ESD基础知识培训讲义(共55张).pptx
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1、防静电知识防静电知识2什么叫静电什么叫静电(ESD)什么是静电什么是静电?ESD-Electro Static Discharge静电静电: : 处于静止状态下的带电电荷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生活中常见的几种静电现象4 以物体抗静导电性来区分材质以物体抗静导电性来区分材质
2、 导电性 (Conductive)材质: 表面店电阻系数在 105/square 以下 静电衰减性(Static Dissipative)材质:表面电阻系数介于105 109 /square 抗静电性(Anti-Static)材质:表面电阻系数介于109 1012 /square 绝缘体(Insulator)材质:表面电阻系数介于 1012 /square以上 摩擦生电摩擦生电 7P+ 7P+ 7P+ 7P+e -e -e -e -e -e -e -平衡原子平衡原子 1e -平衡原子平衡原子 2帶負電原子帶負電原子 帶正電原子帶正電原子e -e -e -e -e -e -e -摩摩擦擦e -e
3、 -e -e -e -e -e -e -e -e -e -e -e -静电及静电的产生静电及静电的产生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Acetate Rayon 人造丝 Aluminum 铝 Brass , Silver 黃銅 , 銀 Cotton 棉 Gold , Platinum金 , 白金 Fur 皮革 Hard Rubber 橡胶 Glass 玻璃 Orlon 奧龙 Hands 手 Polyester 多元脂 Human Ha
4、ir 头发 Poly urethane PU聚亚氨脂 Lead Hand 石墨 Polyvinyl PVC聚氯乙烯 Mica 云母石 Polyethylene PE聚乙烯 Nylon 尼龙 PolypropylenePE聚丙烯 Paper 纸 Sealing Wax 蜡 Rabbit Fur 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负负 性性 ( - )Positive 正正 性性 ( + )静电及静电的产生静电及静电的产生6 静电就在您的周围静电就
5、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) (Static Locator) ( 12x 12)绝缘绝缘架架量测时温度为24.5,相对湿度 RH 为55 %.一般地面一般地面鞋子鞋子(皮鞋或球鞋皮鞋或球鞋)导导 线线静电及静电的产生静电及静电的产生7 A) 上述条件测量结果上述条件测量结果 所穿鞋子所穿鞋子 动动 作作 产生静电压产生静电压(Volts) 皮 鞋 原地慢速踏步 150200 皮 鞋 原地快速跑步 200250 球 鞋 原地慢速踏步 200250 球 鞋 原地快速跑步 250350 B) 当当不同不同条条件
6、下,件下,静电压的变静电压的变化化 产产生方法生方法 10%20%相相对湿度对湿度 65%95%相相对湿度对湿度 走过地毯 35,000 1,500 走过塑胶地毯 12,000 250 在椅子上工作 6,000 100 拿起塑胶文件夹 7,000 600 工作椅垫摩擦 18,000 1,500静电及静电的产生静电及静电的产生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。
7、 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。 静电及静电的产生静电及静电的产生9 抗抗静电能力的量测静电能力的量测(Human Body Model) 依依 MIL-STD-883, Method 3015, 测试线路图测试线路图 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)抗静电能力的量测抗静电能力的量测10 各类半导体材料抗静电能力之比较各类半导
8、体材料抗静电能力之比较(NEPCON/ WEST Report) 晶片晶片种类种类 静电静电破破坏电压坏电压(Volts) MOSFET 100200 EPROM 100 JFET 1407,000 Op-Amp 1902,500 CMOS 2503,000 SCHOTTKY DIODE 3002,500 TTL 3002,500 Bipolar Transistor 3807,000 ECL 500 SCR 68010,000 半导体产品抗静电能力半导体产品抗静电能力一般来说一般来说, 静电电压大于静电电压大于50伏伏, 一般零件都可能被损害或降低等级一般零件都可能被损害或降低等级.11 依
9、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 A 20 2000 防静电管及导电袋 B 2000 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。 抗静电能力分类抗静电能力分类12ESD ( 静电放射静电放射 )及危害及危害13 家中的110V、240V常常因为使用不慎造成伤亡,那动辄
10、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 0-1 0-1 有知覺 1-4 4-15 感到驚訝 4-21 15-80 有反射動作 21-40 80-160 肌肉麻痺 40-100 160-300 休克 100 以上 300 以上 立即死亡ESD 对对人体人体会会造成造成伤害吗伤害吗14静电对产品的损害静电对产品的损害小心点!两种方式两种方式15 1. 人体放电模式人体放电模式(Human Body Model , HBM)
11、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 影响质量方式影响质量方式162. 电场感应模式电场感应模式(Field Induced Model , 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. 充电组件模式充电组件模式(Charged Device Mode,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 元元 件件外在外在电场感应电荷电场感应电荷接地造成接地造成ESD放放电电 (FIM)(Field)E(Grounded)元元 件件接地消失接地消失移离电场(CDM)(Field)E
12、SD 影响质量方式影响质量方式17 ESD破坏的原因:破坏的原因:1. 功率产生:功率产生:如热崩溃、 金属被熔融2. 电压产生:电压产生:如介电质崩溃、表面崩溃3. 潜在性故障:潜在性故障:如功能劣化、降级元件被元件被ESD 破坏原因破坏原因18 1. 接面崩熔接面崩熔(Junction Burnout) 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(Junction Burnout),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515倍。 2. 氧化层贯穿针引线氧化层贯穿针引线(Oxi
13、de Punch Through) 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破坏之型态破坏之型态193. 金属层崩熔金属层崩熔(Metalization Burnout) 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(Secondary Breakdown).而其现象为断路。ESD破坏之型态破坏之型态20负伤而行负伤而行 负伤而行(Walking Wounded) 许多实验证实静电能使半导体负伤, 但不会立即完全破
14、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=1.5K)来量测54S163 IC 试验条件: 试验结果: 材料:54s163 测试前 I=2.883APASS 人体电容:100pf 第一次 I=2.883A PASS 每次放电:50V 第二次 I=2.890A PASS 放电次数:5次 第三次 I=2.890A PASS 测试点:Vin=Pin2 (A) 第四次 I=1.872mA FAIL GND=Pin8 (B) 第五次 I=2.147mA FAIL
15、静电的累积破坏静电的累积破坏21 ESD破坏分析破坏分析 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接合窗放大10,000之后可见贯穿现象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芯片设计的静电防护(治本方法治本方法) 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
16、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:逐一介绍说明如下:ESD静电防护静电防护241. 避免静电产生避免静电产生(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-Static Coating) 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)
17、 内部静电剂法(Imbeded Anfi-Static Agent) 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(Wrist Strap),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。通常静电环中会接一1M之接地电阻,以保护人员工作之安全。ESD静电防护静电防护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.
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