静电放电与防护基础知识

静电放电与防护基础知识ESD定义1.静电：就是静止不动的电荷，它一般存在于物体的表面2.静电放电（ESD）：处于不同静电电位的两个物体间的静电电荷的转移，就是静电放电3.过电应力（EOS）：广义指元器件承受的电流或电压应力超过其允许的最大范围4.静电敏感器件（SSD）：对静电放电敏感的器件EOS与ESD区别1.静电放电（ESD）与过电应力（EOS）的关系：-----从概念上严格来说ESD是属于EOS的范畴2.两者区别：ESD的特点是电压高（可达到上千伏甚至上万伏）、周期短（几百纳秒）、能量低（MJ）以及上升快（几到几十到纳秒）3.EOS的特点电压较低、时间较长、能量较大，对器件造成的损伤一般都有明显的痕迹，有金属化熔断、材料表面颜色或形态发生变化等现象，而且损伤面积比较大静电是如何产生的1.接触分离起电（本质）2.摩擦起电—摩擦实质上是一种接触分离造成正负电荷不平衡的过程3.流动空气也会产生静电4.不接触也能起电—感应起电---在电子元器件行业相关的产生静电的方式主要归纳为两种形式：摩擦产生静电和感应产生静电物质的各种起电1.固体起电：摩擦、剥离起电2.粉体起电：化工原料、筛药3.液体起电：石油4.气体起电：灭火器、空调5.大空起电：卫星摩擦产生静电的大小与哪些因素有关1.摩擦物体本生的材料性质2.环境的湿度3.摩擦的面积4.分离速度5.接触压力6.表面洁净度等感应产生静电及其特点1.导体靠近带电体会感应静电2.感应电发生于带电物体与导体之间，两种物体无需直接接触即会感应静电3.显然，非导体不能通过感应产生静电影响静电产生和大小的因素1.人体产生的静电电压大概是：几千伏~几万伏2.而各种器件的静电电压大概是：几千伏~几百伏甚至更低3.电子生产中产生的静电势的典型值（单位：V）如右图所示事件相对湿度10%40%50%走过乙烯地毯1200050003000在工作椅上操作人员的移动6000800400将元器件从塑料管中取出2000700400将印制线路板装进泡沫包装盒中21000110005500静电的危害1.吸尘（ESA）--静电吸附灰尘，降低元器件的绝缘电阻，缩短寿命2.静电放电（ESD）--损坏元器件、损伤元器件（潜在损坏）、辐射电磁场、着火爆炸、人体电击3.发光发声4.产生臭氧（复印机复印文件时会产生臭氧）ESD损害的特点1.隐蔽性2.潜在性和累积性3.随机性4.复杂性•潜在性和累积性对电子元器件的危害最为严重可能产生ESD损伤的制造过程•元器件从生产到使用的整体过程中都能受静电损伤，按各个阶段可分为：1.元器件制造过程2.印制电路板生产过程3.产品制造过程4.产品使用过程5.产品维修过程静电放电的三种模式1.带电人体的放电模式又称人体静电放电模型---HBM模型2.带电机器的放电模式，机器摩擦或感应也会带电，通过电子元器件放电会造成损伤---MM模型3.充电器件的放电模式，就是在元器件装配、传递、试验、测试、运输和存储的过程中会带静电，一旦元器件引脚接地时壳体将通过芯片和引出脚对地放电---CDM模型ESD防护的根本目的•是在电子元器件、组件、设备的制造和使用过程中1.通过各种防护手段，防止因静电放电效应而产生或可能产生的危害，或将这些危害限制在最小程度2.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伤害ESD防护的基本原则•ESD防护的基本原则是“一个中心，两个方面”---以“等电位”为中心，从控制静电的产生和控制静电的消失两方面进行1.控制静电的产生•---对可能产生静电的地方要防止静电的聚集•---控制工艺过程和工艺过程中材料的选择ESD防护的基本原则2.控制静电的消散•---对已存在的电荷积聚，快速而安全地将静电泄放和中和两者共同作用的结果就有可能使静电电平不超过安全限度，达到静电防护的目的ESD的防护系统1.管理要求方面---方案、计划、程序文件和作业指导书---人员范围要求（生产和质量管理人员、技术人员、生产操作人员以及产品维修人员）2.技术要求方面---静电接地系统和安全工作系统---设备、器材、包装、人员操作以及工艺流程简单介绍ESD的控制原理、方案与要求ESD控制原理1.在操作等过程中控制静电，使其不能达到危害的程度（包括所有工作人员、工具、设备与环境等）---控制静电的产生以及控制静电放电2.设计人员在设计中尽量提高元器件、组件（PCB）以及整机的抗静电能力ESD简单的控制技术之一•技术之一---人员接地和设备必须接地，接地是最简单最有效的技术•接地的原则：人员和设备安全一．人员接地要求---要求如下：1.人员接地---坐下操作时必须带腕带＜35×106Ω2.一般腕带电阻（0.8~1.2）×106Ω3.站立操作时---地板~鞋系统＜35×106Ω或＜电压100V4.一般的防静电鞋底电阻＜1×109Ω一．人员接地注意点1.接地，通过手腕使静电从手导到大地注意点：用手触摸接地金属体，其能暂时释放人体静电，但手离开接地金属体后又会产生静电2.防静电鞋与腕带使用中安全问题---仅从防静电的角度考虑时，人体总是对地电阻越小越好---人体必须具有一定值的对地电阻，限制意外流过人体上的电流3.防静电服装、手套、帽子等等，如果单独使用时防静电作用不大二．设备接地要求---设备接地要求1.所有设备必须接地---＜1.0ΩAC2.共同点必须接地---＜1.0ΩAC3.辅助接地（根据情况）---＜1.0ΩAC4.等电位连接---＜1×109Ω三．从哪里接地？1.在大多数情况下，第三条导线（保护接地）交流设备接地是接地的最优先选择连接系统（跨接）2.当第三条交流设备接地导线不能用到或不适用时，工作人员应该通过腕带或其他接地系统与静电放电敏感物件的一个导电性组件相连接，以保证所有组件处在同样电位（等电位）ESD控制技术之二---建立防静电保护区（EPA）1.保护区域）（EPA）越大，相对来说所需的成本就越大，根据实际情况的不同，可以建立不同等级的静电保护区2.合理建立防静电保护区域（EPA），能有效地控制ESD防静电保护区域（EPA）技术要求：a.工作台面：＜1×109Ωb.腕带：0.8×106Ω~1.2×106Ωc.鞋、地板、坐位、货架、移动设备等：＜1×109Ωd.电离化：＜±50V，房间：＜±150Ve.交流电动工具：1.0Ωf.电池驱动和气动工具：＜1×1012Ωg.工作服：1×105Ω~1×1011Ωh.防护器材标志i.湿度：＞30%RH＜70%RHESD控制技术之三---绝缘体的静电消除•静电非导体的中和，用离子风消电器中和静电•使用静电消除器对一些易起静电的材料进行消电•在静电保护区域（EPA）的绝缘体放置时应与静电放电敏感物体至少保持十二英寸的距离ESD控制技术之四---防静电包装也能有效地防制静电•防静电包装的主要目的是防止静电放电直接发生在所包装的静电放电敏感物件上，及将电荷通过外表面消失•防静电包装的技术范围很广泛，有些使用技术包括：低带电包装袋和包装材料、隔离材料、消电包装材料、静电屏蔽、导电性分流器以及EMI/RPI屏蔽简介电子元器件抗ESD设计技术•基本抗静电保护电路有两大类1.旁路释放保护电路---其作用是将静电电荷通过该保护电路释放掉，避免对功能元器件的静电损伤（泄放大电流）2.限压/限流保护电路---其作用是减缓静电的放电速度，即使放电电压/电流小一些（电压箝位）CMOSIC抗ESD保护电路的基本结构1.单一的缓冲结构---只在泄放回路串接电阻或电感2.单一旁路结构---只旁接电阻和二极管等3.一级缓冲和旁路结构---一般由缓冲的电阻和旁路的二极管或晶体管组成4.二极管缓冲和旁路结构---这是CMOSIC最常用的结构，由缓冲的电阻和前后两级旁路释放的二极管或晶体管组成•基本单元主要有：---电阻、二极管、晶体管、厚场晶体管以及可控硅射频和微波电路抗ESD保护设计的考虑1.射频端的保护---对射频输入端除采用过压保护外，还可以采用高通滤波网络，即能通过频率较高射频信号，而使ESD脉冲的主频不能通过2.射频端输入端的高通滤波网络3.电源端的保护---除采用一般的过压保护外，还可以采用低通滤波保护网络，即可通过直流，抑制高频---还可以串接三端稳压电路，不仅可以提高抗ESD能力，还能对电浪涌起防护作用混合电路抗ESD保护电路的考虑1.通过电路分析或ESD检测确定电路中抗静电的薄弱部位和薄弱元器件2.对薄弱部位加抗静电保护电路3.薄弱元器件力争更换抗静电能力好的元器件4.对混合电路制造过程采取静电防护措施•有相当多的元器件可作为混合电路和整机的静电保护元器件，主要有：---瞬变电压抑制二极管、压敏电阻以及铁氧体磁环简介电子设备抗ESD保护基本方法1.介质隔离技术2.屏蔽技术3.电气隔离技术4.使用ESD泄放电路5.外接ESD保护器件6.合理的PCB板布局布线外接ESD保护电路和器件（TVS的特性和使用）•TVS二极管的工作原理1.TVS二极管在线路板上是与被保护线路并联2.当瞬时电压超过电路正常工作电压后，TVS管便发生雪崩，提供给瞬时电流一个超低电组通路，使瞬时电流通过二极管被引开，避开被保护器件，并且在电压恢复正常值之前被保护回路一直保持截止电压3.当瞬时脉冲结束以后，TVS二极管自动回复高阻抗状态，整个回路进入正常电压---TVS管的特点：反应迅速、截止电压比较低，另外对TVS管设计的改进使其更低的漏电流和结电容抗ESD电磁脉冲干扰得设计规则1.减小环路---电流通过感应进入电路环路，这些环路是封闭的，具有变化的磁通量，电流的幅度与环的面积成正比，环路大磁通量多，因而在电路中感应出较强的电流，必须减小环路面积抗ESD电磁脉冲干扰得设计规则2.控制电路连线长度---长的信号线也可成为接收ESD脉冲能量的天线，尽量使用较短信号线可以降低信号线作为接收ESD电磁场天线的效率---尽量将互连的器件放在相邻的位置，以减少互连的印制线长度抗ESD电磁脉冲干扰得设计规则3.其他设计规则---避免在PCB边缘安排重复的信号线（如时钟和复位信号等）---将PCB上未使用的部分设置为接地面---尽量将接口安排在同一个边上---避免被保护回路和未实施保护的回路并联---将接口信号线接地线路直接接到保护器件上，然后再进入回路的其他部分---用TVS二极管来保护所有的外部连接---采用高集成度器件，可节约线路板上空间，而且减少由于回路复杂诱发的寄生性线路自感的影响静电放电失效•电子元器件由静电放电引发的失效可分为两种模式：1.突发性失效：指元器件受到静电放电损伤后，突然完全丧失其规定的功能，主要表现为开路、短路或参数严重漂移---双极型器件的射一基间短路---场效应器件栅一源间或栅一漏间短路或开路---集成电路的金属化互连或键和引线的熔断---多晶硅电阻开路---MOS电容介质击穿短路等静电放电失效2.潜在性失效：是指静电放电能量较低，仅在元器件内部造成轻微损伤，放电后器件电参数仍然合格或略有变化对器件使用可靠性的影响---器件的抗过电应力能力减弱---使用寿命明显缩短在受到工作应力或经过一段时间工作后将进一步退化，直至造成彻底失效静电放电失效1.在使用环境中出现的静电放电失效大多数为潜在失效2.据统计，由静电放电造成的使用失效中，潜在失效约占90%，而突发性失效仅占10%3.潜在性失效比突发性失效具有更大的危险性：---潜在性失效难以检测---影响器件使用时的寿命---静电损伤具有积累性预防ESD潜在损伤的最好办法是静电防护静电放电失效机理•失效机理主要有两种1.过电压场致失效---发生于MOS器件，包括含有MOS电容或钽电容的双极型电路和混合电路2.过电流热致失效---多发生于双极器件，包括输入用PN结二极管保护的MOS电路、肖特基二极管以及含有双极器件的混合电路静电测量仪器的选用1.基本配套仪器•通常测量静电的主要基本参数有三个---静电电压（位）、电荷量（密度）和电阻（率）•电荷量是静电本质的物理量，在许多科研中要测量电荷量或电荷密度•但在很多现场直接测量电荷量是不方便的，此时就