ESD防护基础知识培训教材

1ESD防护基础知识培训教材2一、目前,电子产品中已经应用了很多微电子器件。这种器件的特点是低功耗、低电压、高输入阻抗和集成化。但是，这种器件耐压低、允许通过的电流不大对静电敏感。静电放电现象在日常生活、工作中处处发生，静电电场及静电电流时时刻刻在威胁着那些对静电敏感的器件，这些器件随时都有受静电影响而损坏或失效的危险，静电也是无形杀手,所以生产过程中的每一个环节都要采取措施消除静电。二、静电的防护（可以从三方面来进行）：（1）加强对有关操作人员的静电防护知识教育及制订操作规程；（2）对电子产品采用静电防护设计；（3）电子器件、仪器及设备在整个生产过程中采用静电防护技术。前言：31、静电（Electrostatics):物体所带过剩或不足的相对静止不动的电荷。2、静电放电ESD（Electrostaticdischarge-ESD):具有不同静电的物体，由于直接接触或静电感应引起物体间的静电电荷转移。（见图1）3、人体有感觉的静电放电电压在3000-5000V之间,而元件发生损坏时的电压仅几百伏.4、静电感应（Electrostaticinduction):当带静电的物体靠近某一介质时，在该介质表面因感应而带电荷，形成感应电场。5、静电敏感器（Staticsensitivitydevice-SSD):对静电放电敏感的器件（易被静电击穿的器件）6、中和（Neutralization):利用异性电荷使静电消失7、接地（Grounding):电气连接到能提供或接受大量电荷物体上（如大地、动载工具外壳）8、泄放（Leakage):将静电荷安全泄放到大地。第一章：名词解释（见图1）48、硬接地（Hardground):直接与大地电极作导电性连接的一种接地方式（R＜10Ω）（见图2）9、软接地（Softground）：通过一足以限制流过人体的电流达到安全值的电阻连接到大地电极的一种接地方式(100KΩ＜R＜1MΩ)10.防静电工作区（Electrostaticdischargeprotectedarea）：配备各种防静电设备和器材，能限制静电电位具有确定边界和专门标记的适于从事情静电防护操作的场所。（见图8）11.ESD保护材料（ESD-Protectedmaterials）：具备下列特征的材料：A、防止产生摩擦起电；B、免受静电场的影响；C、防止与带电人体或与带电物体接触而产生直接放电。第一章：名词解释√软接地1MΩ可调恒温烙铁主体内的变压器设备安全地150KΩESD地线系统接大地防静电腕带防静电接地线防静电垫150KΩ1M～5MΩ（图2）（图4）（图5）（图6）（图7）（图8）51、静电的产生（自然现象）1.1两种不同起电序列的物体通过摩擦、碰撞、剥离等方式在接触分离之后在一种物体上积聚正电荷，另一种物体上积聚等量的负电荷。由于两种不同的物体相互紧密接触时，它们最外层电子的逸出功不同，电子从逸出功较小的物体跳逸到逸出功较大的物体中去。此外，导体静电感应、压电感应、电磁辐射应等也能产生很高的静电压。1.2产生静电的原因很多,主要与物体的特性、表面状态、接触面积、接触压力、摩擦速度、带电量、带电性温度、湿度等有关。相对湿度越大时，物体表的导电性增加，电荷在物体上将减少储存，大部分传至表面而泄漏，相对湿度小时，电荷就很难泄露。2、工厂内常见的静电源：静电源指可产生静电荷的物体。2.1环境：2.1.1地板：封蜡的混凝土、打蜡木地板、普通的维尼龙磁砖或平板、人造革化纤毛毯。根据静电源材料，静电荷的多少，分离速度，环境湿度的不同而不同。第二章：静电的来源及其危害（湿度见图9）（图9）6第二章：静电的来源及其危害2.1.2工作面：涂蜡，涂漆或凡立水处理的表面，普通的乙烯或塑胶台面。2.1.3工厂主要设备：SMT、DIP、维修等机器设备、复印机、打印机、变压器、发电机等。（见图10）2、2人：2、2、1人的皮肤表面。2、2、2人穿的服装---不允许有普通化纤、毛料及对湿度30%以下时的纯棉。2、3材料：2、3、1原材料：（服装、帽子、鞋子、椅子、周转箱、元件盒、屏蔽盖、夹具等均为防静电材料）2、3、2包装材料：A、普通的塑胶------袋、纸、封皮；B、普通的气泡套；C、普通的塑胶盘、塑胶篮、塑胶瓶、料盒；√×无静电纸（图11）（图10）7第二章：静电的来源及其危害2、4制程：2.4.1喷洗清洗机2.4.2普通的塑胶吸锡工具2.4.3烙铁头未接地的电烙铁2.4.4人造毛制作的溶剂刷子2.4.5液体或蒸汽的清洗或干燥2.4.6烤箱2.4.7低温喷洗2.4.8发热枪和吹风机2.4.9喷砂2.4.10相关图示（见图12）×√扁三脚插头（图12）8第二章：静电的来源及其危害3、人的典型活动产生的静电压：4、ESD敏感元器件，组件和设备的分级：1级：易遭0~1999VESD电压危害的电子产品；2级：易遭2000~3999VESD电压危害的电子产品；3级：易遭4000~15999VESD电压危害的电子产品。在地毯上行走在乙烯树脂地板上行走工作台上操作说明书的乙烯树脂封面在工作台拿起乙烯袋子聚氨脂泡沫垫子静电产生方式60007000静电电压（V）相对湿度（65%~90%）相对湿度（10%~20%）2000018000150025010060012001500350001200095、（ESDS）静电放电敏感元器件：（一）第二章：静电的来源及其危害器件类型失效模式二极管1、反向漏电流增加，击穿电压降低。2、正向压降增大1、发射极一基极反向电流增加，击穿电压降低。2、β减小，3、噪声系数增大场效应管1、栅一源或栅一漏短路，2、电极开路双极型数字电路1、输入电流增加，2、失去功能1、输入失调电压增大，失调电流增大，2、MOS电容击穿短路，3、电极开路半导体器件静电放电失效模式三极管1、输入或输出端与源或漏间漏电流增大，2、其它参数退化，3、丧失功能MOS电路双极型线性电路105.（ESDS）静电放电敏感元器件：（一）1级：敏感电压范围0~1999V元器件类型微波器件（肖特基势垒二极管、点接触二极管和其它工作频率大于1GHZ的检测二极管，离散型MOS场效应晶体管，声表面波（SAW）器件，结型场效应晶体管（JEETS），电荷耦合器件（CCDS），精密稳压二极管（线或加载电压稳定（0.5%),运算放大器（OPAMPS）续表1薄膜电阻器，集成电路，使用1级元器件的混合电路，超高速集成电路（VHSIC），环境温度100℃时，10＜0.175A的晶体闸流管（SCRS）第二章：静电的来源及其危害IC等晶体管（见图13）（湿度见图13）11第二章：静电的来源及其危害5.（ESDS）静电放电敏感元器件：（二）2级：敏感电压范围2000~3999V元器件类型由附录A（补充件）试验数据确定为2级的元器件和微电路低功率双极型晶体管，Ptot≤100mW,Ic＜100mA离散型MOS场效应晶体管结型场效应晶体管（JEETS）运算放大器（OPAMPS）集成电路（ICS）超高速集成电路（VHSIC）精密电阻网络（R2）使用2级元器件的混合电路（见图14）集成电路精密电阻、混合电路场效应晶体管等12第二章：静电的来源及其危害5.（ESDS）静电放电敏感元器件：（二）3级：敏感电压范围4000~15999V元器件类型由附录A（补充件）试验数据确定为3级的元器件微电路离散型MOS场效应晶体管运算放大器（OPAMPS）集成电路（ICS）超高速集成电路（VHSIC）所有不包括在1级或2级中的其他微电路Ptot＜1W或10＜1A的小信号二极管普通要求的硅整流器10＞0.175A的晶体闸流管（SCRS）350mW＞Ptot＞100mW且400MA＞10＞100mA的低功率双极型晶体管光电器件（发光二极管、光敏器件、光耦合器）片状电阻器续表2使用3级元器件的混合电路压电晶体13第二章：静电的来源及其危害6、ESD失效模式6.1热二次击穿：发热---融化---过热增大融化—短路6.2金属渡层融熔：金属层式融合引线烧熔6.3介质击穿（电压击穿）：一般潜在失效最终形式一次击穿6.4气弧后电压放电：引起功能退化6.5表面击穿：绝缘表面6.6体击穿：二次击穿产生体注意呀!14第二章:静电的来源及危害元器件组成部分元器件类别失效机理失效标志MOSFET（分立的）MOS集成电路有金属跨接的半导体器件数字集成电路（双极和MOS）线性集成电路（双极和MOS）MOS阻容器、混合电路、线性集成电路二极管（PN、PIN、肖特基）双极晶体管结型场效应晶体管可控硅数字、线性双极集成电路输入保护电路：用于分立MOS场效应管和MOS集成电路混合电路：厚膜电阻、薄膜电阻单片集成电路--薄膜电阻器密封薄膜电阻器电阻漂移MOS结构半导体结由SI和AL的扩散引起电流束的增大（电热迁移）薄膜电阻器介质击穿，与电压有关的电流通路，与焦尔热能量有关的微电流通路的破坏电压引起的介质击穿和接着发生的大电流现象由过剩能量和过过引起的微等离子体二次击穿的微扩散短路（漏电大）15第二章:静电的来源及危害元器件组成部分元器件类别失效机理失效标志混合集成电路单片集成电路梳状覆盖式晶体管晶体振荡器声表面波器件工作性能退化采用非导电石英或陶瓷封装盖板的集成电路和存储器，特别是EPROM电极间的间距较小部位电弧放电使电极材料熔融工作性能退化声表面波器件无钝化层覆盖的薄膜金属无保护的半导体器件和微电路压电晶体当所加电压过大时由于机械力使晶体破裂与焦尔热量有关的金属烧毁由于ESD使正离子在表面积垒，引起表面反型或栅阈值电压漂移开路工作性能退化金属化条场效应结构和非导电性盖板16第三章：ESD防护操作系统1、ESD防护的基本原则：1.1抑制静电的积聚，严格控制静电源。1.2迅速、安全、有效地消除已经产生的静电荷。（见图15）1.3防静电工作区应按电子元器件静电放电灵敏度确定保护程度。一般情况下静电压不超过100V。2、防静电工作区：2.1地面材料2.1.1禁止直接使用要质地板或铺设毛、麻、化纤地毯及普通地板,人造革地板。2.1.2应该选用由静电导体材料构成的地面，例如：防静电浮动地板或在普通地面上铺设防静电地垫并有效接地。2.1.3允许使用经特殊处理过的水磨石地面，如：事先敷设地线网，渗碳或在地面喷涂防静电剂等。√×生锈严重√（图15）17第三章：ESD防护操作系统2、2接地：2.2.1防静电系统必须有独立可靠的接地装置，接地电阻一般应小于4欧，接入时，增加限流电阻。2.2.2防静电地线不得接于电源零线上，不得与防雷地线共用。2.2.3使用三相五线制供电，其大地线可以作为防静电地线（零线、地线不可混接）2.2.4防静电设备连接端子应确保接触可靠，易装拆，允许使用各种夹式连接器，如鳄鱼夹、插头座等。2.2.5静电地：软接地；电源地、设备地：硬接地。2.2.6接地系统泄露电流不超过5mA，极限流电阻下阻值取1MΩ2、3天花板材料：应选用抗静电型材料制品，如石膏板制品2、4墙壁面料应使用抗静电型墙纸，例如：石膏涂料，石灰涂料2、5湿度控制防静电工作区的环境相对湿度以不低于50%为宜183、防静电设施：3.1静电放电保护区域(EPA)（见图16）静电放电保护区域(EPA),有时指安全操作区,是任意一种静电放电控制措施的核心所在.在此区域中,静电放电敏感元件(ESDS)或电路板,或包含这些的组件,都可以很安全地工作,因为电荷的数量得到控制,而不会产生破坏性电压.这种区域中通常包含工作台或工作台组,工作站,自动插件机一类的处理设备或者一块生产区.EPA的范围必须清楚的标明,最好设置一围一栏以防止未经允许的无关人员入内,EPA区域内应使用静电荷积累最小的材料,并且可使电荷以受控制的方式泄入到大地中.第三章：ESD防护操作系统（图16）193.2静电安全工作台：通过限流电阻接地,工作台不可串联接地由于工作台、防静电桌垫、腕带接头和接大地线等组成，静电安全工作台上不允许堆放塑（片）、橡皮、纸板、玻璃等易产生静电的杂物，图