注备注1,000 V 几乎感觉不到.微小的放电声音发生看到发光手指头放电发光.2,000 V 用手指头接触稍微感觉到.2,500 V 放电部分感觉被针扎到3,000 V 感觉稍微疼，感觉到被针扎的感觉4,000 V 感觉是手指头被针扎的比较深.5,000 V 手心和手腕也感觉到电冲击6,000 V 手指头及胳膊感觉到很强的电冲击。7,000 V 手指头，手心感觉到很强的疼痛及麻痹的感觉8,000 V 手心到手腕感到麻痹9,000 V 手腕和胳膊感觉到疼痛和感到麻痹.10,000 V 手全部疼痛和感觉到通电。11,000 V 手指头感到麻痹和手受到强的电冲击12,000 V 因受很强的冲击全身感到疼痛.12/30/202315静电的危害五静电损伤的两种失效形式静电损伤的两种失效形式1.硬损伤硬损伤：又称“突发性完全失效”、“一次性损坏”，约占10%表现为器件电参数突然劣化，失去原有功能。主要原因是静电放电造成过压使得介质被击穿，或过流使得内部电路金属导线熔断、硅片局部融化等。硬损伤可通过常规的性能测试手段及时发现，相对软失效而言危害要小得多。2.软损伤软损伤：又称“潜在性缓慢失效”、“多次损伤累积后失效”，约占90%受到软损伤的器件，虽然当时各类电参数仍合格，然而其使用寿命却大大缩短了。含有这些器件的产品或系统，可靠性变差，可能会在后续过程中（直至最终用户）继续遭受ESD软损伤或其它过应力损伤积累而过早地失效。由于软损伤是潜在的，运用目前的技术还很难证明或检测出来，特别是器件被装入整机产品之后，因此具有更大的危害性。这些产品流入市场后的维护成本和造成的其它损失，将比在生产中发生的直接损失要放大几十甚至上百倍！12/30/202316静电的危害六n蓄积在导体上的电荷，会在一次放电中将能量完全释放，是常见静电危害产生的原因。n静电放电可概分为火花放电、电晕放电、刷状放电、射状放电等形式。n不同放电形式的发生，与放电的电极形状、材质距离、阻抗、数量有密切的关系，同时亦会产生不同的危害。12/30/202317静电的危害七n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。据美国1988年的报道，它们的电子行业中，由于ESD的影响，每年的损失达亿美元之多；据日本统计，它们不合格的电子器件中有45是由于静电而引起的；我国每年因静电危害造成的损失也至少有几千万。下左图是美国Ti公司对某一年对客户失效器件原因进行分析统计的结果，从中可以看到由EOS/ESD引起的失效占总数的47%下；下图是美国半导体可靠性新闻对1993年从制造商、测试方和使用现场得到的3400例失效案例进行的统计，从中可以看到,EOS/ESD造成的失效也达到20%。12/30/202318电子产品生产中的典型静电源地板工作面主要设备清洁室原材料生产辅助物包装材料身体衣服 墙壁天花板光源固定器通风架12/30/20231912/30/202320静电的防护与控制ESDESD控制的基本原则控制的基本原则.做好ESDESD防护设计防护设计：器件选型、合理布线、设计保护电路等.消除和减少静电的产生：减少或消除静电产生的过程、维持过程和材料处于等电势等.使静电荷泻放与中和：使用静电导体、接地、电离器来泻放与中和静电.保护产品免遭ESDESD伤害伤害：使用防静电材料包装和储运.防静电区设计原则防静电区设计原则.抑制静电荷的积累和静电压的产生。如设备、仪器、工装不使用塑料、有机玻璃、普通塑料袋。.安全、迅速、有效地消除已产生的静电荷，使用有绳防静电腕带、防静电椅、防静电周转车、防静电周转箱。.保证静电压小于100V。12/30/202321静电的防护与控制n防静电系统要素防静电系统要素n1.1.地面地面n防静电地面（防静电水磨石，防静电地板）体电阻105109，敷设地线网。n2.2.工位（见附图）工位（见附图）n3 3、接地、接地na、防静电工作区必须有安全可靠的防静电接地装置，地电阻小于4。防静电地线不得与电源零线相接，不得与防雷地线共用，使用三相五线制供电时，其地线可以作防静电地线。nb、工作台面、地垫、坐椅和其它导静电的ESD保护设施均应通过限流电阻接入地线，腕带等应通过工作台顶面接地点与地线连接，工作台不可相互串联接地。nc、防静电工作区接地系统，包括限流电阻和连接端子应连接可靠并具有一定载流能力，限流电阻阻值选择应保证漏泄电流不超过5mA，下限值取为1M。n4 4、温湿度、温湿度n2030，相对湿度3070%。n5 5、增湿、增湿n增湿器使空气潮湿，防止静电荷积累，此法不适于增湿后会产生有害影响的场地。12/30/202322静电的防护与控制n、人体n穿防静电工作服、工作鞋，戴有绳防静电腕带、手套、指套等。n、包装n静电敏感器件应采取防静电保护性包装，如防静电袋、防静电盒等。n、贮存、运输n静电敏感器件必须存放在防静电容器（箱、袋）内，并用防静电运输工具（箱、车）周转。贮运中要远离静电场、电磁场或放射场，如电脑显示器顶部。12/30/202323静电的防护与控制n人员防静电接地技术要求人员防静电接地技术要求n1)人员防静电接地应使用腕带、工鞋等。n2)所有生产操作员工进入防静电区域必须着装防静电工鞋工衣；外来人员进入防静电区域穿防静电鞋套和穿防静电大褂。n3)进入防静电区域的所有作业人员、物料员、技术员、班组长等，及在现场办公的其他人员，每天上班前应对自身人体综合电阻进行测试，对有可能要接触产品的人员，还应进行防静电腕带测试，并保存测试结果，做好测试记录。n4)进入防静电区域前必须应对人体综合电阻进行测试，如果外来人员有可能要接触产品，也应进行防静电腕带测试，并保存测试结果做好测试记录。n5)防静电腕带或人体综合电阻测试未通过者，不得进入防静电区域，更不得接触ESSD（静电敏感器件）及组件。人体综合电阻测试、腕带测试未通过的，必须立即查找原因并作出相应处理，直至合格为止。n腕带接地要求腕带接地要求n防静电腕带与皮肤应保证接触良好，并接入防静电地线系统，在戴腕带的皮肤上不得涂护肤油、防冻油等油性物n工鞋接地要求工鞋接地要求n1)防静电鞋内不得垫鞋垫。2)为了使人体静电能很好的通过工鞋、鞋跟泻放，操作人员要求穿棉袜。3)保持工鞋干净清洁。n12/30/202324静电的防护与控制静电材料制品的种类相当繁多，但主要可以归为以下几类：防静电服装和腕带防静电服装和腕带是消除人体防静电系统的重要组成部分，可以使消除或控制人体静电的产生，从而减少制造过程中最主要的静电来源。防静电服装包括防静电的套装、大褂、鞋、帽、防静电手套、防静电指套、防静电脚束等。防静电服装是用不同色的防静电布制成。布料纱线含一定比例的导电纱，导电纱又是由一定比例的不锈钢纤维或其它导电纤维与普通纤维混纺而成。通过导电纤维的电晕放电和泄漏作用消除服装上的静电。由于不锈钢纤维属金属类纤维，所以，由它织成的防静电布料的导电性能稳定，不随服装的洗涤次数而变化。防静电腕带是操作人员在接触电子元器件时最重要的静电防护用品，通过接地通路，可以将人体所带的静电荷安全地谢放掉。它由防静电松紧带、活动按扣、弹簧软线 保护电阻及插头或夹头组成。松紧带的内层用防静电纱线编织，外层用普通纱线编织。12/30/202325防静电包装和运输制品等。防静电包装制品非常多，如防静电屏蔽袋、防静电包装袋、防静电海绵、防静电IC包装管、防静电元件盒(箱)、防静电气泡膜和防静电运输车等。这些包装制品除静电屏蔽用静电导体外，多数是用静电耗散材料制成的，也有些是用抗静电材料制作。目的都是对装入的电路或器件及印刷电路起静电保护作用。下图是一些常用的静电包装制品。12/30/202326静电的防护与控制防静电地板和台垫防静电地坪和台垫也是静电防护工程中不可或缺的。防静电地坪的也有多种，按时效性分，有永久性的和临时性的；按材料分有导电橡胶、PVC、导电陶瓷等；按铺设方式分，有地面直接铺设的和架空的活动地板。可根据实际需要和成本决定。如需要在地面走多种电缆、渠道的环境如计算机防选择架空铺设的活动地板比较好下左图是一些防静电地板。防静电台垫主要是防静电复合胶板，主要用于捕垫桌面、流水线工作台面、货架及制做地垫等。材料面层分为草绿色，导电物质是抗静电剂；底层为黑色，导电物质是碳黑。12/30/202327静电的防护与控制n上述三大类制品外，还有其他一些防静电制品，如防静电电烙铁、防静电座椅、椅套、防静电维修包等。其中防静电烙铁在后工序和维修中很常用。一般的电烙铁在焊接静电敏感元器件时需要拔掉电源，而防静电烙铁采用直流温压电源，发热元件多选用具有恒温特性、静电电电容小的材料，可极大地降低各种干扰杂信号。另外，烙铁还可作静电接地，可进一步消除烙铁头上的各种信号。所以，焊接时无需拔掉电源头。n 另外还有：离子风机：n 构成：直流高压电源（或放射源）电晕放电器送风系统；n特点：离子风机是一种可以提供平衡离子气流的，宽范围集中区域的桌上型离子消除器，可消除或中和宽范围集中目标或不易接触区域的静电荷。是精密电子产品，电子组装线，医药制程组装线，印刷，包装和细小产品成型的理想静电消除器，风量可以在45CFM-110CFM之间连续调节，离子平衡电压0V（+/-10V）。n使用SL-001台式离子风机所产生的离子风速覆盖目标范围，风速覆盖范围在40*60CM，风速中和静电时间由多种因素决定，是决定离子风机的距离和风速。工作区域要离子风机覆范围内，离子风机需调至最大风速。12/30/20232812/30/202329对ESD敏感的符号,用来表示该物体对ESD引起的伤害十分敏感对ESD防护的符号,用来表示该物体经过专门设计具有静电防护能力12/30/202330不仅表示静电场,同時也包括电磁场,磁场.不是专门针对对ESD的闪电符号的标准含义是指电力供电的高压对人体有危险不应该用此符合于ESD12/30/202331防静电的标示规范周转箱，物料车，防静电提示贴电子零件盒，防静电提示贴斑马线区域防静电提示贴车间楼层，过道，防静电提示贴防静电地板，墙面，防静电提示贴工作台面静电皮防静电提示贴各种防静电提示12/30/202332防静电标示规范之一n防静电区域地板警示标签n防静电区域地板警示标签仅用于粘贴在防静电区域（EPA）的斑马线上，也不允许在墙壁、立柱上张贴。n在防静电区域斑马线上粘贴标签时，文字顶方向必须朝防静电工作区域内，即从通道上站立面向防静电区域边界看警示标签为通常视向。n防静电区域警示标签按每两个标签间距5米进行粘贴。12/30/202333防静电标示规范之二n防静电器材，如防静电周转车、工作椅、工具、包装材料等，具备静电防护的性能，使用上图标识贴。警示标签应粘贴在防静电器材的不易磨损的显目位置，如周转车最上层横梁中央、周转箱的两侧中央位置、防静电工作椅靠背中央、包装材料正表面等。12/30/202334防静电标示规范之三n防静电接地系统的接线端口的标识使用上图所示警示标签，它们用不干胶防水塑面纸制作。一般防静电台垫的接线端用此接地标签。n在粘贴标签时应使接地端子位于标签的内孔中央。一般由于腕带插孔和防静电台垫接地等有接地要求的地方。12/30/202335防静电标示规范之四防静电工作区标示贴用于粘贴于墙壁，门窗，地板处。提示行走的人表示你即将进入或你已进入防静电工作区。12/30/202336防静电标示规范之五防静电工作区域挂牌悬挂于生产工作车间，过道，进门处。用于提示行人表示你即将进入或你已进入防静电工作区。12/30/202337防静电标示规范之六防静电零件盒,周转箱,托盘，或直接用于存放裸板，IC，三极管等静电敏感元器件等容器使用上图所示静电防护贴纸，警示标签应粘贴在防静电容器上的不易磨损且显目位置。12/30/20233812/30/202339防静电的实例一防静电工作台皮垫使用离子风机消散静电12/30/202340防静电的实例二防静电椅防静电文件袋12/30/202341防静电的实例三防静电烙铁防静电珍珠棉12/30/202342
