静电基础知识

静电基础知识拟订日期：2010年11月16日拟订：张君锋第1页/共7页部门内部培训教材一、静电的基本概念1、什么是静电：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，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。2、静电放电（ESDElectrostaticDischarge）：带有不同静电电势的物体,由于直接接触或静电感应引起物体间的静电电荷转移。其放电有两种形式：接触放电，电场击穿放电。3、关于静电放电名词：1)静电敏感度(ESDSElectrostaticDischargeSensitivity)2)静电敏感器件(ESSDElectrostaticSensitiveDevices)3)EPA:ESDProtectArea(ESD防护区域)4)ECA:ESDControlArea(ESD控制区域)4、接地（Grounding）：电气连接到能提供或接受大量电荷物体上（如大地、船舰或运载工具外壳）.5、静电存在方式：静电依附于物体（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。6、静电产生方式：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7、静电产生大小关系：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。在高湿度环境中由于物体表面吸附有一定数量杂质离子的水分子，形成弱导电的湿气薄层，提高了绝缘体的表面电导率，可将静电荷散逸到整个材料的表面，从而使静电势降低。所以，在相对湿度高的场合，如海洋性气候地区(如我国的东南沿海地区)或潮湿的梅雨季节，静电势较低。在相对湿度低的场合，如大陆性气候地区(如我国的北方地区)或干燥的冬季，静电势就高。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、8、静电放电的三种方式：1)带电人体的放电方式(HBM)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。2)带电机器的放电方式（MM）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静电基础知识拟订日期：2010年11月16日拟订：张君锋第2页/共7页部门内部培训教材电也会造成损伤。这类就叫做：机器放电的模型（MachineModel）3)充电器件的放电模型（CDM）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)来描述二、静电危害：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。1、在日常生活中的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2、电子器件的静电放电：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（integratedcircuit）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。大多数电子器件采用对静电极为敏感的MOS工艺制作，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。阐明电子器件ESD产生的原因，并对IC的ESD保护提供指导。3、静电具有以下特性：1)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2~3kv，所以静电具有隐蔽性。2)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。3)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4)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、微小的结构特点而静电基础知识拟订日期：2010年11月16日拟订：张君锋第3页/共7页部门内部培训教材费时、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。4、ESD对电子器件侵害方式1)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。2)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。3)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。人体带电电压电冲击程度备注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.静电基础知识拟订日期：2010年11月16日拟订：张君锋第4页/共7页部门内部培训教材5、静电损伤的两种失效形式1)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：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！多数未采取保护措施的元器件静电放电敏感度都是很低，很多在几百伏的范围，如MOS单管在100-200V之间，而且这些单管是不能增加保护电路的；一些电路尤其是CMOSIC采取了静电保护设计，虽然明显的提高抗ESD水平，但大多数也只能达到2000－4000V，而在实际环境中产生的静电电压则可能达到上万伏。因此，没有防护的元器件很容易受到静电损伤。随着元器件尺寸的越来减小，这种损伤就会越来越多。所以，绝大多数元器件是静电敏感器件，需要在制造、运输和使用过程中采取防静电保护措施。列出一些没有静电保护设计器件的静电放电敏感度。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10.0静电基础知识拟订日期：2010年11月16日拟订：张君锋第5页/共7页部门内部培训教材三、静电防护1、ESD控制的基本原则1)做好ESD防护设计：器件选型、合理布线、设计保护电路等。2)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。3)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。4)保护产品免遭ESD伤害：使用防静电材料包装和储运。2、防静电区设计原则1)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。2)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。3)保证静电压小于100V。3、防静电系统要素1)地面：防静电地面（防静电水磨石，防静电地板）体电阻105～109Ω，敷设地线网。2)工位：（见附图）3)接地：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4Ω。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。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。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1MΩ。4)温湿度：20~30℃，相对湿度30~70%。5)增湿：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。6)人体：穿防静电工作服、工作鞋，戴有绳防静电腕带、手套、指套等。7)包装：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。8)贮存、运输：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。4、人员防静电接地技术要求1)人员防静电接地应使用腕带、工鞋等。2)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静电基础知识拟订日期：2010年11月16日拟订：张君锋第6页/共7页部门内部培训教材防静电鞋套和穿防静电衣。3)进入防静电区域的所有作业人员、物料员、技术员、工段长等，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。4)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。5)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